לוויינים זעירים ומערכות התקשורת שלהם: הווה ועתיד

הקדמה

לוויין זעיר הוא לוויין שנבנה על ידי מעשה אדם ומשקלו קטן מ-50 קילוגרם.לוויינים זעירים מקוטלגים על פי גודלם. בשל משקלם הנמוך יחסית נלווים הלוויינים הזעירים למשגר שמחובר ללוויין גדול והוא הקובע את נתוני השיגור. הלוויינים הזעירים משוגרים בדרך כלל מתוך תיבת אחסון עם קפיץ, כך שכאשר המשגר מגיע למסלולו, נשלחת פקודה על ידי המחשב שפותחת את הדלת של התיבה והקפיץ דוחף את הלוויינים הזעירים החוצה, בזה אחר זה.

משתמשים בעיקר בלוויינים זעירים בעיקר למטרות לימוד, הם גם נשלחים  מתחנת החלל הבין לאומית.

כמו כן יש שני סוגים של לוויינים זעירים: לוויינים פשוטים, ופשוטים מאוד בעלות נמוכה של סטודנטים וחובבי רדיו ולוויינים מתוחכמים , משוכללים ו יקרים יותר של כוחות הביטחון, חברות פרטיות  ומסחריות ו ה NASA.

המין האנושי שלח בהצלחה את הלוויין המלאכותי הראשון שלו למסלול סביב כדור הארץ   ב-1957, עם דגם ה ספוטניק של ברית המועצות שמשקלו היה 84 ק”ג וקוטרו 58 ס”מ. מאז ועד היום נשלחו אלפי לוויינים והמעצמות התחרו במרוץ כדי לחקור החלל בסדרה של פרויקטים שאפתניים ומורכבים יותר ויותר.

טכנולוגיית החלל נוטה להיות יותר ויותר מתוחכמת, נגישה במיוחד לסוכנויות החלל של המדינות המפותחות ביותר בעולם או לשירות של תאגידים גדולים.

 “החלל החדש” מבוסס על עיקרון של יצירת לוויינים יקרים פחות בתקופות קצרות יותר של זמן, הודות לירידה גדולה במחירי המזעור של הלוויינים והתפתחות הטכנולוגיה.

לוויינים זעירים: מסלולם, סיווגם, יתרונות וחסרונות

תחילה נציין כי רובם של הלוויינים הזעירים פועלים במסלול   LEO  בגובה מאות ק”מ מכדור הארץ בגלל כמות האנרגיה וההספק המוגבלים בשל גודלם והפסדי הפיזור העצומים עבור לוויינים רחוקים בגובה עשרות  אלפים ק”מ כדוגמת  הגאוסטציונרים המקובלים עבור מערכות תקשורת ועוד יישומים.

על פי חוק MOORE ,החוזה הכפלת צפיפות האלמנטים על מעגל מוכלל

בערך כל 18 עד 24 חודשים, מאפשר מזעור מערכות ובניית לוויינים

יותר ויותר קטנים, יעילים ובעלות נמוכה. אבל קיימת הגבלה

בביצועים, באורך חיים וברוחב סרט תדרים עבור לוויינים קטנים, כי

יש מקום מצומצם לתאי שמש וקשה לבצע יתירות.

שימושים ומשימות עיקריים של הלוויינים הזעירים:

מחקרים מדעיים – לוויינים זעירים משמשים כמעבדות מעופפות עם עלות נמוכה להוכחת טכנולוגיות ובדיקת רכיבים חדשים עבור לוויינים. השילוב של קרינה חזקה, הפרשי טמפרטורה קיצוניים וריק כמעט מוחלט מקשה על רכיבים אלקטרוניים לעבוד היטב בחלל. יש לזכור שללא תכנון מתאים, רכיבים אלו עלולים להינזק, להתקלקל ואפילו להישרף. בדיקת הרכיבים במעבדות הקיימות על פני כדור הארץ עולה הון בנוסף, רק חלק מתנאי החלל משוחזרים בהן, לכן אינן מדמות את סביבת החלל באמת. היכולת לבנות ולשגר לוויין קטן וזול מאפשרת הרכבת חלק מהרכיבים החדשים על לוויין זעיר ולבצע ניסוי בפועל בחלל.

שיפורים טכנולוגיים בתחום התקשורת- תקשורת לוויינית בין מטוסים, בין חיילים בשדה הקרב. אחד החידושים המעניינים ביותר בתחום החלל הוא השימוש בטלפונים חכמים כמחשבי משימה ומטענים ייעודיים בלוויינים זעירים

תצפיות – לוויינים זעירים, כמו ננו-לוויינים, קטנים מכדי להכיל עדשות ומצלמות לצילום צבאי ברזולוציה המאפשרת קירוב קטן ממטר, אך הם בהחלט יכולים לספק תמונות איכותיות של כדור הארץ בצבע וברזולוציה של כמה מטרים. תמונות אלה מצוינות ליישומים הקשורים לניטור כדור הארץ ואיכות הסביבה, כמו זיהוי זיהומי מים, כתמי שמן ונפט בים, מקורות שריפה ואפילו חקלאות חכמה.

מחקרים ביולוגיים – בדיקת השפעות סביבת החלל על חומרים אורגניים ויצורים חיים. אחד מהלוויינים  הזעירים ששוגרו לחלל לטובת נושא זה שוגר על ידי נאס”א. לוויין Gene-Sat (לוויין בראשית) נועד לבדוק את קצב גידול חיידקי אי-קולי (coli) בהשפעת הקרינה אשר בחלל. הלוויין שידר תמונות של תרביות גידול החיידקים – דבר שאפשר למדענים לנתח את התוצאות בהשוואה לאוכלוסיית חיידקים זהה על פני כדור הארץ. בנוסף, לוויין Pharma-Sat (פיתוח של נאס”א) נועד לבחון יעילות של תרופות אנטיביוטיות בחיסול חיידקים בחלל.

סיוע במקרי חירום – הלוויין מיועד לסייע למטיילים שהולכים לאיבוד במקום שאין בו קליטה סלולרית. המטייל יוכל לשלוח אותות מצוקה ממכשיר קשר של חובבים אל הלוויין הזעיר, שבתורו ישדר למוקד בכדור הארץ וישלח חילוץ. מאחר שכ-70% מכדור הארץ מכוסה אוקיינוסים, ישנם אזורים עצומים שבהם אין קליטה סלולרית. הלוויין יחוג בגובה 600 ק”מ וישהה כשנתיים בחלל במהלכן יקיף את כדור הארץ כל שעה וחצי וייתן מענה ל-4,000 ק”מ בכל פעם. בכך יכסה את כל כדור הארץ תוך מספר שעות – אין לוויין שנותן מענה כזה כיום. דבר זה יוכל לעודד סטודנטים ובני נוער להיכנס לתחום הלווייניים והחלל בכדי להציל בסופו של דבר חיי אדם.

סיווג הלוויינים לפי משקלם:

יתרונות הלוויין הזעיר:

• שילוחים בעלות נמוכה.
• מחירי ייצור נמוכים
• החלפה מהירה וזמינות של חלקי חילוף
• זמני ייצור קצרים
• משיכת בני נוער וסטודנטים למדעי החלל

חסרונות הלוויין הזעיר:

• אורח חיים קצר
• פסולת חלל גבוהה
• הגבלה בהספק החשמלי הפנוי ובאפשרות יתירות
• פיקוח מופחת עבור לוויינים שנבנים ע”י סטודנטים, שגורם לרעשים והפרעות הדדיות

בגרף  ניתן לראות כי מתוך יותר מ 90 חברות שמפעילות לוויינים זעירים ישנם 10 חברות מובילות בתחום בכלל ו2 חברות בולטות בפרט- Planet ו- Spire Global .

חברת Planet :

פלאנט הוקמה ב–2010 על ידי שלושה מדענים מ הנאס”א: מרשל הבריטי, כריס בושייזן האוסטרלי, סמנכ”ל הטכנולוגיה, ורובי שינגלר, אמריקאי שמשמש סמנכ”ל התפעול. כל השלושה מאסו בדרכים הקונבנציונליות לבנייה של מוצרי חלל.

לפי הערכת לקוחותיהם, הלוויינים של פלאנט זולים ב–95% מרוב הלוויינים של המתחרות. “אנחנו ממנפים מיליארדי דולרים שהוצאו על עסקי הסלולר”, כדי לבסס את הפיתוח שלנו, אמר מרשל. עלויות השיגור זולות יותר, כי הלוויינים קלים ויכולים לתפוס טרמפ על טילים שמסיעים לחלל מטען אחר. כל 28 הלוויינים שוקלים יחד כ–50 ק”ג, לעומת הלוויין LANDSATשמצלם את כדור הארץ ושוקל כשתי טונות.

 חברת “פלאנט” שיגרה לפני כשנה 28 לוויינים זעירים  במשקל 3 ק”ג כל אחד(U3) לצילום רציף של כדור הארץ מתחנת החלל הבינ”ל (ISS) ויש בכוונתם לשגר 100 ננו-לוויינים נוספים כאלה לכיסוי צילומי רציף של כדה”א.

“פלאנט ” מתמחים בעיקר בלהפוך את השינוי הגלובלי  לדבר שהוא גלוי ונגיש ושאפשר להתעסק ולפעול בו. פלאנט מספקת לארגונים מודיעין בזמן אמת, לזהות באופן יזום כתמים עיוורים, לצפות אירועים ולרכוש אמון בהחלטות גורליות.

חברת Spire Global:

“Spire Global” הינה חברה שמתעסקת במידע וניתוח חלל-ענן, המתמחה במעקב אחר מערכי נתונים גלובליים המופעלים על ידי מערכים גדולים של ננו-לוויינים לצורך מעקב אחר דפוסי הים, התעופה ,מזג האוויר ועוד.

חברת  “Spire Global” מייצרת מערכי לוויינים זעירים שהיא מפעילה וזאת במטרה לבצע תצפיות מזג אוויר ומעקב אחר ספינות.

החברה מפעילה כיום צי של יותר מ- 80 Cube Sat’s, זוהי חברת הלוויינים הזעירים המסחרית השנייה בגודלה לפי מספר לוויינים, והגדולה ביותר לפי מספר חיישנים.

הלוויינים שלה מעוצבים ונבנים באופן אינטגרלי. החברה שלחה יותר ממאה לוויינים למסלול מאז הקמתה.

משימתה של החברה הינה לעורר השראה, הובלה ויצירה של תחום תצפית כדה”א.

אתגרים טכניים בפיתוח לוויין זעיר

האתגרים המרובים איתם מתמודדים המהנדסים  הם הקטנת רכיבי הלוויין תוך שמירת אמינותם ואיכותם. לרוב, ככול שהרכיב הוא גדול יותר, קל יותר לבצע עליו בדיקות ואנליזות ושינויים לפי הצורך. כאשר מקטינים את הרכיבים יש קושי בביצוע אנליזות ובדיקות, וכל זה מקשה על שינויים ברמת הרכיב. כשמנסים למזער את הרכיבים, נדרשים כלים מיוחדים. שעות הפיתוח של רכיבים אלה גדולות מאוד ביחס לעלות הפיתוח של הלוויין עצמו. אחד האתגרים המורכבים הוא לשלב מעבד בסדר גודל ממש קטן שיוכל למנות את כל הפונקציות החיוניות בעת שיגור הלוויין. כל הפונקציות הללו דורשות כוח ויכולת עיבוד גדולה מאוד ומהירה, לכן היה קשה לפתח מעבד קטן שיכול לתת מענה לכל הצרכים האלו. בתחום התקשורת האתגר הכי גדול הוא בין גודל הלוויין להספק  החשמלי שאותו הוא מעביר. בלוויינים זעירים מוגבלים בהספק המשודר ומפני שהפסדי הפיזור גדלים ביחס ישר לרבוע התדר יש להשתמש בתדרים נמוכים יותר כדי לקבל אות מספיק גדול במקלטים על כדור הארץ. לכן הלוויינים הזעירים משתמשים בעיקר בתחום תדרי הVHF,  הנמוכים מן המקובלים בלוויינים גדולים יותר מה שמגביל את רוחב הסרט ואת קצב העברת המידע המשודרים מן הלוויינים. בגלל משקלם הקטן של הלוויינים אין מצברים (יש אולי סוללה קטנה או קבל שאוגר אנרגיה ) לכן ההספק יהיה בוואטים בודדים, לכן ככל שממזערים את הלוויין, כך ההספק שהוא יכול לקבל ולהעביר, יורדים. זאת אחת המגבלות הגדולות עד היום.

בנוסף לכך קיימים עוד כמה אתגריים טכניים וטכנולוגיים הנדרשים בתכנון הלוויינים הזעירים:

• חומרהשל מעבדים – אחד האתגרים הטכנולוגיים שהתמודדו אתו בתחילת שנות ה-2000 היה תמיכה במעבדים חזקים בסדרי גודל (פיזי) שמיועדים ללוויינים זעירים. כדי להטיס לוויינים נדרשות פונקציות חיוניות שחשובות למערכת, פונקציות אלו דורשות כוח עיבוד נתונים מהיר ויעיל. היה קשה מאד לפתח מעבדים קטנים שיכולים לתת ביצועים גבוהים ביעילות ואמינות טובים.
• גודל הזיכרון– יש קושי לייצר רכיבי זיכרון קטנים מאד בעלי נפח שמירה גדול.
• ניווטושליטה– (Guidance Navigation and Control) – מזעור כל היחידות הקשורות להכוונה, ניווט ושליטה.
• תקשורת– האתגר בתחום התקשורת הוא שילוב בין גודל להספק עבודה. קשה למצוא את היחס הפרופורציונלי בין כמות ההספק שיחידות התקשורת דורשות לבין גודלה. נדרש למזער כול הלוויין כמו כן גם נדרש לספק הספק גבוה, וכאן לטכנולוגיה  זו יש עדיין מגבלה.
• ספקי כוח– סוללות אמינות ביותר דורשות מקום גדול יותר בגלל הנפח שלהן. האתגר הוא למזער את הסוללות ולגרום לכך שתהיינה יעילות ואמינות.
• בקרה תרמית– ככל שהיחידה קטנה יותר כמות החום שהיא יכולה לאגור קטן יותר. לכן במידה והלוויין הזעיר ידרוש יותר אנרגיה כתוצאה מפעילויות שונות, כמות החום שייאגר בתוכו יהיה גבוה מאד, כך שפיזור החום הופך להיות גורם משמעותי.
• חיווט– ככל שהלוויין קטן יותר, נדרש חיווט עדין ומיוחד. האתגר הוא לחווט את הרכיבים בנפח קטן מאד.
• מערכת ההנעה– האתגר הוא ליצור מערכת הנעה שתתאים לגדלים של ננו–לוויינים ומטה, שתוכל להחזיק את הלוויין במסלול שלו, לתקופה ארוכה (מעל ל-12 חודשים לפחות).

*הישגים עדכניים של חברה ישראלית:

עפ”י האתר לסוכנות החלל הישראלית מקור ההשראה לשילוב לוויין זעיר לשידור אינטרנטי הינו בעצם “סטרטאפ” ישראלי ומקור לגאווה עבורנו.

מדובר בלוויין בעל האנטנה המתקפלת ששוגר  ב9.7.2019 כחלק מתוכנית לשגר מאות לוויינים שיספקו אינטרנט ברחבי העולם עד 2023, ע”י חברת  NSL Comm. הישראלית.

מאמץ שצלח לאחר ארבע שנות עבודה, שוגר הלוויין הזעיר הראשון כחלק ממערך לוויינים זעירים, חזון שאפתני במטרה להנגשה האינטרנט גם עבור מקומות נדחים בעולם.

לפי התוכנית הלוויין הראשון, ששוגר מרוסיה על גבי משגר SOYUZ, ישהה במסלול נמוך (LEO) סביב כדור הארץ במשך חמש שנים. הוא קטן מלווייני תקשורת טיפוסיים אך עתיד לספק קצב נתונים מרשים יחסית – 1.5 ג’יגה-ביט לשנייה, לעומת 20 מגה-ביט בלוויינים בגודל זהה.

אחד היתרונות הבולטים של NSLSat-1 הוא האנטנה הייחודית שהוא נושא, הבנויה מפולימר ייחודי, חומר גמיש המאפשר לה להתקפל ולחסוך במקום בעת השיגור. בחלל היא נפרשת באופן המאפשר למקסם את יכולות השידור עד פי 100 ביחס ללוויינים באותו גודל. החיסכון בגודל ובמקום עשוי להוזיל את לווייני תקשורת הנתונים עד פי עשרה.

לצד הוכחת היתכנות, שתאפשר לחברה למכור את האנטנה שפיתחה ליצרנים, החברה, הנתמכת על ידי סוכנות החלל הישראלית במשרד המדע והטכנולוגיה, הצהירה על חזון שאפתני ביותר: שיגור 30 לוויינים עד 2021 ומאות לוויינים עד 2023, על מנת לפרוש רשת לוויינים שתספק תקשורת גלובלית במהירות גבוהה. זו עשויה לשמש את התעשייה הצבאית, תחום הספנות האזרחית ותחומים נוספים.

הזמן הדרוש לפתח ננו-לוויין חדש

מלבד הגודל שלהם והעלות הנמוכים, היתרון הגדול ביותר של לוויין זעיר  הוא פרק הזמן הקצר הנדרש לפתח כל דגם. לוויין בגודל ממוצע או גדול דורש מספר שנים כדי לזהות את הצורך ,לתכנן, לייצרו ולהציב אותו במסלול . מה שאומר שהשימושים המתוכננים בתחילה אינם מתאימים יותר לשוק.  מה עוד, טכנולוגיות התקשורת משתנות ומתעדכנות כל הזמן. זה בלתי אפשרי לעדכן כל הזמן לוויינים גדולים, כלומר, הם לא יכולים להיות שונים מבחינה טכנולוגית, אבל עבור לוויין זעיר יכול לקחת פחות מ-8 חודשים עד שממקמים אותו במסלול.

עלות פיתוח ננו-לוויין           

פיתוח לוויינים קטנים תורם להפחתה של עלויות המחקר והשלבים הטכניים. זה תורם באופן משמעותי כדי להתגבר על מחסום הכניסה לחלל, אשר הובילה לעלייה חדה עקב הפופולריות של הלוויינים הזעירים. בהתאם למפרטי Nanosatellite ניתן לבנות לוויין זעיר ולשגר אותו למסלול בעלות הרבה יותר נמוכה מלוויין גדול. ראוי להזכיר במיוחד את הופעתה של משגרי מיקרו ברחבי העולם המוקדש באופן בלעדי להצבת לוויינים קטנים במסלול – הם הורידו משמעותית את עלויות השיגור. בנוסף להתפתחותו בפועל של כל לוויין, שיגור ננו-לוויין כחלק מקונסטלציה מאפשר לסיכון הכרוך במשימת חלל כלשהי להתחלק בין מקטעים קטנים יותר. כתוצאה מכך, אם ננו-לוויין אבד או שאחת מהיחידות נכשלת, ניתן להחליפו במהירות בתוך תקופות זמן סבירות ובמחיר סביר. לעומת זאת, הכישלון של לוויין בקנה מידה גדול עלול לסכן את המשימה כולה. עלות מופחתת של Nanosatellites  לא אומרת שהם פחות אמינים. עם המתודולוגיות הנכונות הן בשלבי תכנון הלוויין והן בשלבי הבדיקות, ניתן להבטיח את הצלחתה של המשימה ולהשאיר רק את הגורמים שאינם ניתנים לשליטה, ז”א אירועים כגון: תקלות שיגור, סופות שמש או ההשפעה של מטאוריט או זבל בחלל.

פעילויות בתכנון ובניית לוויינים קטנים וזעירים בעולם

הפעילות בארה”ב:

פעילויות של NASA ושל DARPA בארה”ב: בין הפעילות העיקרית בתחומי לוויינים קטנים וזעירים NASA שהוקמה בשנת 1958 כדי לשמר את העליונות של ארה”ב בתחום חקר החלל והמדעים המדויקים. NASA בשיתוף עם ה DARPA ו ה DOD מזרועות הביטחון של ארה”ב השקיעו בפרויקט ה Fast sat לפיתוח טילים ולוויינים קטנים וזעירים איכותיים כדוגמת ה .STPs חברת Comtech-aero astro  בשיתוף עם USU פיתחו את המשלח Coral P עבור Cube sat   בעלי אמינות מאוד גבוהה. החברה פיתחה תכנית בדיקה של חלליות המשתמשת במיני לוויינים: STP1 – בעל משקל של 180 ק”ג ו STS2 בעל משקל של 230 ק”ג לתקשורת ובקרה, מכשירי GPS, סוללתLi-ion ומקור דלק.

NASA שלחה ממעבורת החלל בשנת 2005 לוויין משוכלל בשם “ארקום” במשקל של 4.5 ק”ג וקוטר של 19 ס”מ’ המיועד לפיקוח על המעבורת או על חלליות אחרות ומכיל מצלמות, תת מערכות לתקשורת ולבקרה, מכשירי GPS, סוללת Li-Ion ומקור דלק. (כפי שמוצג באיור 11). במידה והיו משתמשים בלוויין זה יותר מוקדם אולי היה יכול למנוע אסון ממעבורת החלל STS-107 שבו נספו מספר אסטרונאוטים יחד עם אילן רמון בשנת 2003. כיום משתמשים בננו-לוויין זה להגנה ופיקוח על תחנת החלל הבין לאומית ISS.

בגלל מצב נגיף הקורונה שפוקד את העולם מצרפים חלק מכתבה שפורסמה ב 29 מאי 2020:

המגיפה העולמית פגעה גם בחברות ההפעלה בתקשורת לוויינית (SATCOM) באופן חמור, ו- One Web, אחת החברות שמטרתה לספק אינטרנט  במיוחד למקומות  קרוב לקטבים של כדור הארץ, הגישה בקשה לפשיטת רגל בחודש מרץ. משרד ההגנה האמריקאי (DOD) שוקל לנקוט בפעולות כדי לסייע בביצור One Web וסטארט-אפים חללים מסחריים אחרים, אומר סא”ל דייוויד תומפסון, סגן מפקד כוח החלל האמריקני. תומפסון אינו מציג אפשרויות שנחשבות על ידי הפנטגון לסייע ל- One Web, אך טוען כי מועצת רכישת החלל של המחלקה הציבה רשימה של השקעות המוצעות לחברות חלל הזקוקות לפעולה מהירה ואגרסיבית.

הפעילות באירופה:

בראשות הESA

• מאמץ להפעיל סטודנטים מ-2008 לשלח בכל שנה לפחות 2 טילים ו-2 בלונים לגובה עד 35 ק”מ למטרות לימודיות ומחקריות בפרויקטREXUS/BEXUS  ובניית לוויינים זעירים.
• ביוזמת ה-ESA הוקמה רשת בין לאומית- Hum-sat של כמאה תחנות קרקע המקושרות באינטרנט הקולטות מס רב של לוויינים,  ברובם זעירים . הרשת מנוהלת ע”י חברת “Vigo” בספרד שבונה גם מספר לוויינים זעירים.
• כ25% מן הפעילות העולמית בנושא לוויינים זעירים מבוצע ע”י מדינות השוק המשותף באירופה.
• בבריטניה מפרסמים שהצליחו להגיע למטען רדיו חדש עבור לוויינים זעירים שיכול לעזור הרבה בכל תחום תדרי ה RF בעל יכולות גבוהות וביצוע מרשים של משימות. השקת המוצר הייתה ב 3 ביולי 2020 . (מצורפת תמונה שנלקח ממאמר בנושא).

הפעילות בישראל:

עמותת (Israel Nano-Satellite Association  נוסדה בשנת 2006  בראשות ד“ר רז יצחקי טמיר המשתפת פעולה עם מפעל מבת חלל של התעשייה האווירית (בה נמצא בשלבי בנייה הננו-לוויין Inklajn  על שם ד“ר מרסל קליין שיבצע 7 ניסויים מדעיים בגובה של כ-650 ק“מ) ועם מכון אשר נמצא בטכניון. לטכניון שיתוף פעולה עם Cornell University  בהקמת  אוניברסיטה מחקרית בניו-יורק. כפי שנכתב לעיל Cornell מצטיינת גם בתחום הלוויינים המאוד זעירים . .Fempto sat,  ובעתיד  אולי תעבוד בשיתוף עם הטכניון בתחום. גם בטכניון נבנה והופעל הלוויין הקט  GURWIN .כמו כן מתוכנן ובשלבי בנייה במכון אשר מקבץ של 3 לוויינים במשקל של 6 ק“ג כל אחד למטרות טיסות מבנה וחיפוש והצלה (איכון). המכון לביטחון המולדת באוניברסיטת בן גוריון בנגב – קיבל תרומה של 1 מיליון דולר עבור שילוח של 2 לווייני פיקו למטרות חישה למרחוק, תקשורת ואיכון. במרכז למדעים התיכוני בהרצלייה נבנה פיקו-לוויין דוכיפת-כמו כן מתקיימת פעילות בכנסים הבינלאומיים השנתיים על שם אילן רמון. לסיכום רצוי מאוד להגדיל את הפעילות וההשקעות בתחום הלוויינים הקטנים והזעירים בארץ.

באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20 החלו סטודנטים בטכניון במאמץ פיתוח לוויין זעיר אשר יעשה שימוש בטכנולוגיות חלל חדישות. הסטודנטים, בליווי של אנשי הסגל, בנו לוויין שמשקלו 50 ק”ג, גודלו 50 X‏ 50 ס”מ וצורך פחות מ-17 ואט. מרבית החומרה ללוויין נתרמה על ידי חברות ישראליות, אשר רצו לבחון רעיונות חדשים ופיתוחים מקוריים בסביבת חלל על גבי לוויין.

עלות הפיתוח של הלוויין עמדה על כ-3.5 מיליון דולר. הלוויין הראשון שנבנה שוגר על גבי טיל רוסי בחודש מרץ .1995 השיגור נכשל והלוויין לא הגיע למסלול. הלוויין גור ווין טכסאט-2 שנבנה בעקבותיו שוגר בהצלחה ביולי 1998 לגובה של 820 ק”מ. באפריל 2010,  לאחר 11 שנים של פעילות במסלול, הושלמה משימת הלוויין והופסקה פעילותו. זהו שיא ללוויין אוניברסיטאי שתוכנן למספר שנים בודדות

לוויין הטכס אט הוא פרי פיתוח של הטכניון, במסגרת מכון אשר לחקר החלל, בשיתוף עם המחלקה לפיזיקה, הפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל, סוכנות החלל הישראלית, מפאת ותעשיות חלל שונות בארץ, בראשן התעשייה האווירית. בתכנון הלוויין ובבניית מערכותיו השתתפו מספר מומחים וסטודנטים מהטכניון.

אגודת חובבי הרדיו בישראל הייתה גורם מרכזי בפיתוח מערכות הקשר של הלוויין. חובבי רדיו השתתפו באופן פעיל בתכנון מערכות הקשר על הלוויין ומערכות הקשר בתחנת הקרקע. חובבי רדיו הפעילו את תחנת הקרקע ושידורי הלוויין נעשו בתדרי החובבים הבינלאומיים. דבר זה אפשר האזנה ושידור אל הלוויין וממנו על ידי קהילת החובבים בעולם כולו. שלושה תחומי תדרים הוקצו לצורך זה: בתחומים של התדרים הנמוכים המוקצים ללוויינים 150, 428.5 ,1304.3 (MHz).

הלוויין  “דוכיפת 1” שוגר ב-19 ביוני 2014 מבסיס חלל רוסי במשגר חלל מסוג “דנייפר” יחד עם עוד 37 מיקרו לוויינים נוספים לגובה של כ-600 ק”מ. הלוויין הזעיר בנוי כקובייה שכל צלע בה באורך 10 ס”מ ומשקלו כ-853 גרם. הלוויין נבנה במעבדת החלל שבמרכז המדעים בהרצליה על ידי תלמידי תיכון הנדסאים הרצליה שנעזרו בד”ר אנה הלר ממרכז המדעים. הוא יועד לשמש כניסוי לאיתור מטיילים אבודים באזורים נטולי קליטה סלולרית באמצעות קליטת אותות מצוקה ואיתור נקודת שידורם. בנוסף הלוויין אפשר קשר בין חובבי רדיו בכל העולם ושימש כפלטפורמה חינוכית לתרגול תקשורת עם לוויינים.

ב-2014 הצטרפה מעבדת החלל של הרצליה לפרויקט האירופאי QB50 שבמסגרתו נבנה ננו לוויין נוסף בשם ” דוכיפת 2 “אשר שוגר ב-18 באפריל 2017 במשגר אמריקאי מסוג “אטלס 5” ממרכז החלל קנדי בפלורידה אל תחנת החלל הבינלאומית ומשם נשלח לרחף בחלל. משקלו בשיגור 1766 גרם וגודלו 10X10X20 ס”מ. בתכנון הלוויין השתתפו תלמידי בתי ספר ממספר מוסדות בישראל.

הלוויין “דוכיפת 3” שוגר ב-11 בדצמבר 2019 לאחר מספר דחיות במועד השיגור. דוכיפת 3 הוא ננו-לוויין בגודל 3 יחידות לוויין (10*10*34 סנטימטר) במשקל 2335 גרם וכולל מצלמה למחקר אקולוגי וציוד תקשורת לניסויי חובבי רדיו.

לווייני DIDO :

לווייני DIDO הם משפחת לוויינים זעירים מסוג  cube sat  הנבנים לבחינת ניסויים בתנאי מיקרו כבידה על ידי חברת ספייס פרמה. DIDO-2 שוגר ב-15 בפברואר 2017 ו-DIDO-3 שוגר ב-3 בספטמבר .2020

בין הלוויינים הישראליים ששוגרו ב-17 בפברואר 2017 מהודו נכלל לוויין זעיר מסוג cube sat בשם BGUSAT  אותו בנתה אוניברסיטת בן-גוריון. לוויין זה נבנה בשיתוף עם התעשייה האווירית, הוא בגודל ) 3Uכלומר 10x10x30 ס”מ (ונועד לצלם גזים בתחום האינפרה אדום.

לוויין נוסף ששוגר אז הוא הלוויין PEASSS, שנבנה עם האיחוד האירופאי, ומעורבים בו גם חברת    NSL  הישראלית והטכניון. הוא לוויין מדגים טכנולוגיות.

חברת אלביט מערכות שיגרה ב-18 בדצמבר 2019 את הננו לוויין NANOVA שמידותיו  3U (כלומר 1010x30x ס”מ (ומשקלו כ-5 ק”ג. הלוויין שוגר ממרכז החלל SHAR בהודו (סאטיש דאוון ספייס סנטר) במשגר מסוג “PSLV” לגובה של כ-580 ק”מ. הננו לוויין הוא חלק מניסוי להקמת רשת ננו לוויינים מתוצרת חברת אלביט מערכות באזורים נטולי כיסוי או כיסוי מוגבל לתקשורת לוויינית אזרחית ומאפשר שימושים שונים כגון חיפוש והצלה, מעקב אחרי ציי אניות, איתור וחישה ועוד. הלוויין מצויד במטע”ד תקשורת אולטרה-גבוה (Ultra-High Frequency) ומתופעל ממטה החברה בחיפה.

תחזיות בתחומי הלוויינים הזעירים

על פי מחקרים עולמיים, הצפי הוא לגידול משמעותי בשימוש בלוויינים זעירים. נאס”א מבקשת ממפתחים להגיש הצעות ללוויינים המבוססים על טלפונים חכמים. לדברי נאס”א, לווייניים קטנים שימושיים במיוחד בבדיקת טכנולוגיות מתפתחות שעשויות לשמש למשימות חלל עתידיות. נאס”א מכוונת לשימוש בלוויינים זעירים עבור משימות חלל שונות שיכללו ניסויים בביולוגיה ,בדיקות טכנולוגיות הנע ותקשורת מתקדמות ועוד…

עפ”י הגרף שנלקח מאתר הנתונים הגדול ביותר בעולם של ננו לוויינים(nanosats.eu) , ניתן לראות כי החל מסוף 2012 נושא שיגור הלוויינים הזעירים החל לתפוס תאוצה.

מהגרף עוד ניתן ללמוד את כמות השיגורים שבוצעו בהצלחה, כמות השיגורים שנכשלו וכמות השיגורים הצפויים להתרחש מהיום ועד 2023 ,כמובן עם מגמת עלייה לאורך כל השנים הללו.

ישנם חברות כמו” Planet“  אשר מתכננות מערך לוויינים גדול, ומעלות את כמות השיגורים משנה לשנה.

עוד תחזיות שצפויות בתחום הלוויינים הזעירים הינן:

– פיתוח נחילי SWAMP של לוויינים זעירים משוכללים שפועלים בצוות בעיקר למטרות  ביטחוניות ומחקריות.

–  ההגנה של הלוויינים החשובים על ידי זקיפים זעירים.

–  שכלול טכניקת MONARCH שפותחה על ידי מעבדות חיל האוויר של ארצות הברית ושימוש מוגבר של מדפסות 3D בשלבי התכנון והבניה.

– תכנון ושימוש של Femto-Sat במזעור מרבי עד לרמת Sat-On-Chip.

–  בנייה ושימוש בלוויינים זעירים לחקר הירח וכוכבי הלכת של מערכת השמש.–

 החלפת חלק מן הלוויינים הבינוניים לקטנים  בעלות נמוכה יותר ומבלי לגרוע בביצועים.

–אספקת אינטרנט ברחבי העולם כדוגמת לוויין NSL Sat בעל האנטנה המתקפלת שחברת

 “NSL Com.” הישראלית שיגרה לחלל.

–  פעילות לאומית ובינלאומית מוגברת של סטודנטים בתכנון ובניית לוויינים זעירים, ואפילו משוכללים, כדי למשוך ולאמן סטודנטים, מהנדסים ומדענים במדעי החלל ובאופן נרחב יותר לתחומי ה-, Science Technology, Engineering and Mathematics.

מסקנות

השימוש בלוויינים זעירים גרם להישגים רבים בתחום הלוויינים וחקר החלל. התפתחות של הלוויינים הזעירים תרמה רבות למטרות צבאיות ואזרחיות. כמו כן, אי אפשר להתעלם מהתרומה שלהם לחובבי הרדיו העתודה המקצועית למהנדסי ומומחים בתקשורת רדיו יש לזכור שבמלחמת השחרור ו קצת יותר מאוחר רוב קציני הקשר בצבא היו חובבי רדיו.

חובבי הרדיו החלו בפעילות ב בנית לוויינים רק שנה לאחר שיגור הלוויין הראשון לחלל

(שלהי שנות החמישים ( ארגון הלוויינים של חובבי רדיו הוקם בשנת 1960 ונקרא גם “AM SAT”.

חשיבותם של הלוויינים הזעירים באה לידי ביטוי גם בתחום השימושים הצבאיים והאזרחים כמו מערכות לקליטת אינטרנט לכל מקום בעולם ואף מערכות לאיכון ושידור במקומות ללא קליטה.

• איתור מטיילים אבודים באזורים נטולי קליטה סלולרית באמצעות קליטת אותות מצוקה ואיתור נקודת שידורם.
• שימושם ומשימותיהם העיקריות של הלוויינים הזעירים בעיקר בתחום של מחקרים מדעיים, שיפורים טכנולוגיים בתחום התקשורת, תצפיות, מחקרים ביולוגים , וסיוע במקרה חירום ו עוד.
• בזכות התועלת הרבה והמחיר הנמוך יחסית סטודנטים ותלמידים רבים תכננו ובנו את הלוויינים הנ”ל – דבר אשר גרם לתרומה בהתפתחותם והשכלתם, והם אלו ש הוו ו יהוו את עתודת המהנדסים והמדענים שיתרמו להתקדמות האנושות בתחום החלל אפוא שיש מקום נכבד גם ללוויינים זעירים.
• בזכות התועלת והיתרונות של לוויינים קטנים וזעירים על הגדולים יותר, גוברת ההשקעה והשימוש ב לוויינים זעירים למטרות צבאיות, מסחריות ועד חינוכיות, כאשר חשיבות מרובה לתת מערכות הרדיו.
• העלויות הנמוכות והזמנים הקצרים הנדרשים לבניין ושילוח לוויינים זעירים מאפשרים תכנונם ובנייתם גם ע”י מוסדות חינוך ש יגרום לגדול במספר ובאיכות הסטודנטים ואנשי מקצוע במדעים, בהנדסה ובחקר החלל( (STEM.
• לנוכח החשיבות, ההתחרות וההתפתחות העצומות בעולם חייבת ישראל להגביר את ההשקעה והפיתוח בתחום הלוויינים הקטנים והזעירים.

ביבליוגרפיה

[1]https://he.wikipedia.org

[2] https://filebin.net/tj1mk7gfqbbrfomd/_2017__1_.pdf?t=m9xrvjz2 – חוברת מאמרים של פרופסור יעקב  גוון רובם עם הסטודנטים שלו , אירנה ברונפמן ו ד”ר אירית יובילר שפרסמה ה החלק  הראשון של המאמרים על ידי SCE.

[3]  https://www.new-techonline.com/ . ג. נ. פרץ, ש. פנחסי, א. ברונפמן, פרופסור י. גוון, “לוויינים זעירים וחשיבותם: עבר, הווה ועתיד” New tech MW Magazine, פברואר 2017 , PP(88-93). (חוברת1)

[4] https://www.seeei.org.il/prdFiles/3522_desc2.pdf

[5] קובץ מחקרים על לוויינים זעירים  (ממהנדס ברפאל) :

https://filebin.net/hhy83cnn7hbx2zxl/Bryce_Start_Up_Space_2018.pdf?t=wwtejtdv

[6] https://www.planet.com/

[7] https://www.hayadan.org.il/my-small-sat-2805081

[8]https://www.hamichlol.org.il

[9] https://spire.com/

[10] https://techcrunch.com/2016/07/22/running-at-150000-rpm-this-tiny-motor-could-help-satellites-keep-on-course/

[11] https://www.militaryaerospace.com/

[12] https://www.militaryaerospace.com

[13] https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%98%D7%9B%D7%A1%D7%90%D7%98

[14] https://www.extremetech.com

[15] https://www.intelligent-aerospace.com

[16] –https://www.space.gov.il

 [17]  –https://www.nanosats.eu

[18] – דני קופרשמיט, מאור קפ, (MSc)אירנה ברונפמן, ד”ר. אירית יובילר ו פרופ. יעקב גוון, “לוויינים זעירים: עבר,הווה ועתיד”, New- Tech Magazine, February2020,pp(54-59)

[19]- יוחאי אלמקיאט, חן שמולביץ, (MSc)אירנה ברונפמן, ד”ר. אירית יובילר ו פרופ. יעקב גוון, “בראשית- מסע ישראלי הישגי לחלל”, חשמל ואנרגיה  SEEEEI,גיליון 81, פברואר2020 ,pp(26-30).

---