Faggruppen for elektromagnetiske systemer på DTU Elektro udvikler og tester to nøglekomponenter til Biomass- satellitten.
”Det er et ekstremt udfordrende projekt for os på flere måder, og vi er stolte af, at ESA har valgt os til at løse opgaverne,” siger lederen af gruppen, professor Olav Breinbjerg. Gruppen er involveret i flere ESA-projekter og er ansvarlig for en antenne-facilitet, som har status af eksternt ESA-laboratorium, DTU-ESA Spherical Near-Field Antenna Test Facility.
Biomass får en reflektor-antenne på 12 gange 17 meter, hvilket er usædvanligt stort. Det er muligt med et princip kendt fra astronomien, som kaldes syntetisk apertur-radar. Resultatet bliver en høj opløselighed på 50 gange 50 meter ved jordoverfladen i satellittens data.
”Det er en helt uset høj nøjagtighed for denne type af undersøgelser. Typisk vil man ønske at vurdere udviklingen i mængden af biomasse over store arealer, men det er klart, at sikkerheden bliver meget stor, når opløseligheden i de grundlæggende data er så høj,” siger Olav Breinbjerg.
Særlige udfordringer i rummet
Biomass’ radar skal udsende og indfange elektromagnetisk stråling med en frekvens på 435 MHz – det såkaldte P-bånd, en frekvens, som først nu kan bruges inden for rumforskningen til radarundersøgelser af jorden fra satellit. Holdet på DTU Elektro har udviklet forstærker-teknologier, som er vigtige for missionen. Da radar-signalet tilbagelægger den store afstand mellem satellitten og jorden to gange og derved dæmpes meget kraftigt, er det nødvendigt med en kraftig forstærkning af signalet, umiddelbart før det sendes af sted.
Samtidig er det vigtigt at holde forstærkerens virkningsgrad høj. Det skyldes blandt andet, at man gerne vil holde strømforbruget lavt for at mindske behovet for solpaneler.
Et andet særligt problem i rumfart er risikoen for en type kortslutning, der kaldes multi-paction. Mellem to elektroder vandrer der frigjorte elektroner. Er spændingsforskellen mellem elektroderne stor, vil elektronerne blive accelereret, så de rammer den modtagende elektrode med stor fart, hvilket kan frigøre endnu flere elektroner, som igen bliver accelereret. Resultatet kan blive en lavine-effekt, der ender med at tillade en kortsluttende strøm at vandre mellem elektroderne, så radarsignalet bliver forstyrret, eller forstærkeren ligefrem ødelagt. Fænomenet kan kun forekomme i vakuum, så det kendes ikke fra den daglige elektronik på jorden.
Endelig skal komponenterne også kunne holde til ioniserende stråling, som forekommer i rummet.
Bruger ikke mere strøm end en brødrister
Det er imidlertid lykkedes forskerholdet på DTU Elektro at udvikle forstærker-teknologier, der kan tåle de barske forhold i rummet, og som kan give det ønskede signal med et effektforbrug på kun op til 200 Watt – lidt mere end en almindelig brødrister – og med en virkningsgrad på mindst 65 procent. Forstærkerne er baseret på kendte såvel som nyudviklede transistortyper, hvor den mest velegnede er en ny type fremstillet i galliumnitrid.
De udviklede teknologier har gennemgået omfattende test på ESA-laboratorier i Finland og Spanien.
Ud over udviklingen af forstærkeren har DTU Elektro bidraget med udvikling af en antenne-måleteknik, der skal sikre, at selve reflektor-antennen vil fungere korrekt i rummet. Her har holdet samarbejdet med den fransk-italienske rumfartsvirksomhed Thales Alenia Space, som har fremstillet antennen.
Antennen kan ikke testes på jorden
 |
| Professor Olav Breinbjerg står i spidsen for DTU's faggruppe for elektromagnetiske systemer, som har udviklet og testet komponenter til ESA-satelitten. Fotograf: Thorkild Amdi Christensen |
Man skulle måske tro, at det bare ville handle om at stille antennen op i et radiodødt rum og måle, hvordan den sender og modtager signaler af den ønskede type. Så let er det langtfra. For det første er reflektoren for stor til at kunne håndteres i noget radiodødt rum i verden. For det andet betyder dimensionerne, at antennen ikke kan sendes op i udfoldet tilstand.
”Reflektoren er alene bygget til at skulle folde sig ud i rummet, hvor der er vakuum og vægtløshed. Hvis man forsøger at udfolde antennen på jorden, vil den blive trukket skæv af jordens tyngdefelt. Strukturen ville blive forskellig fra den struktur, antennen får i rummet, så målingerne ville være uden værdi,” forklarer Olav Breinbjerg.
Løsningen har været alene at teste den del af antennen, som sender og modtager radar-signalet, der reflekteres fra den store reflektor – men altså uden selve reflektoren. Dog var det nødvendigt at inkludere en fuldskala-model af selve Biomass-satellitten. Disse målinger er udført med ekstremt stor nøjagtighed i DTU-ESA Spherical Near- Field Antenna Test Facility. De målte data er derefter hentet ind i computerprogrammer, som har udført omfattende simuleringer, der viser, hvordan den totale antenne vil håndtere signalerne i rummet. I den sammenhæng har DTU-forskerne arbejdet tæt sammen med den danske rumfartsvirksomhed Ticra, der blandt andet udvikler software til karakterisering af antenner.
Rustet til fremtidige rumprojekter
En yderligere udfordring er, at det signal, som antennen kommer til at modtage til sin tid, vil have rejst ca. 1.280 kilometer – svarende til to gange afstanden mellem satellitten og jorden. Så god plads har man naturligvis ikke i et radiodødt rum. Man kan højst lade signalet rejse et par meter og må så finde en måde at beregne de forandringer, som svarer til den rejse, signalerne til sin tid kommer ud på. At udvikle denne regneregel – algoritme – er heller ikke en triviel opgave.
”Vi har faktisk været nødt til at konstruere en ny algoritme specielt til denne måling af Biomass. Det har været et helt separat projekt i sig selv,” siger Olav Breinbjerg.
Biomass-missionen indgår i ESA’s program for observation af jorden. Oprindeligt kom der 24 forslag til missioner i denne udbudsrunde, men efterhånden er de fleste siet fra, så der kun er Biomass og to andre tilbage. Olav Breinbjerg håber naturligvis, at det netop er missionen med den stærke danske deltagelse, der næste år bliver valgt ud som den, der skal realiseres:
”Men selv hvis ESA vælger at satse på en af de to andre missioner, vil vi have fået meget ud af vores medvirken. Vi har vist os i stand til at løse de meget krævende udfordringer, som ESA og de øvrige partnere har stillet os over for. Desuden har vi fået erfaring med forstærkerteknologi og antennemålinger i P-båndet (den tidligere nævnte frekvens på 435 MHz, red.), som er et nyt frekvensområde i rumsammenhæng, men som vi er overbeviste om, der vil komme mange fremtidige satellit-missioner inden for.”
Faggruppen for elektromagnestiske systemer på DTU Elektro har arbejdet med de forstærkerteknologier, der skal bruges til Biomass-missionen, siden 2008 på en kontrakt med den europæiske rumfartsorganisation ESA. Efter en udbudsrunde i sommeren 2010 valgte ESA desuden at indgå kontrakt med DTU Elektro om en forundersøgelse, som skal bestemme Biomass-satellittens antenneegenskaber med meget stor nøjagtighed på forhånd. Undersøgelsen gennemføres i samarbejde med fransk-italienske Thales Alenia Space, danske Ticra samt hollandske Defence Material Organisation (DMO).
”DTU var på forhånd kendt af ESA som en stærk kandidat til at gennemføre den ønskede forundersøgelse. DTU har udviklet og drevet en Spherical Near-Field Antenna Test Facility i årtier. Det er i dag ESA’s referencefacilitet for antennemåling og dermed et af de steder inden for Europas grænser, hvor den største ekspertise vedrørende måling af antenneegenskaber findes,” siger antenneingeniør Allan Østergaard, som er technical officer i ESA for forundersøgelsen af Biomass-antennen.
”Projektet er krævende, fordi den lave frekvens og dermed den lange bølgelængde betyder, at refleksionerne fra loft, vægge og gulv i radiodøde rum ikke dæmpes så godt som ved højere frekvenser. Skulle antennen måles på jorden i fuld størrelse, ville det kræve et meget stort radiodødt rum samt fordyrende mekaniske krav til antennen og eventuelt også særlige understøttende strukturer, der kunne kompensere for deformationer af antennen forårsaget af jordens tyngdekraft,” uddyber Allan Østergaard.
”Sagt på en anden måde må man enten bygge et meget stort radiodødt rum, eller også må man finde på noget smart. Forskerholdet på DTU fandt en måde at måle udelukkende selve fødeantennen og kombinere disse målinger med elektromagnetiske modeller for hele den store reflektor-antenne. Holdet har også fundet svaghederne i denne kombinerede fremgangsmåde og vist, at de kan imødegås ved de rigtige specifikationer for antennen.”
Resultatet er blevet en alternativ målemetode, som er attraktiv for Biomass- missionen, sammenfatter ESAingeniøren:
”En måling af hele den store reflektor-antenne i et radiodødt rum ville ikke have været en konkurrencedygtig løsning på grund af de forøgede omkostninger. Alt andet lige bidrager DTU Elektros løsning til at øge sandsynligheden for, at Biomass kan blive udvalgt som næste Earth Explorer-mission. Desuden har DTU været nemme at samarbejde med. De har styr på tingene, afleverer til tiden og er lydhøre over for ESA’s ønsker. Alt i alt har samarbejdet vist sig frugtbart.”