GRBAlpha

GRBAlpha je umelá družica Zeme, súčasť česko-japonsko-maďarsko-slovenského vedeckého projektu s cieľom technologickej demonštrácie detegovania zábleskov gama žiarenia (skratka GRB z ) pomocou štandardizovaných nanosatelitov. Projektovým koordinátorom misie a prevádzkovateľom družice je Technická univerzita v Košiciach (TUKE) a projekt nadväzuje na misiu prvého slovenského satelitu skCUBE.

Na heliosynchrónnu polárnu nízku obežnú dráhu vo výške približne 550 km bola družica spolu s 37 ďalšími satelitmi vynesená 22.marca 2021 ruskou nosnou raketou Sojuz-2.1a (so 4. stupňom Fregat) z kozmodrómu Bajkonur v Kazachstane. Ide o malú družicu, tzv. nanosatelit typu CubeSat s hmotnosťou 1 195 g a štandardizovanými rozmermi 100 × 100 × 113,5 mm (základný modul 1U). TUKE projekt ako akademická inštitúcia prihlásila do medzinárodnej súťaže vyhlásenej spoločnosťou GK Launch Services, kde projekt uspel a získal tak 75 % zľavu, po uplatnení ktorej stálo vynesenie družice 15-tisíc dolárov (12 300 eur).

Druhý redundantný prototyp gama detektora je umiestnený ako sekundárny experiment na českom 3U cubesate VZLUSAT-2, ktorého vynesenie na obežnú dráhu je po odkladoch a zmene poskytovateľa plánované na december 2021.

Začiatkom roku 2022 bolo avizované, že Slovensko získalo možnosť bezplatne umiestniť cubesat na inauguračnom lete novej európskej nosnej rakety Ariane 6. Ako úspešný slovenský realizátor bol Ministerstvom školstva SR oslovený tím, stojaci za družicou GRBAlpha, ktorý tak pripravuje jej nasledovníka, 2U cubesat GRBBeta. Štart rakety je momentálne (september 2023) plánovaný na rok 2024.

Poznatky z misií GRBAlpha a VZLUSAT-2 majú byť využité pre ďalšie plány autorov projektu, ktorých dlhodobým cieľom je vypustenie väčšej flotily nanosatelitov s názvom CAMELOT (, doslovne „cubesaty aplikované na meranie a lokalizáciu prechodných javov“). Celkovo by malo ísť o deväť družíc rozdelených po trojiciach v troch rôznych obežných rovinách. Autormi myšlienky detekcie gama zábleskov prostredníctvom flotily cubesatov sú slovenský astrofyzik Norbert Werner (v tom čase Stanfordova univerzita, neskôr Univerzita Loránda Eötvösa v Budapešti, v súčasnosti Masarykova univerzita v Brne) a maďarský astrofyzik András Pál (Konkolyho observatórium v Budapešti). V prípade úspechu by CAMELOT mohol predstavovať vhodný doplnok k rozmerným a nákladným gama kozmickým observatóriám ako Compton GRO, Swift alebo Fermi, umožňujúci pri rádovo nižších nákladoch presnejšiu priestorovú lokalizáciu zdrojov zaznamenaných gama zábleskov.

Prístroje a experimenty

Detektor gama zábleskov 
Hlavným vedeckým experimentom je scintilátor – detektor gama zábleskov, obsahujúci plochý cézium jodidový kryštál s rozmermi 75 × 75 × 5 mm, emitujúci pri zásahu fotónom gama fotóny viditeľného svetla. Tie sú následne detegované kremíkovými fotonásobičmi. Detektor obalený tmavým polyvinylfluoridovým filmom (tedlar) je uložený v schránke z 1 mm hliníkového plechu a umiestnený zvonka na jednej zo strán telesa družice.

Signál z fotonásobičov je vedený na analógový zosilňovač a tvarovač, následne je vzorkovaný A/D prevodníkom, ktorého výstup je spracúvaný programovateľným hradlovým poľom (FPGA) z rodiny iCE40HX, riešiacim detekciu nábežných hrán kandidátskych priebehov a dopĺňanie časových značiek so submilisekundovou presnosťou z časovej základne, synchronizovanej podľa palubného GPS prijímača. Detegované priebehy (svetelné krivky potenciálnych gama zábleskov) sú následne spracúvané a ukladané 32b mikrokontrolérom ARM Cortex-M0 z rodiny STM32F0xx. Celá uvedená signálová cesta vrátane vstupných fotonásobičov je pre redundanciu (a zároveň zvýšenie celkovej citlivosti v prípade funkčnosti oboch kanálov) zdvojená.

Porovnanie svetelných kriviek eventuálne zaznamenaných detektorom s krivkami tých istých zábleskov zaznamenaných inými existujúcimi gama observatóriami umožní overiť základnú myšlienku systému CAMELOT, tzn. uskutočniteľnosť lokalizácie zdrojov zábleskov na základe precízneho GPS časovania (jednotlivé satelity z flotily zaznamenajú záblesk s časovými posunmi závislými od ich momentálneho rozmiestnenia v priestore, z čoho je následne výpočtovo odvoditeľný smer z ktorého záblesk prichádzal), odhad presnosti a spektrálnej citlivosti detektora, ako aj jeho degradáciu v čase.

Rádioamatérsky digitálny opakovač 
Palubný digitálny opakovač (digipeater) umožňuje spojenie dvoch rádioamatérskych operátorov prostredníctvom satelitu. Odosiela tiež základné telemetrické údaje prostredníctvom Morseovho kódu pre jednoduchý priamy posluch. Implementovaný je vo firmvéri palubnej rádiostanice Cormorant NX-TRX4.

 frekvencia: 
 UHF downlink: 437,025 MHz (± dopplerovský posun)
 VHF uplink: 145,905 MHz
 volacia značka: OM9GRB
 modulácia: GMSK
 výkon vysielača: 30 dBm (1 W)
 prenosová rýchlosť: 9 600 bps
 komunikačný protokol: AX.25 (packet radio)
 perióda odosielania paketov: 30 s

Priebeh misie 
Štart nosiča Sojuz-2.1a sa uskutočnil 22. marca 2021 o 06:07:12 UTC (07:07 SEČ). K vypusteniu družice malo dôjsť o 11:27 SEČ, o 12:02 mal začať vysielať maják. Úspešné vypustenie a aktivita družice na obežnej dráhe boli predbežne potvrdené v okne medzi 12:34 až 12:45 SEČ, kedy signál majáka satelitu na frekvencii 437,025 MHz zachytila rádiostanica VK4JBE v Austrálii. 23. marca po 16 obehoch družice pribudli podľa Jakuba Kapuša zo spoločnosti Spacemanic v sieti SatNOGS ďalšie úspešné pozorovania, bola overená aj full duplex komunikácia a stiahnutá telemetria zo všetkých subsystémov družice. Rotácia družice bola v tom čase odhadnutá na približne 15 °/s, stabilizácia orientácie je na rozdiel od skCUBE pasívna, permanentnými magnetmi a magnetickými materiálmi. Satelit bol predbežne identifikovaný najprv ako teleso s COSPAR ID 2021-022G (NORAD ID 47938), neskôr 2021-022K (47941) a finálne 2021-022AD (47959).

V máji 2021 astrofyzik Norbert Werner v rozhovore uviedol, že majú merania pozadia, ktoré na polárnej obežnej dráhe spôsobujú nabité častice a sú schopní detegovať gama záblesk pozdĺž veľkej časti obežnej dráhy, kde je pozadie dostatočne nízke. Technický koncept preto pokladá za správny a použiteľný v praxi. V prípade, že družica bude aj naďalej fungovať tak, ako doteraz, je podľa neho detekcia gama záblesku len otázkou času.

10. augusta 2021 zaslal astrofyzik Masanori Ohno z Hirošimskej univerzity do siete Gamma-ray Burst Coordinates Network obežník, avizujúci úspešnú detekciu záblesku GRB 210807A satelitom GRBAlpha. Šlo o dlhý gama záblesk trvajúci vyše 150 sekúnd, zaznamenaný nezávisle viacerými gama observatóriami, z ktorého GRBAlpha zaznamenala 80 sekundový záver od 7. augusta 2021 10:05:14 UTC, pozostávajúci z troch vrcholov. Šlo o historicky prvý prípad úspešnej detekcie gama záblesku 1U cubesatom.

Tím následne postupne publikoval úspešné detekcie niekoľkých desiatok ďalších zábleskov.

V roku 2023 publikoval prácu medzinárodného tímu družice, popisujúcu detekciu výnimočne jasného a dlhotrvajúceho gama záblesku GRB 221009A, astronomický časopis Astronomy and Astrophysics. Na rozdiel od viacerých iných GRB observatórií, zachytil GRBAlpha tento záblesk bez zahltenia detektora.

Partneri projektu 
 Letecká fakulta Technickej univerzity v Košiciach (LF TUKE) – registrácia, vypustenie a prevádzka satelitu, magnetometria.
 Konkolyho observatórium v Budapešti – vedecký náklad misie. Vedenie vývoja a výroby detektora gama zábleskov, vrátane elektroniky a softvéru, hlavný objednávateľ družice.
 Ústav teoretickej fyziky a astrofyziky Masarykovej univerzity v Brne – vedecká koordinácia projektu, podieľa sa na spracovaní a interpretácii meraní družice.
 Univerzita Loránda Eötvösa v Budapešti – štúdia uskutočniteľnosti projektu CAMELOT, simulácie a vývoj analógovej elektroniky, vývoj časti vedeckého softvéru.
 Hirošimská univerzita – významný príspevok k vývoju detektora, hlavne k testovaniu konceptu vyčítavania tenkých scintilátorov s veľkou plochou.
 Nagojská univerzita – návrh konceptu mechanickej štruktúry detektora.
 Spacemanic, s.r.o. – subsystémy, technická podpora, software, integrácia, environmentálne testy.
 Výzkumný a zkušební letecký ústav (VZLÚ) – PSD detektor, software, technická podpora.
 Needronix, s.r.o. – transceivery, sun sensory, integrácia.
 Experimental satellites laboratory, Vysoké učení technické v Brne – pozemný segment.

Poznámky

Referencie

Iné projekty

Externé odkazy 

 GRBAlpha na webe rádioklubu OM3KSI Leteckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach
 GRBAlpha na webe Konkolyho observatória v Budapešti
 GRBAlpha v Nanosats Database
 Elementy dráhy GRBAlpha  vo formáte TLE na webe CelesTrak
 Informácie pre rádioamatérov na webe rádioklubu OM3KSI
 Pozorovania GRBAlpha v sieti SatNOGS 
 On-line tracking pomocou satview.org
 GRBAlpha: A 1U CubeSat mission for validating timing-based gamma-ray burst localization – článok autorského tímu s popisom konštrukcie družice
 CAMELOT : Cubesats Applied for MEasuring and Localising Transients – slajdy sumarizujúce koncept a komponenty prototypových družíc

Slovenské umelé družice
Umelé družice Zeme
Vedecké družice
Gama teleskopy
CubeSat
Prebiehajúce misie
Kozmonautika v 2021
Letecká fakulta Technickej univerzity v Košiciach