Misija mogoče: vesolje

Radijske komunikacije so že večkrat v zgodovini človeštva spremenile tako družbo kot njene primarne načine interakcije. Pravzaprav nobena invencija sodobnega časa ni prinesla toliko sprememb kot prav radijske komunikacije, ki so med drugim rodile celotno področje elektronike. Radijski komunikacijski sistemi kot osnovni gradniki brezžičnih komunikacij posegajo v skoraj vse elemente našega vsakdanjika in posledično krepijo človeški potencial. Še več, ključno vlogo igrajo tudi v vesoljskih tehnologijah.

Naše znanstvenoraziskovalne, razvojne in izobraževalne aktivnosti so v radijskih komunikacijah usmerjene na področja širokopasovnih mobilnih omrežij, nizkoenergijskih ozkopasovnih komunikacij in satelitskih komunikacij. Vedno višja stopnja integracije ter posledično drastično povečanje aktivnih elementov na izjemno majhnih polprevodniških rezinah sta v zadnjih desetletjih dvignila sposobnost vgrajene inteligence. Ta je tudi brezžične komunikacije premaknila iz povsem klasičnih analognih konceptov v domeno algoritemsko zasnovanih postopkov sodobnih digitalnih brezžičnih komunikacij. Preciznejša proizvodnja, uporaba novejših polprevodniških materialov in fizikalne simulacije na visoki ravni prostorske in časovne ločljivosti, ki jih omogoča procesna sposobnost današnjih računalnikov, zagotavljajo prilagajanje delovanja radijskih sistemov vse do nivoja teoretičnih fizikalnih dejstev narave njihovega medija.

Doc. prof. Iztok Kramberger, vodja Laboratorija za elektronske in informacijske sisteme na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru. FOTO: arhiv UM

Z novejšimi materiali in natančnejšimi proizvodnimi sposobnostmi tako ne dvigujemo le frekvenčnega področja in pasovne širine radijskih komunikacij, temveč se, z vedno bolj podrobno zaznavo fizikalne narave, natančneje s šumnim nivojem, približujemo zakonitostim kvantne mehanike. Pri tem ne stremimo zgolj k doseganju pomembne znanstvene odličnosti na mednarodnem podiju, temveč s svojimi razvojnimi in izobraževalnimi aktivnostmi krepimo tudi potencial slovenskih podjetij. Na ta način se krepi njihova konkurenčnost in posledično zagotavlja trajnostni razvoj naše družbe.

Digitalno signalno procesiranje

Uvajanje novejših polprevodniških tehnologij je dolgotrajen proces, saj zahteva veliko eksperimentalnega dela. Kljub temu nam je v Laboratoriju za elektronske in informacijske sisteme na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru na področju radijskih komunikacij uspelo v raziskovalne in razvojne aktivnosti vključiti sodobno polprevodniško tehnologijo na osnovi galijevega nitrida, ki jo izkoriščamo tako za ojačevalne kot stikalne aplikacije. Slednje na področju radijskih sistemov uporabljamo za zagotavljanje višjih napetosti, potrebnih za učinkovito delovanje ojačevalnih stopenj.

Nejc Kosanič, raziskovalec LEIS na področju fizikalnih procesov, pri pregledu rezultatov simulacij vpliva aktualno povišane Sončeve aktivnosti na upad višine tirnic slovenskih satelitov kot posledice kratkotrajnih termičnih ekspanzij Zemljine atmosfere. FOTO: arhiv UM  

S sodobno polprevodniško tehnologijo nam je uspelo dvigniti energijsko storilnost v smeri razvoja energijsko učinkovitih radijskih sistemov. Hkrati smo pri povečanju pasovne širine, v smeri razvoja širokopasovnih komunikacij, zagotovili dodatno miniaturizacijo samih sistemov. Kvaliteta in storilnost tovrstnih novodobnih radijskih sistemov, na povsem digitalni osnovi, sta v veliki meri odvisni od kvalitete uporabljenih oscilatorjev. Velja poudariti, da smo v sklopu raziskovalnega dela za naše prihajajoče radijske sisteme zasnovali in izdelali nov oscilator z izjemno nizkim šumnim nivojem, ki ga z najsodobnejšo merilno opremo na trgu že težko vrednotimo. To dokazuje, da smo na tem, domensko zelo specifičnem področju odlični tudi v svetovnem merilu. Novejše polprevodniške tehnologije smo v sodobne vesoljske aplikacije uvedli v sodelovanju z Evropsko vesoljsko agencijo (Esa). Gre za razna okolja s povišano stopnjo ionizirajočega sevanja, od eksperimentalnega dela na pospeševalniku Cern do klasičnega obsevanja v laboratorijih Seibersdorf v Avstriji.

S pomočjo opreme do kvantnega preskoka

Znanstvenoraziskovalne in razvojne aktivnosti na področju ključnih tehnologij, kamor sodijo tudi radijske komunikacije, so v nasprotju z razvojem storitvene ravni v veliki meri odvisne od investicij v primerno raziskovalno opremo. V podporo tovrstnim raziskavam, razvoju in izobraževanju na tem področju smo v sklopu projekta gradnje raziskovalne infrastrukture Univerze v Mariboru (RIUM) izvedli večjo investicijo v raziskovalno opremo, ki nam omogoča kvantni preskok, tako na obsegu frekvenc in občutljivosti kot na zmožnostih pasovne širine radijskih komunikacij.

Gregor Kirbiš, raziskovalec LEIS na področju visoko frekvenčne radijske tehnike, pri analizi očesnega diagrama simbolnih prehodov širokopasovne radijske komunikacije za nov satelit Trisat-S z uporabo naprednega spektrometra. FOTO: arhiv UM  

S pridobljeno raziskovalno opremo lahko posegamo vse do frekvenc 120 GHz in do pasovne širine 2 GHz, kar nam zagotavlja, da v danem trenutku ne rušimo rekordov le na področju nizkoenergijskih ozkopasovnih komunikacij tudi na velike razdalje, temveč premikamo varne širokopasovne komunikacije v tehnološko trenutno najmanjše in storilno najsposobnejše komunikacijske module na svetu. Povečana občutljivost nove raziskovalne opreme nam omogoča vrednotenje našega znanstveno eksperimentalnega dela na izjemno nizkih šumnih nivojih, tako v smislu zaznave magnitude signalov kot v časovno/frekvenčni domeni oscilatorjev. Posledično lahko zmanjšujemo pomembne implementacijske izgube radijskih sistemov s postopnim približevanjem termičnim zakonitostim narave medija in dvigujemo kvaliteto prenosa informacij v frekvenčnem pasu.

Kot primer, naš satelit Trisat-R, ki že več kot 20 mesecev neprestano deluje v sevalno enem najbolj zahtevnih okolij, ima energijsko najbolj učinkovit ozkopasovni radijski sistem na svetu. Večkrat na dan se uspešno vzpostavi radijska komunikacija med satelitom in 6000 kilometrov oddaljeno zemeljsko postajo v Mariboru. Izvede se prenos podatkov, ki traja približno eno uro, pri tem pa izsevana moč radijskega sistema na satelitu z anteno dolžine borih 60 centimetrov znaša zgolj 1,3 vata.

Nanosatelit Trisat-R FOTO: arhiv UM  

Vesolje na dlani

Skladno z razvojem na radijskih komunikacijah temelječega interneta stvari na Zemlji smo na mednarodnem podiju že začeli prikaz prihodnjega razvoja interneta vesoljskih sredstev. Z lastnimi tehnološkimi demonstracijami v vesolju prikazujemo, kako lahko slovenske nizkoenergijske in ozkopasovne radijske komunikacijske tehnologije prispevajo k snovanju nizkocenovnih nanosond v vesolju. Te omogočajo povsem avtomatizirano zbiranje in obdelavo pomembnih merilnih podatkov iz oddaljenih tirnic in pomembno pripomorejo k boljšemu razumevanju našega skupnega ekosistema.

Gregor Kirbiš, raziskovalec LEIS na področju visoko frekvenčne radijske tehnike, pri sestavi prototipa visokofrekvenčne končne ojačevane radijske stopnje na osnovi nove polprevodniške tehnologije GaN, ki bo uporabljen v novem širokopasovnem komunikacijskem podsistemu za vesoljske aplikacije. FOTO: arhiv UM  

Ne smemo pozabiti, da je Zemlja del osončja. Ob vstopu v letošnje leto in pomlad smo z našimi merilnimi sistemi v vesolju, na satelitu Trisat-R, zaznali povečano aktivnost Sonca, primarnega energijskega izvora našega osončja. To sicer nima večjega vpliva na bolj kot ne konstanten pretok energije proti Zemlji, saj se ta poveča zgolj za dobrih 0,1 odstotka. Pa vendar, ob takšnih izbruhih na Soncu v devetih minutah Zemljo obsije povečano ultravijolično sevanje in X-žarčenje, ki lahko povzroči povečan upor na satelitih in motnje ionosfere v smislu radijskih komunikacij. Po približno petnajstih minutah Zemljo dosežejo prvi masni delci, kot so protoni, ki v veliki meri uničujejo elektronske sisteme na satelitih. Zato smo še toliko bolj ponosni, da naš satelit v tako magnetno nezaščitenem okolju še vedno uspešno deluje. Snujemo torej temelje razvoja interneta vesoljskih sredstev, ki v obliki nizkocenovnih sond v vesolju temelji prav na energijsko učinkovitih ozkopasovnih radijskih komunikacijah daljnega dosega.

Na področju varnih širokopasovnih komunikacij trenutno dosegamo globalno najvišjo raven miniaturizacije v razmerju s storilnostjo, pri tem pa postopoma povečujemo podatkovne hitrosti in pripadajoča frekvenčna območja. Ponosni smo, da so prvi dosežki raziskav in razvoja na tem področju že implementirani v slovenskih vesoljskih tehnologijah, in sicer na ravni slovenskih produktov, ki že letijo in delujejo v vesolju. Naša univerza bo v sodelovanju s slovenskim podjetjem SkyLabs in nemško vesoljsko agencijo DLR že letos poskušala izvesti tehnološko demonstracijo v izjemno nizki zemeljski orbiti, s tretjim satelitom Trisat-S. V zaključni razvojni fazi so že prvi novi širokopasovni radijski komunikacijski sistemi za vesoljske aplikacije, ki za več kot dvajsetkrat povečujejo pasovno širino naših trenutno aktualnih sistemov. Pri tem se ohranjajo vse ključne sposobnosti na področju varnosti radijskih komunikacij in dodajajo novi hitri komunikacijski vmesniki. Z novimi radijskimi sistemi bo podjetje SkyLabs zagotovilo povečano podatkovno pretočnost od satelitov proti Zemlji in posledično doseglo nov mejnik v razvoju slovenskih vesoljskih tehnologij.

Do posnetka Zemlje z najmanjšo kamero v vesolju

Eden izmed prelomnih dosežkov v radijskih komunikacijah je zagotovo prvi posnetek Zemlje skozi objektiv kamere v velikosti 2 milimetra, nameščene na satelitu Trisat-R. Velika večina splošne in strokovne javnosti je svoje razmišljanje usmerila v pomen in kvaliteto fotografije, le redki pa so se vprašali, kako nam je Slovencem uspelo iz vesoljskega plovila, oddaljenega desetkrat dlje od večine satelitov, v velikosti večje plastenke vode in izsevane radijske moči 1,3 W prenesti fotografijo na zemeljsko postajo v Mariboru. Ne glede na dejstvo, da gre za zgodovinski trenutek in da ga je Esa na svoji strani izpostavila z objavo v rubriki Tehnološka slika tedna, ki je dosegla več ogledov kot objava evropske misije Juice na Jupitru, o omenjenem uspehu pa so poročali številni tako domači kot tuji mediji, se je vrhunski tehnološki dosežek v radijski komunikaciji na višini 6000 kilometrov prikril v diskusiji povsem tehnološko omejene kvalitete samega posnetka. Nujno je spomniti na dejstvo, da smo Slovenci v radijskih komunikacijah precej inovativni in z dolgo tradicijo, kar dokazuje tudi letošnji jubilej, 100. obletnica organiziranega radioamaterstva v Mariboru.

Posnetek Zemlje na razdalji 6000 km, posnet z izjemno miniaturno kamero. FOTO: arhiv UM  

Samoumevnost, ki to ni

Če so še pred dvema stoletjema pionirji radijskih komunikacij, kot so Faraday, Thomson, Maxwell, Hertz, Tesla in Marconi, snovali temelje novega tehnološkega razvoja, danes brezžične komunikacije prek mobilne telefonije, vseprisotnih spletnih storitev in družbenih omrežij v veliki meri »razvajajo« družbo. V današnji sodobni informacijski družbi je postala dostopnost informacij prek mobilnega interneta ter z njim povezanih medijev in družbenih omrežij nekaj povsem normalnega in danega. Ob tem se odnos družbe do tehnologij, ki takšno delovanje sploh omogočajo, vedno bolj povsem zanemarja.

Paradigma brezmejne mobilnosti, ki se je rodila iz hitro rastoče konvergence inovacij, poslovnega sveta in sodobnega življenjskega stil, je združila poglavitne elemente družbene interakcije ter postala osnovni element prihodnosti poslovnega in družbenega napredka v globalnih razsežnostih. Povsem je zasenčila razumevanje dosedanjih fizikalnih dognanj človeštva in samega pomena prebojnih tehnologij, ki so osnova za ustvarjanje trajnostnega razvoja z dejansko dodano vrednostjo. Dandanes pogosto uporabljene pojme vsesplošne digitalizacije v Sloveniji neposredno povezujemo z razvojem storitvene ravni, ki zaradi svoje na ekonomiji obsega temelječe dodane vrednosti ne zagotavlja dolgoročne naložbene vrednosti, saj kar hitro z napredkom družbe postane samoumevna.

Načrti za prihodnost

Svoje znanstvenoraziskovalno delo bomo v prihodnje v Laboratoriju za elektronske in informacijske sisteme usmerili in razširili na področje kvantnih komunikacij, ki bodo kreirale novo ero brezžičnih komunikacij in ponovno oblikovale tako družbo kot spreminjale načine družbene interakcije. Pri tem se zavedamo, da kvantne komunikacije ponovno povsem spreminjajo paradigmo brezžičnih komunikacij, ki nekako presega aktualno splošno poznano raven fizikalne narave in jo bo možno doseči z novimi ustreznimi investicijami v raziskovalno opremo. Področje radijskih komunikacij bomo tudi v prihodnje raziskovali in razvijali v domeni vesoljskih aplikacij. Ne le s poseganjem v višja frekvenčna območja, povečanimi podatkovnimi hitrostmi in pametnimi antenskimi sistemi, temveč tudi z razširjanjem delovanja zunaj zemeljskih orbit.

Gregor Kirbiš, raziskovalec na področju visokofrekvenčne radijske tehnike, pri analizi umerjanja novega koncepta frekvenčnega združilca za nov satelit Trisat-S z uporabo naprednega omrežnega analizatorja. FOTO: arhiv UM

V maju smo, znotraj nove skupine za radijske tehnologije Ese in iniciative Moonlight, izvedli delovni sestanek z Evropskim centrom za vesoljske operacije (ESOC), na katerem je tekla debata o širitvi interneta globlje v vesolje, in ugotovili, da se večajo potrebe po internetu sončnega sistema. Zaključki kažejo, da lahko že razvite slovenske vesoljske tehnologije na področju radijskih komunikacij in ravnanje s podatki pomembno prispevajo k razvoju lunarnega interneta, kot primarni storitvi za prihodnji razvoj lunarne ekonomije. Izkazalo se je, da so naši radijski komunikacijski moduli povsem združljivi z evropskim lunarnim prehodom. To zagotavlja prenos interneta na lunino površje in posledično ustvarjanje lunarnega prizemnega interneta prek obstoječih klasičnih prizemnih radijskih tehnologij. Slovenska tehnologija tako lahko igra ključno omogočitveno vlogo za nameščanje in dostop do lunarnih sredstev v smeri izrabe mesečevih surovin za gradnjo nove evropske lunarne ekonomije.

------------

Doc. dr. Iztok Kramberger je vodja Laboratorija za elektronske in informacijske sisteme na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru.