Detektory na bázi senzorů Timepix vyvinuté v Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT (ÚTEF) již řadu let úspěšně dobývají vesmír. Jsou využívány na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) i na řadě družic a satelitů, Evropská kosmická agentura (ESA) s nimi počítá pro misi Gateway a v brzké budoucnosti by také měly pomoci hledat vodu na Měsíci.

Na mezinárodních kosmických stanicích, družicích a satelitech fungují detektory na bázi Timepix od roku 2012, kdy pracovníci ÚTEF společně s univerzitou v Hustonu a americkou vesmírnou agenturou NASA umístili šest detektorů ve formátu USB na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS). Tam sloužily jako osobní dozimetry, přičemž astronauti je mohli používat v online režimu, což bylo výhodou oproti dříve používaným zařízením.

Technologie pixelových detektorů Timepix byla vyvinuta v rámci mezinárodní kolaborace, kterou založil CERN a jíž je ÚTEF od počátku účastníkem. Detektory byly původně určené pro urychlovače, a dodnes jsou umístěné například kolem detektoru Atlas, kde, podobně jako mlžná komora, monitorují množství částic. Kolaborace přitom od počátku motivovala své členy, aby technologii Timepix dále využívaly pro jakékoliv další aplikace.

Laboratoř detektorových technologií ÚTEF se jako první rozhodla aplikovat Timepix také v zařízeních určených pro výzkum vesmíru. Základní myšlenkou bylo, že když jsou čipy schopné přežít v největším urychlovači na světě, měly by obstát i ve kosmu, což to se také potvrdilo. Při vývoji dozimetrů na bázi senzorů Timepix vycházeli výzkumníci ÚTEF vstříc potřebám NASA, která chtěla mít o dávkách radioaktivity, jimž jsou astronauti vystavováni, přehled v reálném čase. Zařízení vyvinutá ÚTEF slouží na ISS úspěšně dodnes a z využívání technologie Timepix ve vesmíru se stal celý obor, kterým se dnes CERN může chlubit.

 

Na družicích a satelitech

Spolupráce s ISS se pro Laboratoř detektorových technologií ÚTEF stala pomyslnou „branou do kosmu“, ale skutečná zkouška její zařízení teprve čekala. Podmínky na vesmírné stanici se příliš neliší od těch na Zemi – je tam stabilní teplota, atmosféra a jen mírně nadměrné záření, protože stanice je stíněná proti radioaktivnímu toku částic. Daleko větší zátěž pro detektory představuje jejich využití v otevřeném vesmíru. A tak se pro ně skutečnou zatěžkávací zkouškou stalo až jejich umístění na družice a satelity. Zároveň s tím se proměnila i jejich funkce: napříště měly monitorovat radiační prostředí, ve kterém se satelit nachází.

Na rozdíl od běžných dozimetrů, které dokáží jen měřit deponovanou částku radiace a určit radiační poškození, které elektronika nebo astronaut obdrží, dokáží sofistikovanější radiační detektory jako je HardPix radiační prostředí také charakterizovat. Tedy přesně určit spektrum energií – počet protonů, elektronů a těžkých iontů a určit jejich energii i množství v daném radiačním poli pro daný časový úsek. A zároveň mohou zkoumat, zda částice přicházejí ze slunce nebo z galaktického pozadí – zpoza sluneční soustavy. Díky tomu se dají předpovídat například sluneční bouře nebo skvrny, které dokáží nejen poškodit infrastrukturu na kosmických zařízeních, ale i ovlivnit přenos vysokého napětí nebo satelitní telekomunikaci na zemi.

První zařízení pro let do kosmu, Satram (Space Application of Timepix Radiation Monitor), vyvinuli vědci z ÚTEF společně s kroměřížskou společností BD SENSORS. Do vesmíru se dostalo v roce 2013, na satelitu Evropské kosmické agentury (ESA) Proba-V, který měl zkoumat environmentální změny na Zemi. Zařízení se během takových letů ocitá v otevřeném vesmíru ve výšce až 820 km. Nachází se ve vakuu, je vystavené daleko většímu radiačnímu toku částic, musí odolávat značným teplotním extrémům a tomu se musí také přizpůsobit vývoj vyčítací elektroniky, která komunikuje se senzorem Timepix. Detektory Satram v těchto náročných podmínkách obstály: na satelitu Proba-V fungují dodnes, třebaže mise několikrát překročila svoji plánovanou životnost.

Vzhledem k tomu, že Satram bylo vůbec první zařízení s čipem Timepix, které obstálo v otevřeném kosmu, na detektorovou laboratoř ÚTEF se začali obracet i další pracoviště provádějící vesmírný výzkum. Postupně vylepšované verze detektoru (RISEPix, ????) absolvovaly několik dalších misí, mj. s českým CubeSatem VZLUSAT-1 (2017) či s japonským satelitem RISESAT (2019). A také šestnáctiminutový balistický let na testovací raketě NASA (2018), který trval 16 minut a měl potvrdit správné zaměření unikátního českého teleskopu vyvinutého českou společností Rigaku.

Třebaže byl pro všechny zmíněné mise používán stejný sensor, zařízení bylo třeba pro každou misi vyvinout a nadesignovat vždy od nuly tak, aby vyhovoval podobě satelitu. A aby se výzkumníci z ÚTEF tomuto zdlouhavému a nákladnému procesu vyhnuli, vyvinuli v roce 2018 na základě dosavadních úspěšných zkušeností univerzálně využitelný prototyp detektoru Miram (Miniaturized radiation monitor), na jehož základě později vznikla jeho definitivní a dnes široce využívaná podoba HardPix.

Finance na vývoj obou zařízení poskytla v rámci svých projektů Evropská kosmická agentura, která v nich pro sebe uviděla potenciál. V agentuře od počátku počítali s tím, že zařízení jako HardPix by mohlo být časem umístěno na všechny její družice a satelity. A tak se už v zadání objevil požadavek, aby měl detektor malý rozměr a objem. Oproti doposud používaným zařízením SREM (Standard Radiation Environment Monitor) či NGRM (New Generation Radiation Monitor) se měl zmenšit o jeden řád při maximálním možném zachování funkčnosti. Původní analogové detektory váží více než 1 kg a mají objem přibližně 1 l, takže do stále více využívaných CubeSatů se prakticky nedají integrovat. Fungují na principu absorpčních vrstev, přičemž energie částice se určuje podle toho, kolika absorbéry dokáže částice proletět, než se zastaví. Kdežto detektory vyvinuté na bázi čipu Timepix jsou schopné měřit i energii částic, které jím proletí. K tomu, abychom zjistili, jaká částice detektorem proletěla a jakou má energii, stačí jedna vrstva, a to z hlediska konstrukce umožňuje vytvořit řádově menší zařízení. 

Výzkumníci z ÚTEF si kladou za cíl, aby se detektory pro monitorování radiačního prostředí HardPix v budoucnu staly také nepostradatelnou součástí satelitů typu CubeSat, které se dají levně zkonstruovat ze součástek běžně dostupných na trhu. O detektory HardPix by tak mohly perspektivně projevit zájem i komerční firmy. A vývojářům satelitů by také mohly pomoci optimalizovat podobu jednotlivých komponent satelitů. Pokud má satelit létat na určité orbitě po určitou stanovenou dobu, musí se design přizpůsobit radiační degradaci součástek – solárních panelů i veškeré elektroniky. Firmy při vývoji satelitů doposud vycházely ze simulací nebo exrtrapolací měření pořízených na jiné oběžné dráze. Kdežto síť radiačních monitorů typu HardPix nabízí možnost přesně stanovit dávku, které je na daném místě a za daný čas satelit vystavován, a podle toho optimalizovat materiál pro výrobu součástek, tak aby nebyl odolný málo, ale ani příliš, protože radiačně odolné součástky jsou mnohem dražší a ne příliš výkonné.

Zájem ze strany komerčních firem však zatím příliš velký není. A tak ÚTEF spolupracuje především s vesmírnými agenturami. I ty mohou při vývoji satelitů díky popsaným schopnostem detektorů HardPix ušetřit, ale zajímavý je pro ně především vědecký aspekt: získávání dat pro sledování „vesmírného počasí“ a jeho ideální předpověď. A ÚTEF, který svým partnerům detektory často poskytuje zdarma, se zase může podílet na vyhodnocování dat. Společné publikace a dokončené doktoráty jsou potom měřítkem vědeckého výkonu a prestiže, což ústavu pomáhá získávat financování od mateřské ČVUT a dalších partnerských institucí.

 

Přenos dat

Z prvních prototypů detektorů vyvinutých v ÚTEF se z vesmíru přenášely velké objemy hrubých/syrových dat, která bylo nutné na Zemi zpracovávat. A to znamenalo časovou prodlevu. V případě ISS nebo satelitu Satram, které využívají síť pozemních stanic ESA a mohou přes gigabitové linky neustále stahovat velké objemy dat, to nepředstavuje velký problém. Potíž nastává u malých CubeSatů, které jsou závislé například na stanici menší společnosti nebo školy, která může data přenášet jen v omezeném množství a často jen ve chvíli, kdy nad ní satelit prolétá. Vcelku se jedná o značně zdlouhavý proces: data jsou po stažení přenášena do meteorologické kanceláře ve Velké Británii a tam jsou s pomocí algoritmů poskytnutých ÚTEF zpracovávána. Kdežto plánované úpravy detektoru by umožnily získávat online již zpracované informace.  

A to je dnes pro výzkumníky ÚTEF nová výzva. V poslední době pracují na vývoji speciálního softwaru založeného na AI či neuronových sítích, který umožňuje vyhodnocovat získaná data přímo v detektoru HardPix, tedy přímo ve vesmíru. Jestliže hardware detektorů již dosáhl svých limitů, schopnost zpracovávat data „on board“ může jejich hodnotu ještě značně zvýšit. Vedle malé velikosti, váhy a spotřeby by se tak jeho předností mohl stát také omezený objem nezbytného přenosu dat.

Vzhledem k vysokým nákladům na vývoj takového zařízení je dnes pro ÚTEF důležitá především spolupráce s agenturou jako ESA, která podobné projekty téměř stoprocentně financuje. Zásadní je, že díky předchozím úspěchům již má u této agentury dobré jméno, a tudíž i velkou šanci uspět ve výběrových řízeních.

Jedním příkladů úspěšné spolupráce je plánovaná vesmírná stanice Gateway. ESA se chystá vyslat do vesmíru první modul, který bude pro stanici s pomocí solárních panelů zajišťovat pohon a energii. A rozhodla se na něj umístit všechny vnitřní i vnější radiační monitory, které se v minulosti osvědčily. A tak oslovila i ÚTEF s tím, že chce zvenčí modulu ERSA umístit dva detektory HardPix, a zevnitř podobné zařízení MiniPIX TPX3 vyvinuté na základě patentů ÚTEF společností ADVACAM.

Perspektivní je také spolupráce s Robinsonovým ústavem z Nového Zélandu, který vyvíjí supravodivé magnety a chce zjistit, jaký vliv má supravodivý magnet na radiační prostředí ve vesmíru. Na jejich zařízení, které bude vysláno do kosmu a přimontováno na plášť ISS budou umístěny dva HardPixy.

A konečně – ÚTEF již delší dobu plánuje využití zařízení na bázi Tmepix jako neutronového spektrometru. Neutrony byly při průzkumu radiačního prostředí v kosmu doposud přehlížené, přestože dokáží také značně škodit. Cílem výzkumníků ÚTEF bude jejich detekce. A s pomocí neutronových spektormetrů se chystají také hledat vodu na Měsíci. Pokud těleso jako Měsíc nebo Mars nemá magnetické pole a atmosféru, jeho povrch je neustále bombardován radiací převážně ze Slunce. Ta pak interaguje s povrchem planety a vyráží z jader povrchového materiálu neutrony. A pokud by tam byla voda, resp. vodík, při měření energetického spektra bychom zaznamenali zpomalení neutronů.

Ideálně by samozřejmě bylo umístit zařízení na robotické vozítko, které by povrch mohlo zkoumat lokálně. Na Marsu se již o něco podobného pokoušela mise Curiosity, ale na Měsíci by mohlo jít o světovou premiéru. Podobnou misi výhledově chystá ESA. Ale Měsíc se dnes snaží dobýt i menší komerční společnosti, které by detektory vyvíjené v ÚTEF díky nízké váze a rozměru také mohly zaujmout.