Eksperyment podczas lotu Polaka w Kosmos. Na czym będzie polegał?

Panie doktorze, wiele eksperymentów z tej listy, którą nasz astronauta będzie prowadził na orbicie, dotyczy zdrowia samych astronautów, ich stanu fizycznego i psychicznego. Natomiast eksperyment, który państwo proponujecie, dotyczy zdrowia aparatury, dokładnie elektroniki. Więc może zacznijmy od początku. Ja pamiętam takie czasy sprzed 20 lat, kiedy tworzący pojazdy kosmiczne inżynierowie mówili, że wysyłają w kosmos sprzęt jedną, a w zasadzie dwie generacje do tyłu, jeśli chodzi o jego szybkość, zdolność przetwarzania informacji, bo tylko w przypadku takiego sprzętu jesteśmy w stanie zapewnić mu bezpieczeństwo. Porozmawiajmy o tym, co jest największym zagrożeniem dla elektroniki na orbicie.

Dr Krzysztof Sielewicz: Największym zagrożeniem dla systemów elektronicznych pracujących w ramach systemów satelitarnych w przestrzeni kosmicznej jest promieniowanie kosmiczne. Oprócz ciężkich warunków samej przestrzeni kosmicznej, mówię tutaj o próżni, o problemach z prowadzeniem ciepła, wysokich wahaniach temperatury, w zależności od tego, czy aparatura jest naświetlona przez promienie słoneczne, czy nie. Ale promieniowanie kosmiczne to niewidzialna, ale niezwykle istotna część środowiska przestrzeni kosmicznej. I to promieniowanie pochodzi z różnych źródeł. Od Słońca. I tutaj mówimy o cząstkach emitowanych podczas burz słonecznych i rozbłysków. Mówimy o pasach radiacji ziemi, aż po galaktyczne promieniowanie kosmiczne docierające z odległych supernowych. W skład tego promieniowania wchodzą protony, elektrony, ciężkie jony. I tutaj mówimy od lekkich jąder helu po żelazo i jeszcze cięższych pierwiastkach. W przypadku niskiej orbity okołoziemskiej, gdzie znajduje się Międzynarodowa Stacja Kosmiczna i tak naprawdę gdzie na chwilę obecną skupia się największa aktywność eksploracji kosmosu przez człowieka, dominują głównie elektrony i protony uwięzione w pasach radiacyjnych, a także cząstki słoneczne. Na wyższych orbitach, takich jak na przykład orbita geostacjonarna, gdzie znajdują się systemy satelitarne służące do nawigacji i telekomunikacji oraz w głębokim kosmosie większy udział mają wysokoenergetyczne, galaktyczne promienie kosmiczne złożone z ciężkich jonów, które są bardzo trudne do ekranowania. I teraz tak, układy elektroniczne, które pracują w przestrzeni kosmicznej są na to promieniowanie podatne i systemy, które są projektowane, muszą uwzględniać to, że poszczególne komponenty tych systemów elektronicznych mogą przestawać poprawnie pracować. I teraz istnieje kilka sposobów zabezpieczania.

No to ja jeszcze zapytam, na czym polega to, że przestają poprawnie pracować. To znaczy przestają pracować w ogóle, w takim sensie, że po prostu się palą, albo uszkadzają, czy na przykład przekłamują dane, mogą wstawiać zera zamiast jedynek i odwrotnie?

Mówimy tutaj o wszystkim, o czym pan w tej chwili powiedział. Zasadniczo wszystkie te efekty nazywane są po angielsku "single event effects". Pierwszy poziom kategoryzacji to podzielenie tych błędów na błędy, które są chwilowe i błędy, które prowadzą do zniszczenia układu elektronicznego. Co do zasady, układy elektroniczne są projektowane w taki sposób, że do zniszczenia zazwyczaj nie dochodzi. Zazwyczaj mówimy o krótkotrwałych zakłóceniach w poprawnej pracy systemu. I to mogą być, tak jak pan powiedział, przekłamania, na przykład polegające na tym, że w danej komórce pamięci nagle jeden z bitów przestawi się z 0 na 1 albo z 1 na 0, albo w układach analogowych będzie to zakłócenie, które zostanie wprowadzone do na przykład toru radiowego, albo jakiegoś transmisyjnego toru analogowego. I te systemy, które są projektowane, muszą te zagadnienia brać pod uwagę i konstruktorzy muszą wprowadzać i używać metod, które zabezpieczają te systemy satelitarne przed tymi zjawiskami. I teraz pozwolę sobie przejść do sposobów zabezpieczania. 

No właśnie, bo tu na pierwszy rzut oka to jakby sposoby są dwa. Z jednej strony lepsza izolacja, co pewnie ma tylko bardzo ograniczoną możliwość, bo to są po prostu przenikliwe cząstki, których ani kabina stacji nie zatrzyma, ani nawet jakieś dodatkowe obłożenie materiałami. No i drugi, ten, który państwa na pewno najbardziej interesuje, czyli takie sprzętowe, może nawet oparte też na oprogramowaniu zabezpieczenie tego. Właśnie, jak to się robi?

Tak, tutaj jest kilka sposobów, tak jak pan wspomniał. Jednym ze sposobów jest ekranowanie. Ekranowanie oczywiście jest sposobem powszechnie używanym, ale problem ekranowania polega na tym, że wprowadzamy do systemu dodatkową masę, której oczywiście chcemy uniknąć, chcemy, żeby nasz system był jak najlżejszy, żeby jego wysłanie i umieszczenie na orbicie było jak najtańsze. Z drugiej strony wprowadzanie ekranowania wiąże się też z innymi problemami, polegającymi na tym, że np. ciężki jon, który uderza w taki ekran, w taki pancerz, powoduje, że z tego pancerza wybijane są jeszcze inne cząstki. Więc tak naprawdę zamiast poprawić sytuację, możemy ją pogorszyć. Główne metody, które są w dzisiejszych czasach stosowane, to przede wszystkim jest architektura systemów satelitarnych, która wykorzystuje multiplikację tych systemów. To jest chyba główna metoda wykorzystywana, czy jedna z głównych metod. Polega to na tym, że dany system jest na przykład multiplikowany trzykrotnie, albo jest zduplikowany. I wtedy menedżer systemu satelitarnego podejmuje decyzję, czy dany podsystem działa poprawnie, czy nie. Czyli, że mamy trzy wyjścia, jeśli jedno jest inne od pozostałych dwóch, to wtedy podejmujemy decyzję, co zrobić. Zazwyczaj zostanie uznane, że w tym podsystemie pojawił się błąd i on musi zostać najprawdopodobniej zresetowany. 

Kolejna metoda to wykorzystanie odporniejszych na radiację procesów produkcji półprzewodników, czyli same chipy, z których będziemy korzystać zaprojektowane są już na tym poziomie półprzewodnikowym w taki sposób, że te układy mają zwiększony poziom odporności na promieniowanie. I na przykład tutaj w przypadku układów cyfrowych każda komórka pamięci będzie zmultiplikowana, czyli już na poziomie samego chipu wykorzystujemy metody, które powodują, że ten układ elektroniczny jest bardziej odporny. Aczkolwiek jeszcze jedną rzeczą, którą chciałbym tutaj dodać jest to, że tak jak pan mówił, systemy elektroniczne, które umieszczane są na orbicie, są generację albo dwie do tyłu. Tak było. Tutaj mówimy o tak zwanym legacy space, czyli o takich systemach elektronicznych, bardzo często projektowanych przez agencje kosmiczne. To są systemy elektroniczne, systemy satelitarne, gdzie tak naprawdę nie możemy zaakceptować dużego ryzyka. Próbujemy za wszelką cenę to ryzyko zminimalizować. No bo na przykład jeżeli wysyłamy satelitę za dziesiątki miliardów dolarów w daleką przestrzeń kosmiczną, oczywiście próbujemy zminimalizować ryzyko najbardziej jak potrafimy, prawda? W związku z tym, że w ostatnich latach drastycznie maleje koszt umieszczenia satelitów w przestrzeni kosmicznej, wiele podmiotów jest w stanie zaakceptować większe ryzyko. I tutaj możemy za przykład podać SpaceX i jego system Starlink. Gdzie nawet jednym z założeń projektowych jest to, że możemy te satelity podmieniać jak one będą ulegały uszkodzeniom, albo jak będziemy mogli je zastępować nową generacją. I tutaj zaczynamy korzystać z komercyjnych układów dostępnych na Ziemi. I tutaj te komponenty nazywają się COTS, Commercial Off-the-Shelf Components. I to są układy elektroniczne, które są komercyjnie wykorzystywane na Ziemi, które wykorzystują najnowsze procesy półprzewodnikowe i które oferują największą wydajność. To są komponenty elektroniczne projektowane do sieci telekomunikacyjnych, do smartfonów, do sprzętu cyfrowego użytku codziennego. 

I detektory, które opracowuje Sigma Labs, są demonstracją technologii, która ma umożliwić rozwój nowej generacji autonomicznych systemów, świadomych otaczającego je promieniowania. I jeżeli takie systemy uda nam się zintegrować z systemami o wysokiej wydajności obliczeniowej, lecz wrażliwymi na promieniowanie, wtedy monitory Sigma Labs mogą odgrywać kluczową rolę w nadzorowaniu i inicjowaniu adaptacyjnych zachowań w oparciu o rzeczywiste narażenie na promieniowanie. Tym samym mogą zwiększać niezawodność i dostępność tych nowoczesnych systemów satelitarnych, które w dużej mierze są już i będą coraz bardziej projektowane z wykorzystaniem tych komercyjnych układów scalonych. Dlatego, że postęp w opracowywaniu systemów kosmicznych w dzisiejszych czasach jest tak szybki, że nie możemy sobie pozwolić na to, żeby systemy, które umieszczamy na orbicie, były jedną albo dwie generacje do tyłu, tak jak pan redaktor powiedział.

Czy dobrze rozumiem? Czy to sugeruje w takim razie, że państwa czujnik, detektor, czując, zdając sobie sprawę z tego, że na przykład jest podwyższony poziom promieniowania, coś się wydarzyło na Słońcu, no i w związku z tym mamy do czynienia z nieco silniejszym bombardowaniem, na przykład zasugeruje mikroprocesorom, żeby na chwilę dały sobie spokój z obliczeniami, nawet wyłączyły się, żeby nie ryzykować?

Dokładnie tak. Wyobraźmy sobie taką sytuację. Mamy małą platformę satelitarną do obrazowania Ziemi, a może to być jeden z satelitów wchodzących w skład konstelacji służącej do obrazowania Ziemi. Taki system ładuje swoje baterie kilka razy na dobę i kilka razy na dobę je rozładowuje. I teraz tak, jeżeli on wykorzystuje czujniki obrazu, czy to są optyczne czujniki obrazu, czy to są radarowe czujniki obrazu, to jest nieistotne. I teraz mamy do przetworzenia dane i tych danych mamy określoną ilość i mamy określoną ilość energii, którą możemy wykorzystać na przetworzenie tych danych i przesłanie wyników na Ziemię. Jeżeli w trakcie przetwarzania nastąpi "single event effect", który zakłóci poprawną analizę, przetwarzanie tych danych, to wtedy system satelitarny znajdzie się w sytuacji, że ani nie obliczył danych, ani nie przetworzył danych, ani nie ma już wystarczającej energii w akumulatorach, żeby powtórzyć to przetwarzanie. Więc teraz z wykorzystaniem detektorów Sigma Labs, system obliczeniowy przed podjęciem obliczeń sprawdzi, czy środowisko radiacyjne naokoło satelity pozwala na to, żeby to robić i żeby to przetwarzanie rozpocząć. Jeżeli wskazania detektora będą odpowiednie, czyli poziom promieniowania będzie wystarczająco niski, wtedy satelita może te dane przetworzyć. A jeżeli wskazania będą mówiły, że na przykład ten poziom promieniowania jest zwiększony, wtedy menedżer satelity może podjąć decyzję, żeby zaczekać kilka, bądź kilkanaście minut i przetworzyć te dane w momencie, kiedy ryzyko wynikające z utraty danych wskutek promieniowania będzie niższe.

To jest rzeczywiście bardzo chytre, przyznaję uczciwie, że to jest pomysł, który może tak naprawdę pomóc aparaturze autonomicznie się zachowywać. Nikt nie będzie musiał tego kontrolować. Po prostu detektor sam zasugeruje, co w danej chwili można zrobić.

Tak, dokładnie tak. To jest jakby pomysł, któremu tak naprawdę ten eksperyment służy.

A czy to będą szczególne jakieś detektory? Na ile państwa eksperyment koncentruje się właśnie na tej automatyzacji, na tym automatycznym alarmowaniu systemu: teraz daj sobie spokój, albo teraz masz lepsze warunki, a na ile jeszcze dodatkowo te detektory będą się specjalizować, nie wiem, w detekcji szczególnego promieniowania? Czy one będą miały jakieś szersze możliwości, czy raczej teraz koncentrujecie się państwo na tym, żeby to, co zostanie odkryte było przekazane do sprzętu?

Nasze podejście jest następujące. Systemy elektroniczne, które pracują w przestrzeni kosmicznej, nie potrzebują informacji na temat rodzaju cząstek, jakimi są bombardowane. One potrzebują informacji na temat tego, czy to promieniowanie wpłynie na ich pracę, czy nie wpłynie. Detektor promieniowania, który my wykorzystujemy w swoich czujnikach jest to rozwinięcie technologii i technologii opracowanej w CERN w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ten detektor został zaprojektowany w taki sposób, że rozpoznaje cząstki o energii większej niż 20 MeV. To są cząstki, które co do zasady posiadają wystarczająco dużą energię, która w przypadku zdeponowania w strukturze półprzewodnikowej, jest w stanie zakłócić poprawną pracę układu scalonego. My koncentrujemy się tylko i wyłącznie na rozpoznawaniu zaburzeń pracy systemów przez cząstki, które mają wystarczającą energię, żeby pracę tego systemu zakłócić. Bo jeżeli to są cząstki mniej energetyczne, to nie ma potrzeby ich detekcji, bo one po prostu nie są w stanie wprowadzić żadnego zaburzenia do systemu.

Jak ten eksperyment będzie na orbicie wyglądał? To znaczy pytanie, ile nasz astronauta będzie musiał na wykonanie tego eksperymentu poświęcić czasu?

Więc po kolei. Eksperyment, który Sigma Labs umieszcza na ISS składa się z następujących elementów. Mamy detektor. Mamy uchwyt, za pomocą którego detektor zostanie przymocowany do europejskiego modułu Columbus oraz mamy dwa przewody, jeden do zasilania, drugi do przesyłania danych. Nasz polski astronauta po pomyślnym dokowaniu do ISS w pierwszej kolejności będzie musiał wyciągnąć całe urządzenie z torby i folii bąbelkowej, w której zostanie dostarczone na ISS. Pierwszym krokiem jest sprawdzenie, czy żaden z komponentów nie został uszkodzony w trakcie transportu. Następnie, zgodnie z procedurą, którą opracowaliśmy, ramię do zamocowania wewnątrz modułu Columbus jest skręcane razem z detektorem i cały detektor jest przykręcany do modułu Columbus w miejscu, w którym przypuszczamy, że będziemy w stanie zmierzyć najwyższy poziom promieniowania. Jest to tak zwana lokalizacja A4 w prawym dolnym rogu, zaraz przy stożku. Następnie do detektora podłączone są przewody i detektor jest włączany. Po kilku minutach, po starcie urządzenia instrument powinien być już widoczny w lokalnej sieci danych wewnątrz modułu Columbus oraz powinno być możliwe skomunikowanie się z instrumentem z Ziemi. Jednostką organizacyjną wybraną przez ESA, która będzie odpowiedzialna za obsługę urządzenia jest Microgravity User Support Center (MUSC) w Kolonii. Jeśli to część Niemieckiej Agencji Kosmicznej DLR i zespół z MUSC pracuje bardzo blisko z Sigma Labs i będzie to zespół, który będzie obsługiwał detektor i będzie go konfigurował oraz będzie pobierał z niego dane eksperymentalne.

Ktoś od państwa też tam będzie na miejscu?

Tak, zespół Sigma Labs będzie obecny podczas instalacji detektora wewnątrz modułu Columbus, aczkolwiek z tego co nam wiadomo, niestety nie będziemy w stanie bezpośrednio porozmawiać z naszym astronautą. Ale w razie jakichś problemów technicznych, których mam nadzieję nie będzie, będziemy mogli próbować zasugerować jakieś rozwiązania. I właśnie w planie instalacji detektora w module Columbus przewidziane jest, że cała instalacja razem ze sprawdzeniem, czy urządzenie działa poprawnie, nie powinna zająć dłużej niż godzinę.

I to jest właściwie wszystko, co polski astronauta będzie musiał w tej państwa misji wykonać, bo potem już aparatura będzie sobie działać i to będzie działać znacznie dłużej, niż będzie trwał lot misji Axiom 4.

Tak, to prawda. Na chwilę obecną czas przeprowadzenia eksperymentu to 6 miesięcy, aczkolwiek instrument został zaprojektowany w taki sposób, że jest w stu procentach autonomiczny i zaraz po włączeniu do zasilania automatycznie rozpoczyna akwizycję danych. Więc jest to urządzenie stuprocentowo bezobsługowe, jedyne czego potrzebuje to być podłączonym do źródła zasilania. Na chwilę obecną zespół Sigma Labs prowadzi rozmowy z ESA, żeby wydłużyć ten czas 6 miesięcy i doprowadzić do sytuacji, w której nasz instrument będzie mógł mierzyć promieniowanie wewnątrz modułu Columbus i dostarczać tych cennych danych eksperymentalnych tak długo, jak to tylko możliwe.

Czyli państwo nie potrzebujecie, żeby instrument wrócił w wasze ręce na Ziemię, a tak naprawdę wolelibyście, żeby został i pracował już cały czas?

Oczywiście, bardzo byśmy chcieli, żeby już po zakończeniu eksperymentu instrument do nas wrócił, ale niestety z naszych rozmów z Europejską Agencję Kosmiczną wynika, że transport rzeczy z ISS na Ziemię jest o wiele, wiele droższy.