Satelita WISA Woodsat będzie sześcianem o długości boków 10 centymetrów. Należeć więc będzie do tak zwanych nanosatelitów czy też cubesatów. Stworzyła go fińska firma Arctic Astronautics, która na co dzień projektuje nanosatelity dla studentów. Celem wyniesienia obiektu w kosmos będzie przetestowanie jak drewno, a konkretnie sklejka, sprawdzi się w ekstremalnych warunkach pozaziemskich.

Woodsat przeszedł już swój pierwszy test – lot stratosferyczny, który odbył się 12 czerwca i trwał prawie 3 godziny.  Ze akademickiego centrum naukowego w Vantaa na wysokość 31,2 km ponad fińskie miasto Mäntsälä wyniósł go balon, po czym, zgodnie z planem, eksplodował. Satelita wylądował kilka kilometrów dalej na południowy zachód w pobliżu Lahti.

Głównym celem tego próbnego lotu było przetestowanie systemów i kamer. Urządzenie ma dwie kamery, w tym jedną na metalowym wysięgniku, co umożliwia obserwację drewnianej obudowy. Te same obserwacje mają być prowadzone w kosmosie.

Jak w kosmosie sprawdzi się drewniana sklejka

Samuli Nymann, współzałożyciel  Arctic Astronautics (i główny inżynier Woodsat) mówi, że jako materiał posłużyła brzoza. „Jedyną różnicą jest to, że zwykła sklejka jest zbyt wilgotna do wykorzystania w kosmosie, wysuszona została więc w komorze próżniowej. Potem jeszcze nanieśliśmy na nią cienką warstwę tlenku aluminium” – opisuje.

To tlenek aluminium pozwoli przetrwać sklejce w kosmicznej próżni. Warstwa tego materiału zapobiegnie ewentualnemu odgazowywaniu się drewna i odizoluje je od atomowego tlenu, obecnego na krańcach ziemskiej atmosfery. Atomowy tlen to bardzo reaktywna odmiana tego gazu, która powstaje pod wypływem promieniowania UV wysoko w stratosferze. Jego obecność odkryto po zniszczeniu osłon termicznych pierwszych kosmicznych promów NASA.

Drewniany satelita przetestuje też plastik przewodzący prąd

Satelita będzie wyposażony w liczne czujniki, żeby sprawdzić, jak w kosmicznej próżni sprawdzi się tak niezwykły materiał jak drewno. Woodsat przeprowadzi też badanie nowych, przewodzących prąd materiałów polimerowych.

To nowe tworzywo sztuczne może być wykorzystane w drukarkach 3D. W przyszłości ma być wykorzystywane przez Europejską Agencję Kosmiczną (która przy projekcie pomaga) do drukowania w kosmosie kabli zasilających – podała ESA w komunikacie prasowym.

Satelitę zasili dziewięć ogniw fotowoltaicznych. Zabierze on na okołoziemską orbitę również sprzęt radiowy, który pozwoli radioamatorom na transmisję sygnałów wokół globu. W kosmos wyniesie go rakieta Electron firmy Rocket Lab. Start zaplanowany jest na początek listopada tego roku.

Projekt współfinansuje firma UPM Plywood. To producent – jakże by inaczej – sklejki i oklein drewnianych. Misja satelity ma wzbogacić know-how firmy. Niewątpliwie jest też znakomitym chwytem reklamowym.

Źródła: ESA, WISA.

Czy drewno to dobry materiał do budowy urządzeń kosmicznych?

Komentarz mgr. inż. Adama Sikorskiego oraz inż. Tomasza Kowalskiego z Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej Centrum Badań Kosmicznych PAN:

Ze strukturalnego punktu widzenia drewno jest anizotropowym materiałem kompozytowym, co oznacza, że jego właściwości zależą od kierunku - drewno jest wytrzymalsze, gdy obciążymy je wzdłuż włókien niż w poprzek nich. Materiały kompozytowe, np. włókno węglowe, są szeroko stosowane w przemyśle kosmicznym ze względu na dobry stosunek wytrzymałości i sztywności do masy.

Drewno samo w sobie jako materiał konstrukcyjny również charakteryzuje się dobrym stosunkiem wytrzymałości do masy, porównywalnym nawet do niektórych stopów aluminium. Ale z wykorzystaniem drewna w kosmosie wiąże się wiele wyzwań.

Pierwszym z nich jest dokładne określenie parametrów drewna. Aby poprawnie zaprojektować jak najlżejsze elementy, inżynier powinien bardzo dokładnie znać właściwości materiału, z którego będą wykonane elementy satelity. A niestety w przypadku drewna nie jest to proste, bo nawet niewielkie defekty powstałe na etapie rośnięcia drzewa mogą doprowadzić do lokalnego osłabienia materiału, a to w ekstremalnym przypadku do uszkodzenia struktury. Fakt ten utrudnia też przeprowadzenie wiarygodnych analiz numerycznych.

Kolejnym wyzwaniem porowata struktura materiału, która negatywnie wpływa na możliwość utrzymania materiału w czystości po obróbce (dużo przestrzeni na powierzchni, w których mogą zbierać się zanieczyszczenia). Porowatość oznacza również, że wewnątrz materiału jest wiele małych przestrzeni, w których może kumulować się para wodna, a przy niskim ciśnieniu na orbicie może się ona ulatniać, zmieniając tym samym właściwości wytrzymałościowe drewna. Dlatego drewno, które miałoby być używane przy budowie satelitów, powinno być odpowiednio przygotowane i wysuszone.

Trzeba też pamiętać, że substancje uwięzione w drewnie są odgazowywane na orbicie w wyniku sublimacji i parowania (zjawisko outgassingu), przez co mogą osadzać się na innych instrumentach - mechanizmach lub na aparaturze optycznej, co z kolei może wpływać negatywnie na funkcjonalność i żywotność całej misji.

Kolejnym istotnym zagadnieniem wiążącym się z wykorzystaniem drewna jako materiału konstrukcyjnego w kosmosie jest wpływ radiacji na jego strukturę i wytrzymałość. Drewno charakteryzuje się też dość niskim przewodnictwem cieplnym, co wiąże się z pojawieniem się dużych gradientów temperatury w strukturze. Staje się to poważnym problemem, gdy jedna strona satelity wystawiona jest na działanie promieni słonecznych, a druga pozostaje w cieniu.

Wysokie temperatury w poszczególnych częściach satelity mogą doprowadzić do uszkodzenia np. baterii. Ponadto wiąże się to z ograniczonym odprowadzeniem ciepła z pracujących komponentów (np. elektroniki), co może doprowadzić do ich przegrzania. W zależności od zastosowania, niska przewodność cieplna drewna może być zaletą, jeżeli zależy nam na zapewnieniu izolacji termicznej między komponentami. Dodatkowo struktura satelity powinna zapewniać pewną przewodność elektryczną i stanowić tym samym uziemienie dla instrumentów, które są do niej przymocowane, co zapobiega zbieraniu się ładunków zdolnych uszkodzić elektronikę. Drewno oczywiście takiej przewodności również nie posiada.

Powyższe problemy w dużej mierze można ograniczyć poprzez zastosowanie drewna w postaci sklejki. W trakcie jej produkcji mamy większą kontrolę nad procesem wytwarzania, możemy zminimalizować zjawisko outgassingu poprzez stopniowe odgazowywanie kolejnych warstw. Zjawisko anizotropowości drewna w zależności od konkretnego zastosowania może być pożądane lub nie. W przypadku użycia sklejki i dzięki temu, że kolejne jej warstwy są obrócone względem siebie o znany kąt, możemy uzyskać materiał znanych właściwościach w danym kierunku.