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CanSat – ist ein künstlicher Miniatursatellit, der in der Größe einer Getränkedose konstruiert wurde. Diese Lösung ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Weltraumtechnologie, da sie es ermöglicht, die Erde vom Weltraum aus zu beobachten und zu erforschen. CanSats haben eine breite Palette von Anwendungen, sowohl im Bildungsbereich als auch in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen wie Meteorologie, Vermessung und Telekommunikation.
CanSat - woraus besteht er?
Der Autor dieses Artikels nimmt sich die Freiheit, den Entwurf und den Aufbau von CanSat am Beispiel einer Lösung zu beschreiben, die er an einer führenden technischen Schule in Bytom koordiniert hat. CanSats sind relativ kostengünstig in der Herstellung und eignen sich ideal zum Lernen und Experimentieren im Weltraum. Der Aufbau von CanSata besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Kommunikationsmodul, das für die Übermittlung von Daten aus dem Weltraum zur Erde zuständig ist,
- Stromversorgungsmodul, das für die Stromversorgung der CanSat-Steuerplatine und aller Komponenten verantwortlich ist,
- Messmodul, das Informationen über die Umgebung des Satelliten sammelt.
Bei der Herstellung von CanSat wird eine Vielzahl von Sensoren und Messgeräten verwendet, um atmosphärische Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck usw. zu überwachen.
CanSat - Anwendung
Eines der Hauptziele der CanSat-Mission ist die Sammlung von Daten über die Umwelt der Erde aus der Perspektive des Weltraums. Dies ermöglicht die Überwachung des Klimawandels, die Analyse der Wetterbedingungen oder die Untersuchung entlegener Gebiete der Erde. Darüber hinaus ermöglichen CanSats die Erprobung neuer Technologien und Methoden für die Weltraumbeobachtung, was für die weitere Entwicklung der Weltraumforschung entscheidend ist. CanSats sind auch ein äußerst wichtiges Instrument für die Bildung. Sie bieten denjenigen, die sich für interessante technische Lösungen begeistern, die Möglichkeit, auf praktische Weise zu experimentieren, moderne Technologien kennenzulernen und praktische Fähigkeiten im wissenschaftlichen Bereich zu erwerben. Das Programmieren, Entwerfen, Testen und Analysieren von Daten mit CanSata ist nicht nur ein faszinierendes Abenteuer, sondern auch eine großartige Gelegenheit, die Talente und die Kreativität von Schülern oder Studenten zu fördern.
Der konzipierte CanSat hatte zwei Missionen:
- primär – das primäre Ziel der Mission war es, kontinuierliche Messwerte des atmosphärischen Drucks und der Temperatur zu erhalten, diese auf einer SD-Karte aufzuzeichnen und dann per Funk im Sekundentakt zur weiteren Analyse der gesammelten Daten zu übertragen,
- Als weiteres – sekundäres – Ziel der Mission sollten Luftproben in verschiedenen Höhen in geeigneten Behältern gesammelt werden, um sie zur Analyse der chemischen Zusammensetzung ins Labor zu bringen.
CanSat - Aufbau des Geräts
Für den Bau des CanSat-Minisatelliten wurde ein Bausatz verwendet, der alle notwendigen elektronischen Komponenten für die primäre Mission und die Bodenstation, ein Stromversorgungsmodul (ohne Batterie/Akku), einen Bordcomputer, drahtlose Kommunikationsmodule sowie die Temperatursensoren LM35 und BMP280 für den atmosphärischen Druck enthält.
Die Hauptplatine besteht aus den folgenden Blöcken:
- Stromversorgungsschaltung – ermöglicht die Stromversorgung des Boards und externer Geräte über einen Lithium-Ionen-Akku oder andere Zellen mit einer Spannung von 2,5 – 5,0 V;
- Bordcomputer – Arduino M0-kompatibler Mikrocontroller, programmierbar über USB;
- Datenspeicher – microSD-Kartensteckplatz, zugänglich über den Bordcomputer;
- drahtloses Kommunikationsmodul – Funk-Transceiver-System, basierend auf dem LoRa-Standard, mit externem Antennenanschluss.
Das Gehäuse des CanSat-Minisatelliten, das Bergungssystem (Fallschirm) und die Batterie/Akku Stromversorgung wurden vom Entwicklungsteam als separate technische Lösungen hinzugefügt.
Mechanische Konstruktion
Die Konstruktion des Projekts wurde mit Hilfe der 3D-Modellierungstechnologie entworfen, wobei das Material PET-G (Polytetrafluorethylen) aufgrund seiner Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen verwendet wurde.
Die wichtigsten Merkmale der Konstruktion sind:
- PET-G Material: garantiert Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse;
- Schraubbefestigung: Die Abdeckung der inneren Struktur ist mit Schrauben befestigt, um einen einfachen Zugang zum Inneren zu gewährleisten;
- Anpassungsfähigkeit an Veränderungen: Die Struktur wurde so konzipiert, dass sie sich leicht an mögliche strukturelle Veränderungen anpassen lässt.
Die Konstruktion ist 115 mm hoch, hat einen Durchmesser von 66 mm und wiegt 350 Gramm.
Elektrische Komponenten
Der entworfene CanSat verwendet den Adel ATSAMD21G18 Chip, der vollständig mit dem Arduino M0 kompatibel ist. Die für die Hauptmission verwendeten Sensoren sind:
Parameter des LM35 – für Temperaturmessungen
– Versorgungsspannung: 4 V bis 30 V
– Betriebstemperaturbereich: -55°C bis 150°C
– Empfindlichkeit: 10mV/◦C
– Genauigkeit: ± 0,75◦C
– Stromverbrauch: 60μA
BMP280 Parameter – nur für Druckmessungen:
– Versorgungsspannung: 1,71 V bis 3,6 V
– Betriebstemperaturbereich: -40°C bis 85°C
– Betriebsdruckbereich: 300 hPa bis 1100 hPa
– Genauigkeit: ± 1hPa
– Druckauflösung: 0,16 Pa
– Stromverbrauch: 2,7 μA im normalen Modus
Die sekundäre Mission sieht ein einzelnes SG-92R-Servo für das Öffnen/Schließen des Ventils vor. Servo-Parameter:
– Bewegungsbereich: 0◦ bis 180◦.
– Geschwindigkeit der Bewegung: 0,1 s/60◦.
– Drehmoment: 2,5 kg/cm bei 4,8 V
– Versorgungsspannung: 4,8 V bis 6 V
– Stromverbrauch: max. 700mA/h
Um die Chancen auf eine Wiederherstellung von CanSat nach dem Start zu maximieren, wurde ein PA1616D GPS-Modul mit Parametern verwendet:
– Versorgungsspannung: 3,3 V oder 5 V
– Stromverbrauch: 29 mA, wenn aktiv
– Empfindlichkeit des Empfängers: -165dBm
– Frequenz der Positionsaktualisierung: 10 Hz
– Positionsgenauigkeit: ±3m
– Unterstützte Navigationssysteme: GPS, GLONASS.
Dieses Modul ermöglicht die präzise Verfolgung der CanSat-Position (Breiten- und Längengrad) während des Flugs und nach der Landung.
Für die Stromversorgung des Geräts ist eine SAMSUNG INR18650-35E Lithium-Ionen-Zelle zuständig, mit entsprechenden Parametern:
– Nennspannung: 3,7 V
– Kapazität: 3500 mAh
– Maximaler Entladestrom: 8000mA
– Abschaltspannung der Entladung: 2,65 V
– Betriebstemperatur: von -10◦C bis 60◦C
Der Stromverbrauch ist bei den entworfenen Mini-Satelliten wichtig. Unter Berücksichtigung aller elektrischen und elektronischen Komponenten wurde er auf 104 mA geschätzt. Der geschätzte Energieverbrauch wird im Folgenden detailliert dargestellt:
– Hauptplatine: max. 50mA
– Servo im Leerlauf: 5mA
– Alle Servobewegungen: 1,58 mA
– Signaldiode: 20mA
– GPS-Modul: 29mA
– Drucksensor BMP280: 2.7µA
– LM35 Temperatursensor: 60µA
Unter Berücksichtigung der oben genannten Werte wurde festgestellt, dass die Akkulaufzeit etwa 33 Stunden betragen würde, was mehr als genug war, um die geplanten Missionen zu erfüllen.
Die gesamte Kommunikation erfolgte über das Funkmodul SX1278 in eine Richtung, d.h. vom CanSat zur Bodenstation. Die Daten werden kontinuierlich einmal pro Sekunde übertragen. Die Daten enthalten Informationen über Temperatur, Druck, Höhe, vertikale Geschwindigkeit und Position. Das Funksystem arbeitet im 433MHz 70cm Band. Die CanSat-Antenne besteht aus einem 17,3 cm langen Kabel, das mit der CanSat-Hauptplatine verbunden ist.
Bodenstation
Es wurde eine YAGI-Antenne verwendet: CDMA ATK-10/400-470 MHz. mit den Parametern:
– Bandbreite: 400-470 MHz
– Verstärkung: 12 dBi
– Vorwärts-/Rückwärtsstrahlung: 16 dB
– Polarität: V
– Ausgangsimpedanz: 50 Ω
– Länge: 1,4 m
CanSata-Software
Die Software spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der elektronischen Geräte von CanSata. Die verwendete Programmiersprache ist C++ und die Entwicklungsumgebung ist die Arduino IDE. Diese umfassende Software ermöglicht die effektive Überwachung von CanSat während der Missionen sowie die effiziente Erfassung und Übermittlung von Daten an die Bodenstation. Bei der Inbetriebnahme führt das Gerät eine Erstkonfiguration durch, indem es Funkbandeinstellungen vornimmt, die barometrische Referenz einstellt und sechs separate Dateien für die Datenaufzeichnung erstellt: Druck, Höhe, Temperatur, GPS-Position, vertikale Geschwindigkeit und Ventilstatus.
Diese Konfiguration ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das System korrekt funktioniert. Während der Mission misst die Software in regelmäßigen Abständen den atmosphärischen Druck, die GPS-Position, die vertikale und horizontale Geschwindigkeit sowie die Temperatur und den Druck der Sensoren. Gleichzeitig bestimmt sie die Höhe aus den Luftdruckmessungen und speichert dann alle gesammelten Daten in den entsprechenden Dateien auf der SD-Karte. Darüber hinaus steuert die Software im Falle einer sekundären Mission den Prozess des Öffnens und Schließens des Ventils, damit die Umgebungsluft angesaugt werden kann. Die Daten werden auf der SD-Karte mit einer Geschwindigkeit von einem Schreibvorgang pro Sekunde in separaten Dateien auf der CanSat-Karte gesammelt. Die einzige Ausnahme ist der Status des Ventils, der einmalig, nach einer vollständigen Öffnungs- und Schließsequenz, aufgezeichnet wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CanSats ein äußerst interessantes und vielseitiges Instrument für die Erforschung des Weltraums und die Forschung darstellen. Aufgrund ihrer geringen Größe, ihrer niedrigen Kosten und ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten werden sie nicht nur bei Wissenschaftlern, sondern auch bei Studenten und Schülern immer beliebter. Mit CanSat können Sie unseren Planeten besser kennenlernen, den Kosmos erforschen und technische und wissenschaftliche Fähigkeiten entwickeln. Dies ist sicherlich ein Schritt nach vorn auf dem Gebiet der Weltraumforschung und der Weltraumtechnologie. Im Falle der vorgestellten Lösung waren die primären und sekundären Missionen erfolgreich.
