körülmények a világűrben

Az előadások a következő témára: "körülmények a világűrben"— Előadás másolata:

1 körülmények a világűrben
Űrkutatás körülmények a világűrben

2 Speciális körülmények
Világűrben súlytalanság vákuum E,M tér, EM sugárzás, részecskesugárzás sugárzási, mágneses övezetek bolygók körül napszél, kozmikus sugárzás légkör hiánya (átlátszóság és fényviszonyok szempontjából) napsugárzás mennyisége (távoli küldetéseknél – napelem!) űrszemét

3 Speciális körülmények
Űrhajón, űrállomáson belül: súlytalanság sugárzás légkör összetétele, nyomása, keringése zaj kis méret ->bezártság,stressz szoros munkabeosztás ritkán jön ellátmány, alkatrész távol a Földtől

4 Speciális körülmények
Más égitesten: Légkör összetétele, nyomása, sugárzásvédelme szélrendszer csapadék összetétele (korrózió!), mennyisége hőmérséklet Felszín hőmérséklete összetétele, keménysége, egyenetlensége stb. Magnetoszféra megléte Felszíni gravitációs gyorsulás Naptávolság (napelem!) Földre való rálátás (komm.!)

5 Mekkora a hőmérséklet a világűrben?
Kérdés: Mekkora a hőmérséklet a világűrben?

6 Nagyon hideg?

7 Nagyon meleg?

8 Hőmérséklet Hőmérséklet:
az anyag részecskéinek átlagos mozgási energiájával arányos vákuum: nincs anyag -> nincs hőmérséklet ebben az értelemben valóságban mindig van valamennyi anyag – de olyan kicsi a sűrűsége, hogy mérnökileg nincs jelentősége a hőmérsékletének (kiv. abban az értelemben, hogy a nagy T nagy mozgási energiát jelent - részecskesugárzás) „At the Earth's distance from the sun, a space thermometer with roughly half its surface is absorbing sunlightwould register 45 degrees Fahrenheit.”

9 Hőmérséklet A vákuumban is van azonban EM sugárzás
Sokszor hhhez is hozzárendelnek egy hőmérsékletet A sugárzás hőmérséklete (ld.még színhőmérséklet) alatt azt a hőmérsékletet értjük, amellyel rendelkező feketetest (Planck-sugárzó) az adott teljesítményspektrumú sugárzást bocsátaná ki

10 Hőmérséklet Mikrohullámú háttérsugárzás „hőmérséklete” 2,7K
Napfelszín (fotoszféra) korrelált színhőmérséklete (világűrből nézve) kb. 5900K Nyilván nem melegszik fel ennyire egy test a napsugárzás hatására A melegedés függ ui. a teljesítménysűrűségtől is (W/m2), ami független a sugárzás hőmérsékletétől Mikrohullámú háttérsugárzás „hőmérséklete” 2,7K

11 Hőmérséklet Mi történik akkor egy világűrbe kitett tárggyal?
Hő átadásának módjai: hővezetés hőáramlás (konvekció) sugárzás (Planck-féle elektromágneses) Ezekből csak a sugárzás lehetséges odakint (ill. a többi a tárgyon belül lehet)

12 Hőmérséklet Hővezetés és konvekció jóval hatékonyabb, mint a hősugárzás, ezért a testek vákuumban jóval nehezebben hűlnek le!

13 Hőmérséklet Egyensúlyi hőmérséklet: amikor a test saját hőtermelése és a kívülről jövő (sugárzástól kapott) hőenergia egyenlő A hősugárzás teljesítménye arányos a hőmérséklet negyedik hatványával Állandó külső sugárzás mellett mindig lesz egyensúlyi hőmérséklet

14 Hőmérséklet Árnyékban idővel lehűlnek a testek
csak a háttérsugárzás melegíti, az pedig elég gyenge Pl. 13 napos éjszaka a Holdon: -153C -238C a sarki kráterekben, ahol mindig sötét van

15 http://www. space. com/images/i/000/023/047/original/lunar-temp. jpg

16 Hőmérséklet Ónpestis: hidegben átalakul a kristályszerkezet, törékeny lesz, rossz vezető, elporlad autokatalitikus reakció ólommentes ón miatt újra probléma

17 Hőmérséklet Napfényben nagyon felmelegedhetnek a testek
Holdon 13 napos nappal: +123C Saját hőtermelés is komoly probléma lehet emberi test elektronika, RTG

18 Hőmérséklet Hűtés elég nehézkes
nagy felületű hűtőborda kell, ami közel feketetest ha rásüt a nap a hűtőbordára, akkor persze nem jó 

19 Többrétegű szigetelés Multi-layer insulation

20 Vákuum

21

22 Also no one can see your laser shots

23 Apollo Command Module in vacuum chamber

24 Vákuum a világűrben p=1×10−4 ... 3×10−15 Pa
néhány atom per m3 körüli sűrűsége lehet (max néhány atom per cm3) a maradék néhány atom/molekula hőmérséklete nagyon nagy is lehet (persze ezt nem érezzük)

25 p-T diagram (fázisdiagram)

26 Vákuum a világűrben Alacsony T, alacsony p szublimáció, kipárolgás
saját anyaga, ill. benne lévő gázok, folyadékok lecsapódhatnak rossz helyen (pl. távcsőtükör, napelem stb.) -> alapos tisztítás és hőkezelés kell előfordult pl.: Stardust kamerája Cassini kamerája

27 Stardust CCD

28 Vákuum párolgás: folyasztószer (forrasztás)
bizonyos műanyagok (PVC), bizonyos fémek tömítőszerek, ragasztók, kenőanyagok levegőmaradvány, víz elektrolit kondenzátor???

29 Vákuum Rövid ideig túlélhető a vákuum Akár 90s?
öntudatod hamarabb elvesztheted Nem fagysz meg rögtön Nem robbansz fel Ne tartsd vissza a levegőt ? Animal experiments show that rapid and complete recovery is normal for exposures shorter than 90 seconds, while longer full-body exposures are fatal and resuscitation has never been successful.

30 Sugárzás Elektromágneses (foton) protonok, ionok, elektronok
széles spektrumtartományban protonok, ionok, elektronok neutrínó – nem roncsol neutron – 881s átlag élettartam forrása: Nap, csillagok, szupernóvák, csillagközi anyag, Föld mágneses övezetei

31 Sugárzás Van Allen övek km külső: e- belső: e- és p+

32

33 Van Allen övek külső: nagyenergiájú elektronok
– km felszín felett belső: nagyenergiájú protonok, elektronok 1000km – 6000km Naptevékenység függő

34 Sugárzás - félvezetők Meghibásodás sugárzás hatására:
tartós károsodás tirisztor-hatás stb. zavarkeltés, nem megfelelő vezérlőjel, ugrás a programban „radiation hardened” eszközök szigetelő szubsztrát nagyobb tiltott sávú szubsztrát bipoláris mágneses tárolás árnyékolás tartalékolás, szoftveres megoldások

35 Védelem Juno űrszonda (Jupiter): 1cm vastag titánium fal
Jupiter körüli pályáját úgy tervezték meg, hogy a sugárzási övezetek minimumában menjen többnyire

36 Sugárzás élettani hatásai

37 Mágneses tér Bizonyos égitesteknek erős mágneses tere van (Föld, Jupiter, Nap...) Mágneses térben gyorsan (sok km/s) mozgó test: indukció!

38 Bolygók felszíne Föld g=9,81m/s2 vII=11km/s
Tmin: -89C , Tátl: 15C, Tmax:57C P=1013mbar, 21%O2 , 78%N2; csapadék H2O mágneses tér elég erős ahhoz, hogy védelmet nyújtson a töltött részecskék ellen, továbbá navigációra is használható

39 Mars Mars R=3402km tforgás=24,6h (sol) , tkeringés=687nap g=3,69m/s2
vII=5km/s Tmin :-140C, Tátl :-63C, Tmax:+20C P=kb. 8mbar ; 95% CO2; víz szublimál! sarkokon jégsapka CO2,H2O; H2O jég a talaj alatt is? szél akár 400km/h (persze kisebb nyomáson), felszín vasoxid tartalmú – vörös! ; nagyon finom por (nehéz kizárni!), porviharok mágneses tér nagyon gyenge

40

41 Vénusz Vénusz R=6052km g=8,87m/s2
tforgás=243nap (retrográd), tkeringés=224nap vII=10,36km/s P=92bar, 96%CO2 - üvegházhatás! Tátl : 462C csapadék: kénsav mágneses tér nagyon gyenge

42 Fémtani problémák Metal whiskers pl. ón, ezüst rövidzárat okozhatnak

43 Fémtani problémák vákuumhegedés hőmérsékleti különbségek: dilatáció
kapcsolók, relék, mozgó alkatrészek hőmérsékleti különbségek: dilatáció ->tervezés, hőelosztás, forgatás

44 Rezgések Rakétahajtómű üzemelésekor (indítás, pályamódosítás)
Légkörben: indításkor, visszatéréskor, más égitestre leszálláskor Minden alkatrészt érint Forrasztást, csatlakozókat különösen wirewrap módszert használtak pl. Apollo számítógépben

45 Rázópad

46

47 Vákuum és nap szimulátor

48 Melyiket tennéd fel űrszondára?
Core i7 túlhúzva 4,7GHz vs (16MHz)

49 Processzorok Űralkalmazásba alapos hardver és szoftver tervezés és tesztelés kell Hardver gyorsabban fejlődik, mint ahogy előbbi műveletekkel végeznének (ld.Moore) Újabb, gyorsabb proci: több hő, nagyobb teljesítmény-felvétel Kisebb vezetősáv és tranzisztorméret, kisebb energia: sérülékenyebb, könnyebben zavarható (sugárzás) Nincs szükség nagyobb sebességre Akár évtizedekig is működnie kell! Astronauts' overall exposure was actually dominated by solar particles once outside Earth's magnetic field. The total radiation received by the astronauts varied from mission to mission but was measured to be between 0.16 and 1.14 rads (1.6 and 11.4 mGy), much less than the standard of 5 rem (50 mSv) per year set by the United States Atomic Energy Commission for people who work with radioactivity.[30]

50 Processzorok Mindig van tartalék
akár meghibásodás akár újraindulás (reset) esetére Gyakran előfordul, hogy több különböző típusú processzor/rendszer is van egy űreszközben Nem mehetsz fel kicserélni (többnyire) újraprogramozható legyen távolról Voyager, Huygens,...

51 Space Shuttle 1981

52 Space Shuttle 1981 5 db számítógép
4 egyforma szoftverrel, 5. különböző AP-101 (32b, 480kips), 104k x 32b The Shuttle's AP-101 contains one of the most extensive sets of self-testing hardware and software ever used in a flight computer. Its self-test hardware resides in the BITE, or built-in test equipment. When this is coupled with the self-test software, 95% of hardware failures can be detected by the machine itself 51, whereas the other 5% and potential software failures require the use of redundancy.

53 Ferritmagos memória (1949)
Nem illékony RAM ellenáll a sugárzásnak Space Shuttle (1981) „For example, the Space Shuttle flight computers initially used core memory, which preserved the contents of memory even through the Challenger's disintegration and subsequent plunge into the sea in „

54 Hubble Space Telescope (1990)
DF-224 (1980-as évek) 1,25MHz, 8b lecserélve 1999-ben: i80486 (1989) 32b 25MHz

55 Sojourner 1996 Intel 8085 (1977)

56 Mars Global Surveyor (1996-2006)
8086 (1978) 1750A (16b CPU specifikáció, 1980) de pl. ROSETTA is 1750A

57 ISS (1998-) Intel (1985) Lines of Computer Code: approximately 2.3 million

58 ISS laptopok 2013: Windows->Linux
ThinkPad is the only laptop certified for use on the International Space Station (ISS). ThinkPads have been used aboard the International Space Station since 1998. • ThinkPads have been on every NASA Shuttle space flight since 1995, when the ThinkPad 755 blasted off with the crew. • ThinkPad laptops are used by all the major world space agencies (e.g., JAXA, ESA) thanks to their partnership with NASA. • Some tests ThinkPads have to pass before they lift off: radiation testing, off-gas testing, thermal testing, fire & fire suppression. • Number of ThinkPads aboard the International Space Station: more than 60. • Number of NASA shuttle flights that have lifted off with ThinkPads aboard: more than 50.

59 New Horizons (2006-) Mongoose-V 12 MHz, 32b (MIPS R3000 – 1988)

60 Űr-környezetvédelem Mit kell védeni? Föld Föld körüli pálya
Egyéb égitestek

61 Űr-környezetvédelem Föld rakéták hajtóanyaga, szerkezete
radioizotópos generátorú (RTG) űreszközök: ha indítás rosszul sikerül, beszennyezheti a földet radioaktív elemekkel

62 Űr-környezetvédelem Föld körüli pálya „Űrszemét”
A nem működő műholdak, rakétafokozatok, ütközések és robbantások maradványai veszélyeztetik a működő műholdakat, űrhajókat, űrállomásokat Egyre több űrszemét van

63 Űr-környezetvédelem Égitestek
Általános etikai megfontolás: beszennyezhetjük-e az égitesteket? (Avagy hány kg szemét van a Holdon...) Biológiai szennyezés: azokon a bolygókon, holdakon, ahol az élet nyomai után kutatunk, nehogy azt találjuk, amit mi vittünk oda, ill. nehogy kiírtsunk egy idegen létformát Ezért az ilyen helyre küldött eszközöket alaposan sterilizálják (pl. Mars) Jupiterhez menő űrszondák az élettartamuk végén a Jupiterbe csapódnak, hogy ne szennyezzék be véletlenül az Europa holdat (Galileo, Juno)

64 Live long and prosper