K trpasličej planéte Pluto doletela prvá sonda v histórii. Aký má na palube počítač?

Sme prví ľudia v histórii, ktorí detailne uvidia, ako vyzerá planéta Pluto. Aký počítač na palube sondy sa o tom postará?

Sonda New Horizons (Nové obzory) odštartovala 11. januára 2006 z kozmodrómu Cape Canaveral (Florida, USA). Do kozmu ju vyniesla raketa Atlas V-551 s výškou takmer 60 m a hmotnosťou 575 ton. Sonda sa oddelila od posledného stupňa po 47 minútach a vyrazila smerom k planéte Jupiter rýchlosťou 16,26 km za sekundu (58 536 km/h). Pri prelete vo februári roku 2007 bola s pomocou tejto planéty nasmerovaná k Plutu, pričom od nej dostala „gravitačný kopanec“, ktorý zvýšil jej rýchlosť o 4 km/s (14 400 km/h) na súčasných 21 km/s (75 600 km/h).

Vďaka tomu mohla sonda k Plutu doraziť už za necelých desať rokov. Z dôvodu malej veľkosti Pluta a takisto čo najkratšej doby príletu sonda nemôže vstúpiť na obežnú dráhu tejto trpasličej planéty. Všetok vedecký program sa teda odohráva a odohrá počas preletu, podobne ako tomu bolo v prípade sond Voyager, ktoré v priebehu 70-tych a 80-tych rokov minulého storočia poskytli náhľad na planéty Jupiter, Saturn, Urán a Neptún (obe sondy sú dodnes funkčné a odosielajú drobné informácie o medzihviezdnom priestore 16, respektíve 19 miliárd km od Zeme).

Stavba sondy v rokoch 2002 až 2006. Dobre je vidieť reálnu veľkosť parabolickej antény (hore) aj generátoru (čierny valec vľavo)

To, aký veľký rozdiel predstavuje klasický prelet a prechod na orbitu je dobre vidieť napríklad na sonde Juno, ktorá vyštartovala v roku 2011 a na orbite Jupiteru zakotví v roku 2016, teda o 5 rokov neskôr. Sonda New Horizons preletela okolo Jupitera už rok po svojom štarte. Jupiter je pri tom obrovská planéta, do ktorej objemu by sa zmestilo viac ako 1300 kópii Zeme. Zakotvenie na orbite Pluta, ktorý je menší ako náš Mesiac, je v súčasnosti časovo a ekonomicky nerealizovateľné. Aby sa sonda dokázala zachytiť na jeho orbite, musela by k nemu cestovať rýchlosťou 1,2 km/s, čo by trvalo takmer dve storočia, alebo na túto rýchlosť na konci cesty spomaliť, čo by znamenalo nutnosť nesenia veľkého množstvo paliva (jeho vynesenie na orbitu by zas vyžadovalo extrémne výkonný raketový nosič alebo niekoľko oddelených štartov a skladanie systému na orbite Zeme).

New Horizons dosiahne najväčšie priblíženie k Plutu v utorok 14. 7. 2015 o 13 hodine a 49 minúte nášho času, kedy preletí okolo tejto trpasličej planéty vo vzdialenosti 12 500 km. O trinásť minút neskôr dosiahne najbližšie priblíženie (28 858 km) k jeho mesiacu Cháron, pričom ďalšie štyri značne menšie mesiace (Hydra, Nix, Kerberos a Styx) bude sledovať z väčšej diaľky.

Počítač pre Pluto

Na počítače medziplanetárnych sond sa kladú celkom iné požiadavky, než na bežné zariadenia. Darmo tu budete hľadať vysoko taktované výkonné procesory od Intelu či nejaký menej výkonný a úsporný smartfónový ekvivalent. Na počítačoch tohto typu totiž nefunguje žiadny softvér s grafickým rozhraním. Prioritou kozmických počítačov je mimoriadne vysoká kvalita, odolnosť a stabilita. Budú totiž pracovať v podmienkach, o ktorých sa normálnym pozemským zariadeniam ani nesníva a to často aj desiatky rokov.

Občas sa vo všeobecných médiách môžete stretnúť so „zábavným“ prirovnaným, že vyspelé sondy za stovky miliónov dolárov majú počítače slabšie, než je obyčajný smartfón. Ide však o nezmyselné a bezvýznamné prirovnanie. Ak by ste na sondu osadili počítač podobný útrobám smartfónu či notebooku, krátko po štarte by bol len bezcenným kusom šrotu, neschopným prevádzky.

Procesory a pamäťové čipy sondy musia odolať predovšetkým vysokým hodnotám ionizujúceho žiarenia. To prichádza zo Slnka a iných zdrojov v našej galaxii, pričom na Zemi (a takisto na nízkej orbite, kde obiehajú bežné družice a kozmické stanice) sú proti nemu počítače chránené atmosférou a takisto magnetickým poľom Zeme.

Odhalené útroby elektroniky sondy. Všetky obvody sú kompletne redundantné a obsahujú 96 konektorov a 3200 káblov

Medziplanetárna sonda je v kozmickom priestore neprestajne bombardovaná vysoko energetickým tokom protónov, elektrónov a iných subatomárnych častíc. Každá z nich môže vraziť do tranzistoru procesora a rozraziť tisíce elektrónov ako biliardová guľa. Výsledkom sú ruchy, alternácia dátových hodnôt a vo všeobecnosti sabotovanie prevádzky.

Aby hardvér kozmických počítačov niečo také dokázal zvládnuť, používajú sa jeho pokročilé úpravy za účelom zvýšenia radiačnej odolnosti. Označujú sa ako Radiation-hardening (radiačné „zodolnenie“), či skrátene rad-hard. Prvou obrannou líniou je telo samotnej sondy New Horizons, ktoré počítač čo možno najviac tieni od kozmického priestoru (sonda má trojuholníkový tvar, ktorý je v spodnej časti široký 2,7 m, dlhý 2,1 a vysoký 0,7 m).

Druhou líniou je tienenie procesoru, pamäťových a iných čipov, na ktorých je ochranná vrstva čistého bóru. Tienené sú procesory aj vo svojom vnútri, pričom v mnohých prípadoch sa namiesto kremíku používajú z hľadiska radiácie odolnejšie materiály, akým je napríklad karbid kremíku a gálium nitrid.

Radiačne tienený procesor Mongoose V osadený na sonde New Horizons. Jeho cena je 40 000 eur

Poslednou líniou je upravená riadiaca logika, obsahujúca redundantné systémy. Jeden bit je v nej nahradený trojicou rovnakých bitov a oddelenou „rozhodovacou logikou“. Procesor tak pri svojej práci v reálnom čase číta hodnotu troch bitov. Pokiaľ sa jeden z nich z dôvodu poruchy líši (či už z dôvodu žiarenia alebo iného), pokračuje sa s hodnotou totožnej dvojice.

Počítač sondy New Horizons je vybavený procesorom Mongoose V s frekvenciou 12 MHz. Ide o 32-bitový procesor od spoločnosti Synova. Používa architektúru inštrukčnej súpravy MIPS a nepatrí teda do rodiny x86 (Intel, AMD) ani ARM (bežne používané v smartfónoch). Jeho cena je 40 000 EUR, pričom ide o radiačne tienený procesor, s vývojom siahajúcim až do 90-tych rokov minulého storočia.

Diagram častí procesoru Mongoose V

Treba si uvedomiť, že v súčasnosti je už sonda viac ako 9 rokov na ceste, pričom jej púť sa nezačína štartom. Sondu je nutné kompletne vyvinúť, postaviť a tvrdo testovať (náklady na vývoj, stavbu, štart a následnú prevádzku sondy New Horizons činili 700 miliónov dolárov). Na sonde sa začalo pracovať už v roku 2002, takže v tejto dobe už musel byť procesor k dispozícii. Mongoose V je z hľadiska základnej architektúry pôvodne odvodený od procesoru MIPS R3000 (ktorý sa napríklad používal v konzole Playstation 1). Z uvedenej nutnosti radiačného tienenia a redundancie sa však značne líši.

Spoločnosť mu robia dva pamäťové čipy (SSD) pre zaznamenávanie dát. Každý ma kapacitu 8 GB. Procesor spracováva dáta z prístrojov a ukladá ich skomprimované a neskomprimované na úložisko, z kadiaľ ich neskôr odosiela komunikačným systémom na Zem. Sonda nesie dva odlišné počítačové systémy. Jeden sa používa na spracovávanie príkazov a zaobstarávanie a odosielanie dát, zatiaľ čo ten druhý sa stará o navigáciu a riadenie samotnej sondy.

Základná doska sondy

Nech je celý systém akokoľvek tienený, možnosť chyby existuje vždy. Sonda preto nesie duplicitné kópie oboch systémov, ktoré slúžia ako záloha v prípade zlyhania. V základe ide teda o štyri počítače, pričom dva sú neustále v prevádzke. V prípade, že dôjde ku kritickej chybe, korekčný systém to okamžite rozpozná a prepne všetky systémy na druhý počítač.

Bezdrôtové spojenie na 5 miliárd km

Pluto je momentálne vzdialené od zeme 4,92 miliardy kilometrov. Ak by ste k nemu uháňali autom po imaginárnej kozmickej diaľnici rýchlosťou 120 km/h, dorazili by ste k nemu až za 5000 rokov. Ide veru o značne odlišnú vzdialenosť, než na ktorú sme zvyknutí pri spojení s domácim Wi-Fi routerom. Sonda New Horizons používa parabolickú anténu s priemerom 2,1 m, ktorá je namierená smerom k Zemi. Prenos prebieha na frekvenciu 8 GHz a aj keď rádiový signál letí rýchlosťou svetla, túto enormnú vzdialenosť urazí až za 4,5 hodiny.

O zachytávanie a odosielanie signálov sa na Zemi stará systém Deep Space Networks (DSN), čo je sústava obrích parabolických antén s priemerom 70 metrov. Sú rozmiestené po celom svete tak, aby boli pokryté všetky smery aj napriek otáčaniu našej planéty. Na vzdialenosť 5 miliárd km je možné dosiahnuť dátový tok 100 až 150 bajtov za sekundu, čo znamená pretlačenie zhruba 0,5 MB dát za hodinu.

O spojenie sa starajú 70 m antény Deep Space Networks rozmiestnené po celom svete

Spojenie sondy so Zemou bude pri tesnom prelete okolo Pluta čo možno najmenšie, pretože obvykle nebude možné dáta zaznamenávať aj odosielať súčasne. Nejde o obmedzenie počítačov, ale o to, že anténa je napevno spojená s telom sondy a pokiaľ bude sonda sledovať Pluto, len zriedka bude jej anténa naklonená presne k Zemi.

Pri prelete sonda preto odošle len 1 % najdôležitejších a aktuálne zberaných dát (pre prípad, že by prelet neprežila). Pôjde hlavne o vedecky dôležité informácie a takisto pre verejnosť atraktívne fotografie (stratovo komprimované). Ostatné dáta, vrátane nekomprimovaných snímok, bude posielať nepretržite 10 týždňov (kontinuálne posielanie začne v septembri, kedy sa ukončí zber dát v súvislosti so vzďaľujúcim sa Plutom).

„Batéria“ zásobujúca sondu celú dekádu

Aby počítače na sonde mohli fungovať, potrebujú elektrické napájanie. V obrovských vzdialenostiach od Slnka (Pluto je od Slnka viac ako 30× ďalej, než Zem) už nie je možné napájanie solárnymi panelmi a New Horizons musí byť preto vybavená ekvivalentom nejakej batérie. Klasické riešenie je samozrejme nepoužiteľné a sonda tak nesie vlastnú „elektráreň“ s nukleárnym zdrojom. Ide o termoelektrický rádioizotopový generátor, ktorý obsahuje 10,9 kg plutónia-238. Ten pri svojom samovoľnom rádioaktívnom rozpade generuje teplo, ktoré sa zachytáva súpravou termočlánkov a konvertuje na elektrický prúd. V dobe štartu v roku 2006 systém generoval 240 W (jednosmerných 30 V), pričom jeho produkcia s úbytkom rádioaktívneho materiálu postupne klesá približne o 3,5 W ročne. V súčasnosti sonde poskytuje 208 W a v prevádzke by ju mal udržať až do roku 2026, kedy dodávaný výkon už nebude stačiť na prevádzku vedeckých prístrojov.

Vydrží váš počítač pracovať na jedno nabitie dvadsať rokov?

Trpasličia planéta Pluto prvý krát pre ľudstvo odhaľuje svoju tvár. Vyspelé sondy, ktoré sa nezaobídu bez pokročilých počítačových systémov po prvý krát prezrádzajú detaily o tomto dosiaľ nepoznanom svete. Ak sa niekedy stretnete s tvrdením, že počítače sond sú smiešne zastarané a zaostávajú za vašim notebookom či smartfónom, porovnajte či aj oni fungujú bez chyby neprestajne desať či dvadsať rokov, či dokážu pracovať ak sú neprestajne bombardované kozmickým žiarením a či dokážu komunikovať na vzdialenosť niekoľko miliárd kilometrov.