Разработанные в Самаре приборы расширят сферу применения отечественных наноспутников

Ученые Самарского университета им. Королёва разработали два компактных гиперспектрометра, которые значительно расширят возможности отечественных наноспутников. Оснащенные такими приборами миниатюрные космические аппараты в формате CubeSat (кубсат) смогут более эффективно решать задачи экологического мониторинга и умного земледелия, выявлять выбросы парниковых газов и проводить геологоразведку труднодоступных территорий, обнаруживая расположение потенциальных месторождений различных минералов, нефти и газа. Данный проект получил финансовую поддержку в рамках федеральной образовательной программы "Дежурный по планете".

"В университете разработаны два компактных гиперспектрометра для наноспутников формата кубсат, ранее в России приборы с подобными характеристиками для кубсатов не создавались, да и в мире в различных странах их было создано и запущено в космос буквально лишь несколько экземпляров. Проекты наших гиперспектрометров уже полностью готовы, сейчас ведутся работы по изготовлению, сборка должна завершиться примерно к середине лета, после чего начнутся испытания. Приборы планируется вывести на орбиту в декабре 2023 года в рамках научно-образовательного проекта Space-Pi на борту двух наноспутников производства российских компаний "Спутникс" и "Геоскан", - рассказал профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета им. Королёва, доктор физико-математических наук Роман Скиданов.

По словам ученого, оба гиперспектрометра разработаны на основе схемы Оффнера. Один будет снимать в коротковолновом инфракрасном диапазоне, так называемом SWIR-диапазоне от 900 до 1700 нм. Прибор установят в трехюнитовом (3U, то есть, состоящем из трех "кубиков" 10х10х10 см) кубсате производства компании "Геоскан". Под гиперспектрометр в космическом аппарате отведут пространство двух "кубиков", в третьем "кубике" разместят оборудование для управления спутником и связи с Землей. Разрешение гиперспектральной съемки составит порядка 60-70 метров на пиксель, что, учитывая весьма компактные размеры наноспутника и невозможность разместить большой объектив, вполне соответствует уровню мировых аналогов.

"С помощью гиперспектрометра, снимающего в SWIR-диапазоне, наноспутники смогут эффективно обнаруживать парниковые газы, фиксируя выбросы метана и CO2. Также в этом диапазоне можно вести геологоразведку труднодоступных территорий, выявляя из космоса спектральные сигнатуры различных минералов, в том числе тех, что указывают на возможное расположение месторождений нефти и природного газа", - отметил Роман Скиданов.

Мониторинг выбросов метана также важен для решения перспективных задач освоения Арктики - подобные выбросы могут указывать на районы таяния и истончения вечной мерзлоты. Уменьшение толщины слоя мерзлоты может угрожать не только жизнедеятельности городов и поселков, построенных в арктических районах, но и климату всей планеты в целом. Как считают ученые, под слоем мерзлоты и осадочных пород могут находиться огромные запасы особых минералов - газовых гидратов, которые при определенных условиях разлагаются на воду и газ, прежде всего, метан. Если из-за уменьшения слоя мерзлоты в атмосферу попадет слишком много метана, планету ждет климатическая катастрофа с глобальными засухами, пожарами и подъемом уровня моря.

Задачи экологического мониторинга будет решать и второй из разработанных самарскими учеными гиперспектрометров. Он предназначен для работы в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (так называемом VNIR-диапазоне, от 400 до 1000 нм) и представляет собой усовершенствованную версию первого отечественного гиперспектрометра для кубсатов, созданного ранее в Самарском университете и запущенного в космос в августе 2022 года.

Прибор разместится на борту шестиюнитового кубсата, состоящего из шести "кубиков" 10х10х10 см. Увеличившееся полезное пространство позволило оснастить гиперспектрометр более мощным объективом, в результате разрешающая способность усовершенствованного прибора будет примерно в десятки раз выше аналогичного показателя первого отечественного гиперспектрометра для кубсатов. Новый гиперспектрометр сможет более качественно и точно отслеживать возникновение лесных пожаров, следить за состоянием лесов и сельскохозяйственных посевов, в том числе, вычислять вегетационные индексы и выявлять из космоса стресс у растений, а также выполнять другие задачи.

Кроме научно-практического значения, работа в космосе компактных гиперспектрометров также должна показать возможность массовой установки подобного оборудования в будущем, что позволит удешевить и сделать более доступными системы гиперспектрального зондирования Земли. На основе низкобюджетных наноспутников с компактными гиперспектрометрами можно будет создавать масштабные орбитальные группировки из сотен подобных космических аппаратов, что позволит вести мониторинг Земли в режиме практически реального времени, оперативно получая гиперспектральную информацию с необходимого участка земной поверхности и не дожидаясь, когда тот или иной большой спутник дистанционного зондирования Земли окажется над нужным местом.

Вместе с тем, огромное значение данный проект имеет в плане популяризации космонавтики и космических технологий среди подрастающего поколения. На основе данных, которые будут передавать самарские гиперспектрометры с орбиты, ученые Самарского университета им. Королёва будут обучать команды российских школьников основам анализа и обработки гиперспектральных изображений. Планируется разработать для школьников соответствующую научно-образовательную программу, рассчитанную на несколько лет и включающую в себя проведение различных космических экспериментов с использованием компактных гиперспектрометров. Ожидается, что школьники смогут не только побывать на предпусковых испытаниях наноспутников, но и стать свидетелями пуска ракеты-носителя с космодрома.

Комментарий:

Сергей Горяинов, начальник управления формирования и сопровождения контингента Самарского университета им. Королёва:

"Самарский университет им. Королёва принимал активное участие в создании и становлении Всероссийского научно-образовательного проекта Space-Pi, который входит в агломерацию конкурсов "Дежурный по планете" Фонда содействия инновациям. Финалисты университетского конкурса "Спутник" на протяжении 4 лет участвуют в данных программах. Скоро сбудется мечта школьников и у университета появится группировка спутников формата CubeSat, с разработанной нашими учеными оптикой для проведения съемок из космоса.

Впереди нас ждет большая проектная работа среди школьников, направленная на популяризацию космонавтики, спутникостроения и геоинформационных технологий".

Справочно

Самарский университет им. Королёва является вузом-участником национального проекта "Наука и университеты".

* "Дежурный по планете" - программа, объединяющая технологические конкурсы и проекты для школьников в области космоса. Цель программы - повысить популярность космических исследований и разработок среди широких кругов молодежи и школьников России. Организаторами программы являются Фонд содействия инновациям, Сколковский институт науки и технологий, госкорпорация "Роскосмос" и Кружковое движение НТИ.

** Space-Pi ("Space π" ) - Всероссийский научно-образовательный проект по разработке и производству малых космических аппаратов формата CubeSat на отечественных спутниковых платформах с целью формирования в течение нескольких лет на орбите группировки в составе около 100 кубсатов 3U для создания инфраструктуры по вовлечению школьников в научно-техническое творчество в области космических технологий.

*** Самарский университет им. Королёва – один из мировых лидеров в области фотоники. Более 40 лет назад в вузе была создана и успешно работает школа компьютерной оптики и обработки изображений под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера. Учеными университета разработана инновационная дифракционная оптика, которая нашла свое применение в самых различных сферах — космосе, медицине, сельском хозяйстве.

Исследования в области дифракционных оптических элементов позволили ученым Самарского университета им. Королёва создать компактные гиперспектральные устройства для применения в системах интеллектуального земледелия. Мобильные агромелиоративные комплексы способны самостоятельно анализировать состояние почвы и регулировать интенсивность полива и внесения удобрений, что может повысить урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 25-30%.