לוויין זעיר

לוויין זעיר הוא לוויין מעשה ידי אדם שמשקלו קטן מ-50 קילוגרם. לוויינים זעירים המקוטלגים על פי גודלם. בשל משקלם הנמוך יחסית, נלווים הלוויינים הזעירים למשגר שמיועד ללוויין גדול, הנקרא גם "נוסע ראשי" או "מטען ראשי" והוא הקובע את נתוני השיגור. הלוויינים משוגרים מתוך תיבת אחסון עם קפיץ כך שעם הגעת המשגר ליעדו, נשלחת פקודה שפותחת את דלת התיבה, והקפיץ דוחף את הלוויינים החוצה, בזה אחר זה. לוויינים זעירים יכולים להיות משוגרים בנפרד, או כחלק מלהק של לוויינים המתקשרים ביניהם ונשלטים על ידי לוויין ראשי, המכונה "לוויין האם".

רקע
הגופים הצבאיים העוסקים בתחום החלל שקלו כמה דרכים להוזלת ההוצאות במחקר החלל. אחד הפתרונות היה ייצור ופיתוח של לוויינים קטנים. הצבא האמריקאי, העוסק בתחום של פיתוח טילים וחלל, החליט על תוכנית שנקראת "יותר קטן יותר טוב", שמכאן הלך והתפתח הרעיון של לוויינים קטנים במיוחד. השיקול לעבור לפיתוח של לוויינים זעירים נבע מכמה סיבות:
עלות גבוהה – לוויינים גדולים זקוקים למשגרים גדולים, שתהליך בנייתם מצריך עלות גבוהה. לעומת זאת, בנייה של לוויינים קטנים וקלים עלותם זולה משמעותית יחסית לגדולים. את השיגור של הלוויין ניתן לבצע בנוסף לשיגור של לוויין קיים. יש אפשרות לשגר מספר לוויינים בו-זמנית.
דרישות תקן מחמירות – ככל שהלוויינים והמשגרים גדולים יותר, כך נדרש להחמיר בתקני הבטיחות. תהליכים אלו יקרים ולוקח הרבה זמן לממש אותם.
סוגי המשימות – עבודה עם לוויינים קטנים תאפשר ביצוע משימות שונות.

משימות

מחקרים מדעיים
לוויינים זעירים משמשים כמעבדות מעופפות להוכחת טכנולוגיות ובדיקת רכיבים חדשים עבור לוויינים. השילוב של קרינה חזקה, הפרשי טמפרטורה קיצוניים וריק כמעט מוחלט, מקשה על רכיבים אלקטרוניים לעבוד היטב בחלל. כך 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 הן 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
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 על כדור הארץ
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 שרפה ואפילו חקלאות חכמה. דוגמאות ללוויינים:
לוויין QuakeSat האמריקאי תוכנן למדוד שינויים קלים בשדה המגנטי של כדור הארץ כדי לעזור למדענים לחזות רעידות אדמה.
לוויין SwissCube השווייצרי נועד למדוד את התופעה האטמוספירית זוהר לילי  המתרחשת בשכבת המגע של האטמוספירה עם קרינת השמש.
לוויין Plume הבריטי שוגר למדידת האבק הקוסמי המקיף את כדור הארץ ונכלא בשדה הכבידה שלו.
לוויין Firefly של נאס"א נועד למדוד פליטת קרני גאמא המגיעות לכדור הארץ במטרה לזהות את מקור הקרינה.
לווייני Dove של חברת Planet Labs מיועדים מספקים צילום ברזולוציה של 3-5 מטר באיכות המתאימה לשימושים אזרחיים.

מחקר ביולוגי
בודק את השפעות סביבת החלל על חומרים אורגניים ויצורים חיים. אחד מהלוויינים ששוגרו לחלל לטובת נושא זה שוגר על ידי נאס"א. לוויין GeneSat (לוויין בראשית) נועד לבדוק את קצב גידול חיידקי אי-קולי (E.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 PharmaSat, (פיתוח של נאס"א) נועד לבחון יעילות של תרופות אנטיביוטיות בחיסול חיידקים בחלל.

אתגרים טכניים
האתגרים הטכניים שאיתם מתמודדים מהנדסי הפיתוח הם מזעור רכיבי הלוויין תוך כדי שמירת האמינות והאיכות הגבוהה של הרכיבים. ככל שהרכיבים גדולים יותר, רמת האמינות גבוהה יותר, ולכן קל מאוד לאשר אותם. ככל שמנסים למזער נדרשים כלים, שעלות שעות הפיתוח שלהם גדולה ביחס לעלות הפיתוח של הלוויין עצמו.
ההשלכות והאתגרים הטכנולוגיים הנדרשים בתכנון לוויינים זעירים:
 חומרה של מעבדים - אחד האתגרים הטכנולוגיים שהתמודדו איתו 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 מאוד לפתח מעבדים קטנים שיכולים לתת ביצועים גבוהים ביעילות ואמינות טובים.
 גודל הזיכרון - בשנים האלו היה קושי לייצר רכיבי זיכרון קטנים מאוד בעלי נפח שמירה גדול.
 ניווט ובקרה (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 הכול כמו כן גם נדרש לספק הספק גבוה, וכאן לטכנולוגיה יש עדיין מגבלה.
 ספקי כוח - סוללות אמינות ביותר דורשות מקום גדול יותר בגלל הנפח שלהן. האתגר הוא למזער את הסוללות ולגרום לכך שיהיו 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 מאוד, כך שפיזור החום הופך להיות גורם משמעותי.
 חיווט חשמלי – ככל שהלוויין קטן יותר, נדרש חיווט עדין ומיוחד. האתגר הוא לחווט את הרכיבים באזור 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).

תכנונים עתידיים
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 ובדיקת טכנולוגיות הנע ותקשורת מתקדמות.
 תחזיות, המבוססות על תוכניות ממשלתיות עתידיות מצביעות על דרישה עתידית של בין 2,000 ל-2,750 שיגורים של מיקרו / ננו לוויינים בין השנים 2014 עד 2020.
החל מ-2010, נושא שיגור הלוויינים הזעירים החל לתפוס תאוצה. בין השנים 2004 - 2014 שוגרו לחלל 75 לוויינים זעירים.
כמות השיגורים עלתה בצורה משמעותית בסוף שנת 2013, כך שמנובמבר 2013 עד ינואר 2014 שוגרו כ-94 לוויינים מקבוצת ננו-לוויינים.
חברות כמו Planet Labs מתכננות מערך לוויינים גדול, מעלות את כמות השיגורים. נכון ליולי 2015, החברה שיגרה כ-87 לוויינים ממערך לווייני Dove.

בישראל

דוכיפת
 דוכיפת 1
הוא ננו-לוויין פרי מחקר ופיתוח של תלמידי תיכון הנדסאים הרצליה במרכז המדעים הרצליה, כחלק מפרויקט חדשני של סוכנות החלל הישראלית במשרד המדע ועיריית הרצליה. הננו-לוויין שוגר לחלל בחודש יולי 2014 על משגר רוסי יחד עם עוד 37 לוויינים ממדינות אחרות בהם גם לוויין סעודי. תפקיד הלוויין, שגודלו 10 סמ"ר ומשקלו 853 גרם בלבד, הוא להוות פלטפורמה חינוכית לתלמידים ומטרתו המשנית היא לסייע למטיילים שהולכים לאיבוד במקום שאין בו קליטה סלולרית. המטייל שאבד יוכל לשלוח אותות מצוקה ממכשיר קשר אל הלוויין הזעיר, שישדר את המיקום למרכז הבקרה כדי שהמרכז הבקרה ישלח כוח חילוץ. הלווין פעיל ומתקשר כל יום עם תחנת הקרקע של מרכז המדעים בהרצליה. נכון לחודש מאי 2016 הלוויין ממשיך לתפקד.
 דוכיפת 2, הלוויין הבא של מרכז המדעים, שמטרתו היא מחקר האטמוספירה כחלק מפרויקט QB50 של סוכנות החלל האירופאית. שוגר במאי 2017.
 דוכיפת 3, הלוויין נבנה בתיכון שער הנגב בשיתוף ובהנחיית מרכז המדעים בהרצליה ובשיתוף אולפנת עפרה. שוגר ב-11 בדצמבר 2019.

Inklajn-1
Inklajn-1 הוא שיתוף פעולה בין התעשייה האווירית לבין העמותה ללוויינות זעירה בישראל. הלוויין הזעיר שתוכנן היה Inklajn-1 אשר נבנה על ידי מתנדבי העמותה ללוויינות זעירה, ונמצא בחדר השילובים של התעשייה האווירית לישראל. הלוויין קרוי על שמו של חלוץ החלל הישראלי ד"ר מרסל קליין. גודלו של הלוויין 10X10X32 ס"מ והוא מתוכנן לנוע במסלול מסונכרן-שמש בגובה של כ-650 ק"מ ולהקיף את כדור הארץ בכל 90 דקות. הלוויין ישרת את קהילת חובבי הרדיו ויכיל מספר ניסויים מדעיים. נכון ל-2021, לא ידוע מועד השיגור.

פרויקט SAMSON
פרויקט SAMSON של מכון אשר לחקר החלל בטכניון שהחל בשנת 2012 מפותחים שלושה ננו לוויינים, אלפא בתא וגאמא, שמשקל כל אחד מהם כ-10 ק"ג. משימות הלוויינים הם: הוכחת יכולת לטיסת מבנה, חילוץ והצלה של שייטים.

ראו גם 
 לוויין מפוצל
קיובסאט
אומיד
 טכסאט
 העמותה ללוויינות זעירה בישראל
 לוויינים ישראלים

קישורים חיצוניים

 
 שיגורי ננו־לוויינים - סקירת מגמות בעולם, מערכות, יולי 2020

הערות שוליים

לוויינים
ננוטכנולוגיה
אלקטרוניקה