Wielka Piramida w Gizie, zbudowana na cześć faraona Cheopsa, jest najstarszym spośród siedmiu cudów starożytnego świata. Jednak w Bern, w Szwajcarii, imię Cheopsa jest obecnie kojarzone ze znacznie nowocześniejszym cudem. Projekt CHEOPS (skrót od CHaracterising ExOPlanet Satellite - satelita badająca planety pozasłoneczne) jest prowadzony przez Center for Space and Habitability (centrum ds. zaludniania kosmosu) na uniwersytecie w Bern we współpracy z European Space Agency (Europejską Agencją Kosmiczną). W ciągu kilku lat to urodzone na satelicie obserwatorium fotometryczne zapewni wartościową pomoc w szukaniu planet, na których możliwe jest życie. Możliwość zastosowania danego systemu w kosmosie jest oceniana za pomocą automatycznego badania przeprowadzanego przy użyciu zaawansowanej technologii B&R.
Wspomnienie zaćmienia słońca widzianego w Szwajcarii w marcu 2015 roku jest nadal świeże w umysłach ludzi. Zaćmienie słońca pojawia się zawsze, gdy księżyc przechodzi pomiędzy Ziemią i słońcem. W czasie zaćmienia całkowitego księżyc zakrywa ok. 70% powierzchni słońca. To samo dzieje się, gdy jakaś planeta przechodzi przed gwiazdą, jak to jest widziane z Ziemi. W tym przypadku jednak, znacznie mniej niż 1% gwiazdy jest zakryty, co powoduje jedynie niewielki spadek intensywności jej świecenia. Teleskop CHEOPS jest zaprojektowany, aby mierzyć te odchylenia i wykorzystywać je do obliczania średnicy przechodzącej planety.
Zanim jakakolwiek satelita zostanie uruchomiona, musi zostać najpierw dokładnie przebadana w warunkach podobnych do kosmicznych. W tym celu, ściśle współpracując z B&R, centrum CSH w Bern skonstruowało w pełni zautomatyzowaną badawczą komorę termiczno-próżniową.
Projekt CHEOPS
W CSH zespół 20 pracowników ciężko pracuje nad zaprojektowaniem, skonstruowaniem i przetestowaniem teleskopu CHEOPS, pod przewodnictwem prof. Willy'ego Benza i głównego managera projektu dra Christophera Broega. CHEOPS jest pierwszym projektem satelitarnym, za który całą odpowiedzialność biorą Szwajcarzy. Liczne uniwersytety i agencje kosmiczne są zaangażowane w poszczególne zdolności produkcyjne. Na przykład za podsystemy elektryczne odpowiedzialne są Niemieckie Towarzystwo Aeuronautyki i Atronautyki (DGLR) oraz Instytut Badań Kosmicznych (IWF) w Graz, w Austrii.
Celem tego teleskopu jest badanie znanych planet, które krążą wokół gwiazd znajdujących się daleko poza układem słonecznym. Nazywane egzoplanetami (planetami pozasłonecznymi), są one wcześniej identyfikowane przez obserwacje z ziemi, z zastosowaniem techniki zwanej spektroskopią Dopplera. Dodatkowe dane dotyczące ich rozmiaru, generowane przez teleskop CHEOPS, pozwolą badaczom wydedukować ich gęstość oraz prawdopodobną budowę gazową, skalną czy lodową. Żywimy nadzieję, że w ten sposób zidentyfikujemy, na których planetach życie jest najbardziej prawdopodobne. W przyszłości, dzięki tym teleskopom, być może możliwe będzie przeszukiwanie wybranych kandydatów już konkretniej pod kątem określonych znaków życia. Oczekuje się, że satelita CHEOPS zostanie wystrzelona w roku 2017.
Komora termiczno-próżniowa
Zanim satelita zostanie wysłana na orbitę, trzeba udowodnić, że nadaje się ona do tego zadania. Będzie przecież narażona na dość ekstremalne warunki. Sam teleskop i satelita, która go przenosi będą musiały wytrzymać próżnię rzędu 10-7 milibarów oraz temperatury wahające się od -80 °C do +165 °C. Aby zasymulować takie warunki, uniwersytet w Bern opracował komorę termiczno-próżniową. Mierząca 2 na 4 metry komora może pomieścić całą platformę satelity i teleskop.
Różne komponenty komory próżniowej: pompy próżniowe wstępne, pompy turbinowe, osłony termiczne, termostaty Huber, symulatory słoneczne i grzejniki na ciekły azot muszą być często ponownie konfigurowane z nowymi ustawieniami przez cały czas trwania badań. Jest również bardzo ważne, aby chronić badany sprzęt. Sam aktualnie badany model strukturalny satelity jest wart więcej niż pół miliona dolarów.
Wymagania
Komora termiczno-próżniowa jest umieszczona w czystym pomieszczeniu, aby chronić wrażliwe elementy optyczne. Ponieważ nie ma możliwości wejścia do czystego pomieszczenia bez zabrudzenia jego mocno oczyszczonego powietrza, komora testowa musi być, na ile to tylko możliwe, zautomatyzowana, aby minimalizować potrzebę ingerencji człowieka.
Jeśli chodzi o wybór komponentów automatyki, skupiono się przede wszystkim na niezawodności, bezpieczeństwie, czystości i elastyczności. Trzeba by również połączyć nadzór wyższego rzędu, sterowanie i pozyskiwanie danych (system SCADA), a także pozostawić otwarte interfejsy dla przyszłej rozbudowy urządzenia. Dla ustanowienia skutecznej współpracy ważnym również było, aby dostawca zapewnił doskonałe wsparcie oraz był zainteresowany stroną merytoryczną i naukową. Po ocenieniu różnych dostawców, wybór padł na B&R.
Laboratorium badawcze
Kiedy komora termiczno-próżniowa jest włączona, jej pierwszym zadaniem jest generowanie próżni. Dzieje się to przez otwieranie odpowiednich zaworów i aktywowanie pompy wstępnej, która wytwarza wstępną próżnię o wartości 10-2 milibarów. Następnie 2 pompy turbinowe jeszcze doskonalą tę próżnię. Po ustaleniu wystarczającej próżni, generowane są potrzebne temperatury przy pomocy osłon termicznych i symulatorów solarnych.
Około 150 czujników temperatury dostarcza informacje o rozkładzie temperatur wewnątrz komory oraz na powierzchni badanego obiektu. Jeśli obiekt nagrzewa się za bardzo, należy zredukować temperaturę, tak aby zapobiegać uszkodzeniu satelity i komponentów elektronicznych. Teraz komora jest gotowa do badania odkształceń badanego obiektu spowodowanych ekstremalnymi wahaniami temperatury. Ponieważ są one wykonane ze szkła, lustra teleskopu nie rozszerzają się tak samo jak podpory mechaniczne. Mogłoby to skutkować poważną awarią. Dlatego jest bardzo ważne, aby zmierzyć, jaki wpływ mają warunki kosmiczne na obszar wokół luster i dzięki temu ustalić, w jaki sposób można je prawidłowo kompensować.
Temperatura jest również monitorowana na obudowie zewnętrznej komory termiczno-próżniowej. Obudowa jest wyposażona w układ grzewczy, który można aktywować dla zapobiegania kondensacji.
Architektura rozwiązań automatyki B&R
Rozwiązanie automatyki B&R składa się z systemu X20 z procesorem CPU X20CP3586 oraz sterownikiem SafeLOGIC X20SL8100 z redundancją kablową, połączenia standardowych i bezpiecznych jednostek I/O do monitorowania temperatury i zaworów oraz interfejsu dla pomp turbinowych. Użycie protokołu OPC UA umożliwia połączenie z systemem SCADA wyższego rzędu.
Podział rozwiązania na 6 podsystemów pozwala, aby część komponentów automatyki była umieszczona w maszynowni, znajdującej się obok pomieszczenia czystego, oraz na zredukowanie liczby wymaganych kabli. Zmniejszenie znacząco liczby komponentów w czystym pomieszczeniu również przyczynia się do wyrównania czystości powietrza. Szafa sterownicza w czystym pomieszczeniu mieści w sobie, poza sterownikiem, również szeregowe interfejsy Ethernet oraz jednostkę oceniającą pomiary ciśnienia uzyskane za pomocą interfejsu szeregowego. Sam sterownik jest chłodzony pasywnie i nie generuje żadnego kurzu. Komponenty również okazały się tak czyste, że nie trzeba było dodawać filtra do szafy sterowniczej. System jest sterowany przy pomocy terminala B&R w czystym pomieszczeniu. To tutaj ustalana jest temperatura i oceniane są wyniki.
W ostatnim czasie zostało dodane rozwiązanie jednostkowe Unit Test B&R, aby sprawdzać system automatyki na początku każdej serii. Programowanie odbywa się w języku C lub C++, które są najczęściej używanymi językami w tym instytucie.
Aby ustalić, czy satelity są przygotowane do umieszczenia w kosmosie, bada się je w ręcznej komorze termiczno-próżniowej. Komora jest obsługiwana przy pomocy sterownika i innych jednostek systemu X20 B&R.
Sprzęt laboratoryjny w przyszłości
– Modułowość, elastyczność i możliwość pracy w czasie rzeczywistym oferowane przez rozwiązania automatyki B&R stanowią przyczynę, dla której są one tak wysoko cenione w środowisku akademickim – mówi Severin Oeschger, który jest odpowiedzialny za układy automatyki w komorze termiczno-próżniowej na uniwersytecie w Bern. – Niezawodny serwis B&R, aktywna współpraca działu R&D oraz żywe zainteresowanie nauką i badaniami były również decydującymi czynnikami przy podejmowaniu decyzji o podjęciu współpracy z nimi w tym i w innych projektach. Mając na celu ustandaryzowanie architektur i skonsolidowanie dostawców w celu zminimalizowania kosztów ogólnych, centrum CSH oraz Wydział Badań Kosmicznych i Nauk o Planetach uniwersytetu w Bern, będą gromadziły wyposażenie do nowego laboratorium oraz przyszłe rozszerzenia do niego wykorzystując, na ile to możliwe, komponenty B&R.