Akceleracja sprzętowa przyspieszy prace badawcze na ISS

Niemiecki astronauta Alexander Gerst przygotuje do pracy system HSC-OS (High Speed Camera Operating System), stanowiący niewielkie, ale ważne rozszerzenie osprzętu elektronicznego superszybkiej kamery wideo lewitatora elektromagnetycznego (EML), która dzięki tej modernizacji zyska większe możliwości sterowania i przyspieszy przetwarzanie ogromnych ilości generowanych przez siebie danych.

Podzespół HSC-OS został opracowany przez inżynierów Grupy Airbus dla niemieckiej agencji kosmicznej DLR i zostanie zabrany na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) w ramach misji orbitalnej Antares 9.  Na pokładzie ISS urządzenie zostanie zintegrowane z lewitatorem podczas zaplanowanej do końca tego roku przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) misji Horizons.

Nowa koncepcja EML zakłada wdrożenie komercyjnych układów mikrokomputerowych, specjalnie dostosowanych i zakwalifikowanych do użycia w przestrzeni kosmicznej. Efektem ma być nawet 10-krotne zwiększenie prędkości transmisji danych z kamery do systemu komputerowego. Zastosowany zostanie także dedykowany sprzętowy kompresor danych. Zintegrowany z konwencjonalnym mikrokomputerem, zastąpi on poprzednie rozwiązanie, w którym za kompresję odpowiadało wyłącznie oprogramowanie. To usprawnienie przyspieszy szybkość konwertowania obrazu wideo co najmniej 60-krotnie. Obie modyfikacje znacząco podwyższą przepustowość istniejącego narzędzia badawczego.

Lewitator elektromagnetyczny to zbierające liczne pochwały narzędzie do prowadzenia doświadczeń, będące na wyposażeniu stanowiącego część ISS laboratorium Columbus. Sfinansowany przez ESA i DLR, przyrząd ten został opracowany i zbudowany przez ekspertów Grupy Airbus. Na ISS trafił na pokładzie statku ATV-5 jeszcze w sierpniu 2014 r., gdzie na jesieni tego samego roku został następnie zainstalowany przez Alexandra Gersta podczas pierwszego pobytu tego astronauty na Stacji. Gerstowi powierzono także i tegoroczną rozbudowę EML o usprawniający przetwarzanie danych moduł elektroniczny HSC-OS. To ważne ulepszenie, które lewitator zyska tego lata, pozwoli badaczom jeszcze bardziej zwiększyć precyzję prowadzonych badań.

EML

Lewitator elektromagnetyczny (ELM, ang. Electro-Magnetic Levitator) służy do prowadzenia doświadczeń z użyciem niewielkich próbek metali, mających na celu zgłębianie z ogromną precyzją istotnych właściwości różnego rodzaju materiałów. Badania te mają duże znaczenie dla optymalizacji procesów produkcyjnych na Ziemi. Pozyskiwana dzięki nim wiedza ma umożliwić produkcję przemysłową materiałów metalicznych o dokładnie określonych, pożądanych parametrach.

Próbki metalu są topione i podgrzewane do temperatury sięgającej 2100 stopni Celsjusza i w takim stanie są poddawane pomiarom, po czym w kontrolowany sposób zostają schłodzone z powrotem do stanu stałego. Dzięki wysokiej reaktywności chemicznej gorących metali w ciekłym stanie skupienia, lewitator pozwala poddać każdą próbkę obróbce bez używania tygla, po umieszczeniu jej w polu elektromagnetycznym i rozgrzaniu metodą indukcji. Wszystkie pomiary są w związku z tym wykonywane bezdotykowo, metodami optycznymi.

Elementem zaawansowanej technologii obróbki i pomiarów zastosowanej w lewitatorze EML jest superszybka kamera wideo, filmująca ulotne procesy zachodzące w lewitującej próbce stopionego metalu z prędkością ponad 30 tys. klatek na sekundę.

Od rozpoczęcia projektu przeprowadzono znaczną liczbę doświadczeń, obejmujących ponad 1200 cykli topienia i krzepnięcia. Uzyskane w toku eksperymentów dane, z których większość zajmują zarejestrowane materiały wideo, przekroczyły już 13 TB.

„Wkrótce po oddaniu wyposażenia doświadczalnego do użytku stało się jasne, że wyniki misji są nieuchronnie powiązane z czasochłonnością przetwarzania uzyskiwanych danych wideo" tłumaczy Wolfgang Soellner, odpowiedzialny z ramienia Grupy Airbus za projektowanie doświadczeń przy użyciu EML. „Przyczyną takiego stanu rzeczy była rozszerzona koncepcja wykorzystania EML, skutkująca wytwarzaniem znacznie większych ilości danych, niż zakładano przy planowaniu tej misji. Modernizacja podsystemu przetwarzania danych wideo wyeliminuje to wąskie gardło."

Badania materiałów wymagają wielokrotnego powtarzania doświadczeń przy jednoczesnym nieznacznym modyfikowaniu określonych parametrów i nastaw. Przyspieszenie procedury doświadczalnej ma więc kluczowe znaczenie, gdyż pozwoli skrócić czas oczekiwania badaczy na jej wyniki.