Kelebihan Nanosatelit untuk Industri Angkasa Lepas

Oleh: En. Wan Mohd Aimran Wan Mohd Kamil
Program Fizik, Fakulti Sains Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia

KISAH PERTAMA

Bayangkan anda berdiri di atas sebuah puncak gunung yang teramat tinggi. Tangan anda menggenggam sebutir bola tenis. Kemudian, anda menghayun lengan anda ke belakang, memusingkan lengan anda beberapa kali dan akhirnya pada detik yang sesuai, anda melemparkan bola tenis di dalam tangan anda sekuat dan selaju yang boleh.

Sejauh mana jarak bola tenis tersebut akan bergerak menerusi udara sebelum mendarat ke tanah bergantung kepada betapa kuat dan lajunya bola tenis tersebut asalnya dilemparkan; semakin kuat dan laju ia dilemparkan, kita menjangka semakin jauh jarak lintasan bola tenis tersebut menerusi udara.

Terdapat hubungkait yang nyata di antara kelajuan asal bola tenis tersebut sewaktu dilemparkan dengan jarak lintasan (range) bola tersebut menerusi udara sebelum mendarat ke tanah. Betapa kuat dan lajunya kita melemparkan bola tenis itu dari puncak gunung, lama-kelamaan ia memasrahkan dirinya kepada daya tarikan graviti Bumi dan mendarat di tanah jua akhirnya!

Namun, bayangkan pula apa yang akan berlaku sekiranya kita melemparkan bola tenis tersebut dengan kelajuan yang lebih tinggi? Berdasarkan kefahaman kita tadi, bola tenis tersebut akan menjangkau jarak yang lebih jauh menerusi udara. Jikalau dilemparkan dengan kelajuan yang lebih tinggi lagi? Sudah pasti lebih jauh lagi jangkauan jaraknya!

Sekiranya bola tenis tersebut dilemparkan pada kelajuan yang cukup tinggi sehingga jarak lintasannya melepasi kelengkungan permukaan Bumi, maka ia akan kekal berada di udara dan tidak akan kembali mencecah permukaan Bumi. Daya tarikan graviti Bumi masih tetap berkuatkuasa ke atas pergerakan bola tenis tersebut, namun sebaik saja bola tenis itu menjunam jatuh ke arah permukaan Bumi, permukaan Bumi melengkung jauh darinya pada kadar yang sama; justeru bola tenis itu sentiasa “terlepas” daripada mencecah permukaan Bumi.

Apabila ini berlaku, bola tenis tersebut akan bergerak dalam satu lintasan berbentuk bulatan yang melingkari Bumi yang pusatnya serempak dengan pusat Bumi. Lintasan ini digelar sebagai orbit dan bola tenis tersebut boleh dianggap sebagai sebuah satelit yang beredar mengelilingi Bumi.

APAKAH ITU SATELIT?

Satelit adalah sebarang jasad yang mengelilingi satu jasad lain. Misalnya, Bulan dikira sebagai satelit semulajadi Bumi kerana ia terikat menerusi daya tarikan graviti ke Bumi. Peredaran Bulan mengelilingi Bumi dalam orbitnya yang tersendiri sekali dalam tempoh kira-kira 29 hari adalah kesan paling ketara pengaruh daya tarikan graviti Bumi ke atas Bulan.

Selain Bulan, Bumi juga dikerumuni oleh ribuan satelit buatan manusia yang telah dilancarkan sejak bermulanya Zaman Penerokaan Angkasa Lepas pada akhir dekad 1950-an. Setiap satu satelit buatan manusia ini menjalankan aneka fungsi berlainan, misalnya untuk memantau sistem Bumi (samada ada iklim dan cuaca, atau sumber asli, atau ekosistem semulajadi dan manusia), mengendalikan sistem telekomunikasi, menyediakan perkhidmatan pandu arah (navigation), dan menampung misi ketenteraan dan perisikan.     

APAKAH ITU NANOSATELIT?

Selain mengkelaskan satelit buatan manusia berdasarkan fungsinya, ia juga boleh dikelaskan berdasarkan beratnya. Berat satelit buatan manusia boleh jadi seringan kurang dari 1 kg sehinggalah mencecah lebih 1 tan (atau 1000 kg), manakala saiznya pula boleh jadi sekecil tin biskut sehinggalah sebesar sebuah bas sekolah.

Misalnya, satelit TIUNGSAT 1 yang dilancarkan pada akhir September 2000 adalah seberat 50 kg, manakala satelit RAZAKSAT yang telah dilancarkan pada pertengahan Julai 2009 adalah seberat 180 kg.

Satelit UiTMSAT yang telah direkabentuk dan dipasang oleh pasukan penyelidik dari Universiti Teknologi MARA (UiTM) sejak akhir tahun 2016 dan akhirnya dilancarkan beberapa hari lepas pula mempunyai berat kurang daripada 10 kg.

Atas kelainan dari segi berat inilah maka satelit UiTMSAT telah digelar dan diraikan sebagai nanosatelit pertama negara. Gelaran ‘nanosatelit’ ini lazimnya merujuk kepada satelit buatan manusia yang bersaiz kecil dan mempunyai lingkungan berat di antara 1 sehingga 10 kg.    

KISAH KEDUA

Sepertimana yang dikisahkan dalam bahagian prakata tadi, sebuah satelit perlu dilancarkan pada kelajuan yang cukup tinggi untuk menjamin supaya ia bergerak dalam sebuah orbit yang stabil mengelilingi Bumi. Dalam kata lain, satelit tersebut perlu memiliki tenaga kinetik yang cukup tinggi sebelum ia boleh beredar mengelilingi Bumi di angkasa lepas.  

Satu cara ini boleh dilakukan adalah dengan melancarkan satelit tersebut menggunakan  roket atau kenderaan pelancar (launch vehicle) yang berupaya untuk bergerak dengan kelajuan yang diperlukan – sekurang-kurangnya 40,000 km/jam – agar ia boleh menerobos ke ruang angkasa lepas. Setelah roket ini melepasi ketinggian melebihi 100 km, maka satelit akan terpisah daripada badan roket tersebut, lalu diluncur masuk (insertion) ke orbit yang dikehendaki.   

Memandangkan jumlah tenaga kinetik yang dimiliki oleh sesuatu jasad bergantung kepada jisimnya – bayangkan: satu bola ping pong yang melantun dari sebuah bola boling berkelajuan 10 m/s berbanding satu bola ping pong yang melantun dari sebuah bola tenis berkelajuan 10 m/s – maka semakin besar jisim satelit yang ingin diletakkan di orbit, maka semakin besar perubahan tenaga kinetik yang akan dialami oleh satelit tersebut.

Semakin besar perubahan tenaga kinetik yang diperlukan, maka semakin besar daya tujah yang perlu dibekalkan oleh roket pelancar tersebut. Daya tujah (thrust) yang semakin besar pula memerlukan kadar pembakaran bahan api yang semakin tinggi.

Dalam kata lain, lebih banyak jumlah bahan api yang perlu dibakar oleh sebuah roket untuk meletakkan sebuah satelit berjisim kecil berbanding untuk meletakkan sebuah satelit berjisim besar di angkasa lepas.

Meskipun kenirberatan (weightlessness) merupakan lumrah apabila berada di angkasa lepas, untuk tiba ke sana merupakan satu pertarungan sengit melawan daya tarikan graviti Bumi.

Oleh demikian, adalah tidak menghairankan sekiranya jisim satelit merupakan salah satu faktor penting yang mempengaruhi kos penghantaran satelit ke angkasa lepas. Sebagai contoh, kos purata untuk menghantar apa-apa muatan (payload) ke angkasa lepas adalah sekitar $20,000 bagi setiap 1 kg muatan.

APAKAH KELEBIHAN NANOSATELIT BERBANDING SATELIT TERDAHULU?

Justeru itu, kelebihan pertama menghantar sebuah nanosatelit yang ringan dan bersaiz kecil berbanding “adik-beradiknya” yang jauh lebih berat adalah penjimatan dari segi kos. Satelit yang dibangunkan oleh para penyelidik UiTM tergolong dalam sejenis kumpulan satelit yang bernama CubeSat. Satelit-satelit CubeSat kesemuanya berbentuk kotak yang berdimensi 10 cm x 10 cm x 10 cm dan mempunyai berat kurang daripada 10 kg.

Di samping itu, satelit-satelit CubeSat menggunapakai sistem-sistem elektrik, elektronik, pengurusan haba dan perlindungan yang seragam dari segi piawaiannya. Oleh demikian, kesemua satelit CubeSat memiliki kerangka asas yang serupa dan hanya dibezakan dari segi  peranti-peranti khas yang perlu direkabentuk, dibina dan dipasang pada satelit tersebut bersesuaian kepada misi pasukan masing-masing.

Keseragam asasi dari segi struktur satelit-satelit CubeSat ini membolehkannya dihasilkan secara besar-besaran (mass production) dan kemudiannya diubahsuai mengikut keperluan khas misi pasukan masing-masing. Ciri penyesuaian (customizability) yang terdapat pada satelit jenis CubeSat ini merupakan kelebihan kedua jika dibandingkan dengan satelit lazim.

Usaha penghantaran satelit ke angkasa lepas perlu melepasi empat peringkat utama iaitu  peringkat rekabentuk, peringkat fabrikasi, peringkat operasi, dan akhir sekali peringkat analisis data.

Memandangkan kerangka asas satelit CubeSat ini sudahpun tersedia (ready-made), maka usaha rekabentuk, pembinaan dan pemasangan satelit tidak perlu bermula dari sifar. Sebaliknya, para penyelidik boleh menumpukan usaha kepada rekabentuk dan susunletak, penghasilan dan pengujian, dan akhirnya pemasangan peranti dan litar khas pada kerangka asas satelit CubeSat tersebut.

Ini dapat mengurangkan kos dan merendahkan benteng tahap kepakaran yang diperlukan dalam penghasilan dan pelancaran sesebuah satelit ke angkasa lepas, lalu membolehkan lebih ramai pihak dari kalangan industri, institusi pendidikan dan badan kerajaan untuk melibatkan diri masing-masing dan mengaut manfaat yang ditawarkan oleh bidang teknologi angkasa ini. Pemasangan dan pelancaran UiTMSAT oleh para penyelidik UiTM dibuat di bawah naungan program The Joint Global Multi-Nation Birds Satellite (BIRDS) yang dipelopori oleh Institut Teknologi Kyushu (KIT) dan Agensi Angkasa Jepun (JAXA). Ini adalah kelebihan ketiga satelit CubeSat berbanding dengan satelit lazim.   

Hasil daripada saiznya yang kecil lagi ringan, maka beberapa buah satelit CubeSat boleh dilancarkan sekaligus dalam satu-satu pelancaran kerana kira-kira 6 sehingga 12 buah satelit CubeSat boleh dimuatkan dalam sebuah roket atau kenderaan pelancar (launch vehicle).

Misalnya, selain memuatkan UiTMSAT, roket Falcon 9 milik syarikat Space X yang dilancarkan tempoh hari juga membawa dua buah satelit CubeSat lain – Bhutan 1 dan MAYA – masing-masing milik negara Bhutan dan Filipina. Ketiga-tiga satelit CubeSat ini akan dihantar oleh kenderaan angkasa ulang-alik (reusable space vehicle) Dragon ke Stesen Angkasa Lepas Antarabangsa (International Space Station, ISS), di mana ia akan diluncurkan ke orbit masing-masing dari modul Kibo milik Jepun yang bersambung dengan Stesen Angkasa Lepas Antarabangsa.

Keupayaan untuk menghantarkan sejumlah besar satelit CubeSat ke angkasa lepas memberikan kelebihan tambahan kepada satelit CubeSat berbanding dengan satelit lazim. Meskipun setiap satu satelit CubeSat agak terhad dari segi fungsinya (akibat saiz dan ruang muatannya yang kecil), namun sekiranya sejumlah besar satelit CubeSat ini dirangkaikan, ia boleh menandingi sebuah satelit pelbagai fungsi. Setiap satu satelit CubeSat boleh dipasang dengan peranti atau penderia yang akan mengutip data mentah yang berlainan, kemudian dirangkaikan bersama-sama bagi memantau satu rantau yang luas di permukaan Bumi, ataupun meliputi keseluruhan permukaan Bumi.

Pemerhatian secara “berjemaah” ini membolehkan pengutipan data mentah secara besar-besaran dalam pelbagai bentuk yang meliputi pelbagai kawasan dan yang merangkumi pelbagai skala masa. Ini merupakan kelebihan paling unggul satelit CubeSat berbanding satelit lazim.

Adalah tidak menghairankan sekiranya pengutipan data raya (big data) menggunakan jaringan ratusan satelit CubeSat yang bertebaran di angkasa lepas mengelilingi Bumi merupakan kegunaan bersifat terkehadapan (frontier) yang sudah mula dibayangkan oleh para pengendali satelit untuk dekad-dekad mendatang.

WAN MOHD AIMRAN WAN MOHD KAMIL merupakan pensyarah bidang astronomi dan astrofizik dari Program Fizik di Fakulti Sains dan Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia, Bangi. Beliau boleh dihubungi menerusi e-mel di aimran@ukm.edu.my atau menerusi Twitter di @wan_aimran.