עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > לווינים ורובוטים
אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה


תקציר
מהם לווינים, מתי הכל התחיל? ומה תרומתם לחברה האנושית כיום?



כדור הארץ - לווינים סביב לו
מחבר: ד"ר יואב יאיר


הרבה מאוד מתאפשר לנו בזכותם. חיזויים, תשדורות מצוקה, איתותים ממעמקי היקום, שלא לדבר על שידורים ישירים מכל פינה בעולם, משימות ריגול ומודיעין, תגליות מדעיות, ובקרוב גם בשירות האזרח הפרטי. עידן החלל, ועכשיו גם בישראל.

 

מבוא


ההתמקמות מול המסך המרצד של הטלוויזיה, כשהיד אוחזת בשלט ומריצה תחנות בקצב מסחרר היא חיזיון שגרתי בכל בית ממוצע כיום: CNN -תמונת לוויין של הוריקן הוגו מכה בחופי פלורידה, BBC - שידור ישיר מיפן, רעידת אדמה בעוצמה שבע פוגעת בעיר קובה, סופר צ'אנל NBC- מסיבת עיתונאים בשידור חי עם הנשיא קלינטון, ערוץ הספורט - שידור חי של משחק בגביע האלופות.

רובנו כלל לא נותנים את הדעת על שפע התמונות והמידע שזורמים אלינו מכל קצוות עולם בזמן אמת. זה נראה לנו מובן מאליו. למעשה, כל זה לא היה כלל אפשרי לולא עשרות הלוויינים, שמרחפים מעל האטמוספירה של כדור הארץ, חוקרים ובוחנים את המתרחש על פני כוכב הלכת שלנו, קולטים ומשדרים. הלוויין, אותו משרת טכנולוגי שתקן ונאמן, הפך מרכיב חיוני לקיומה של החברה המודרנית על סף המאה ה- 21.


 

מתי הכול התחיל?


עידן החלל החל באופן רשמי ב- 4 באוקטובר 1957, כשברית המועצות לשעבר שיגרה את הספוטניק, לוויין מלאכותי ראשון במשקל 83 ק"ג, למסלול הקפה אליפטי בין הגבהים 227 ו- 747 ק"מ מעל פני כדור הארץ. ספוטניק הקיף את הארץ כל 96 דקות, ואותות ה"ביפ ביפ" שלו שודרו בזמן אמת בכנס מיוחד של הסובייט העליון במוסקבה. רעם מחיאות הכפים באולם החריש את האות החלוש, ובישר לעולם על פתיחתו של מירוץ בינגושי לכיבוש החלל (ספוטניק שהה בחלל ארבעה חודשים בדיוק, ואז נשרף באטמוספירה).

עוד בטרם התאוששו האמריקנים מההצלחה הסובייטית, שוגר בנובמבר 57' "ספוטניק 2" במשקל חצי טון, ובו הכלבה "לאיקה", יצור חי ראשון במסלול לווייני. מסלולו ההיקפי של ספוטניק 2 היה נמוך מאוד, "לוחך אטמוספירה", וזמן המחזור שלו היה קרוב ל- 90 דקות. עם הנמכת מסלולו עקב העלייה ההדרגתית בחיכוך האטמוספירי, זכו מיליוני צופים בכדור הארץ למחזה בלתי נשכח, כשהלוויין הענק חלף ככוכב זוהר בשמי הדמדומים. עם עלות השחר של ה- 14 באפריל 58' צנח ספוטניק 2 לים הקריבי בשובל זוהר של אש ורסיסים. לאיקה הומתה בחלל בפקודה מכדור הארץ לפני צניחתו של הלוויין, והדבר גרר הפגנות זועמות, בחלקן מחאה של ארגוני צער בעלי חיים ובחלקן על רקע פוליטי כנגד הרוסים.

בעקבות ההצלחה הרוסית קיבלה התוכנית האמריקנית שנקראה באותה עת "וואנגארד" (חלוץ המשמר) הוראה דחופה מהממשל להעמיד לוויין מתחרה בחלל. הניסיון הראשון של וואנגארד ב- 6 בדצמבר 57' נכשל: הטיל והלוויין שנשא התפוצצו על כן השיגור. הכישלון לא ריפה את ידי האמריקנים, וב- 17 במרץ 58' הצליחו לשגר לחלל את "וואנגארדו" - כדור מתכתי קטן דמוי אשכולית במשקל 1.5 ק"ג (שנמצא במסלול הקפה עד עצם היום הזה). "וונגארד 2" במשקל 10 ק"ג שוגר בפברואר 59'.

למרות הצלחתה המסוימת נשארה תוכנית וואנגארד בצילה של תוכנית הטילים הצבאית ולווייני "אקספלורר" שלה. כאן באו לידי ביטוי כושר הארגון והידע של מדען הטילים הגרמני וורנר פון בראון ביחד עם צוות של 40 המהנדסים הגרמנים, שנמלטו לצד האמריקני המנצח בתום מלחמת העולם השנייה (אותם מהנדסים שבנו בגרמניה הנאצית, את טילי ה- V2 שנורו על לונדון). טילי רדסטון שפיתח פון בראון ב"עיר הטילים" האנטסוויל, אלבמה, נשאו בהצלחה את לווייני אקספלורר לחלל. הלוויין האמריקני הראשון "אקספלורר 1" שוגר ב- 31 לינואר 58' במשקל 14 ק"ג, והוכנס למסלול אליפטי מאוד, שבנקודה הרחוקה ביותר הגיע לגובה של 2,551 ק"מ, ובנמוכה ביותר - 360 ק"מ. הוא פעל במשך כארבעה חודשים, ואחר כך שייט דומם בחלל עוד 12 שנה עד שנשרף באטמוספירה בשנת 70'.

באמצע 58' הצליחו האמריקנים להדביק את הרוסים. בעוד שהרוסים שיגרו רק את "ספוטניק 3" הענק (במשקל 1,350 ק"ג) האמריקנים כבר שיגרו חמישה לוויינים ושלוש גישושיות לחקר הירח (פיוניר 1, 2, 3). הצעד המרכזי באותה תקופה נעשה דווקא על הקרקע, במישור הארגוני. הוקמה סוכנות החלל נאס"א, שהציבה את יעדי המחקר הבאים לתוכנית החלל האמריקנית: העלאת אדם למסלול הקפה (תוכנית "מרקורי") ופיתוח משגר חדיש, שיאפשר הטסת לוויינים וחלליות כבדות לחלל. תוך חמש שנים חלה "קפיצת המדרגה" בקצב שיגורי הלוויינים: בין – 58'- 63' שוגרו כ- 148 לוויינים חדשים.

למרות יתרונה המוכח של ברית המועצות בטילאות ובכושר הנשיאה של המשגרים, הצליחה הטכנולוגיה האמריקנית המתקדמת עם יכולת המזעור שלה להפיק את המירב מהלוויינים הראשונים של שנות ה- 60, ואלה הניחו את היסודות לרבים מביצועי הלוויינים של ימינו.

בין החלוצים נמנים לוויין התקשורת הראשון של נאס"א, "אקו 1", ששוגר באוגוסט 60'; לוויין מזג האוויר הראשון, "טיירוס 1" (אפריל 60'); לוויין התקשורת האקטיבי הראשון של הצבא האמריקני, "קורייר 1" (אוקטובר 60'); לוויין הריגול הראשון, "דיסקברר ו" (פברואר 59'); לוויין הניווט הראשון "טרנזיט" (60'), ששימש כעין מגדלור בשמיים; ולוויינים מדעיים כמו "אקספלורר 1", שגילה את "חגורות וון אלן" היוצרות מעין טבעת קרינה סביב כדור ארץ, בה לכודים חלקיקים עתירי אנרגיה. אקו ו, לדוגמה, שידר לקרקע כ- 22,952 תמונות של מערכות מזג אוויר, חזיתות, הוריקנים ומערבולות אטמוספיריות אחרות. לראשונה זכו חזאי מזג האוויר לקבל את "המבט מלמעלה", או כדברי אחד מבכירי החזאים האמריקנים: "בן לילה עברנו מבלויי סחבות למחלצות".

דיסקברר 1 נשלח על ידי חיל האוויר למסלול פולרי, כך שיחלוף מעל הקטבים ויכסה למעשה את כל כדור הארץ, הסובב תחתיו. בשיאו של עידן "המלחמה הקרה" היתה ללוויין כזה משמעות צבאית עצומה. באפריל 59' השליך הלוויין קפסולה עם סרט צילום, אך זו אבדה במי האוקיינוס. גם הלווינים הבאים ניסו להחזיר את סרטי הצילום מהחלל, ורק לאחר 13 ניסיונות עלה בידי האמריקנים להשיג את מבוקשם (מוטיב זה של סרט צילום המוחזר מהחלל, עמד בבסיס סרטי מתח וריגול שונים כמו "תחנת זברה אינה עונה" ו"זרע אנדרומדה").

התצלומים שהשיגו לווייני הריגול גילו לאמריקנים מידע רב על הניסויים הגרעיניים של ברית המועצות. לווייני המחקר שבאו בעקבות אקספולרר 1, גילו ממצאים מפתיעים על האטמוספירה של כדור הארץ. אפילו וואנגארד 1 הקטנטן תרם למדע, כיוון שהשינויים במסלולו לימדו את החוקרים כי שדה הכבידה של כדור הארץ אינו סימטרי, ומכאן שצורתו אינה כדורית מושלמת אלא דמויית אגס: פחוסה בקטבים ובולטת יותר באיזור המשווה.

הישגים חלוציים, שלא לומר היסטוריים, אלה מתגמדים אולי לנוכח ביצועי הלוויינים המודרנים אך ללא ספק מעוררים השתאות בהתחשב בראשוניותם. אירוניה מרה היא, שאילמלא המלחמה הקרה והמאבק האידיאולגי בין המערב למזרח, ספק אם היתה ההתקדמות הטכנולוגית בטילאות ובלוויינים נעשית בקצב כה מואץ. העובדה ששתי מעצמות העל לקחו על עצמן את כיבוש החלל כיעד לאומי, היא שקידמה את עידן הלוויינים. עם פיתוח מעבורות החלל בראשית שנות ה- 80 התפתח פן חדש בטיפול בלוויינים בחלל: החזרה ותיקון של לוויינים פגומים. במעבורות האמריקניות תוכנן שטח מיוחד וזרוע רובוטית ענקית הנשלטת מרחוק, שנועדה "לדוג" לוויינים שלא עמדו בציפיות של מתכנניהם ולהחזירם לכדור הארץ. המעבורת יכולה לטפל רק בלוויינים שמסלולם נמוך יחסית ולא בלוויינים שנמצאים במסלול גבוה יותר. יחד עם זאת, היכולת החדשה הזאת חסכה מיליוני דולרים למתכנני לוויינים שנתקלו בתקלות לא צפויות. בעבר היה דינם של לוויינים פגומים להסתובב בחלל כמצבה מעופפת למשך עשרות או מאות שנים, וכיום ניתן להחזירם הביתה ולשפצם. המעבורת גם מסייעת בהצבת לוויינים במסלול, וחוסכת את הצורך בשיגור יקר ומסובך מאתרי שיגור מיוחדים.


 

תור הזהב


את תרומתם של הלוויינים ניתן לזהות בנקל בכל תחום מתחומי החיים. הנה מספר דוגמאות לביצועיהם של לוויינים, ששמותיהם כמעט ואינם ידועים לציבור הרחב. קחו למשל את "מטאוסט" (Meteosat), סדרת לווייני מזג אוויר אירופית המשדרים תמונות באור נראה ובאינפרא אדום, והמשמשים את קהילת החזאים האירופאית. רבות מתחזיות מזג האוויר בישראל נקבעות בעזרת תצלומי הלוויינים האלה.

ב- 72' החלה ארצות הברית בשיגור "לאנדסט" (Landsat), סדרת לווייני מעקב ומחקר של כדור הארץ. לוויינים אלה מצלמים את פני כדור הארץ באורכי גל רבים, ופיענוח הנתונים מבוצע בתחנות מיוחדות בכדור הארץ ומשמש למיפוי, לאיתור מינרלים, לזיהוי זרמי אוקיינוס ולהקות דגים, לבדיקת בריאותם של יבולים, למעקב אחרי שטפונות נהר, ועוד.

לוויין "TDRS" האמריקני, הוא מערך של שלושה לוויינים גיאוסטציונריים, שהוצבו בחלל כדי לשמש תחנת ממסר מעופפת לתקשורת עם טלסקופ החלל האבל הצופה לעומק החלל, ועם מעבורות החלל הנמצאות במשימות שונות במסלול הקפה סביב כדור הארץ. קצב העברת הנתונים של לוויין TDRS הוא מדהים: 300 מגה בייט לשנייה (מהירות השווה להעברת התכולה של כל העיתונות היומית בארץ ביום בשנייה אחת). רשת הלוויינים האמריקנית "נאבסטאר" (Navstar) משמשת בעיקר לצורכי ניווט ומיקום בדיוק גבוה. מערכות GPS ( Global Position System) המכוונות לתדרי הלוויינים, מספקות את נקודת הציון הגיאוגרפית של המשתמש בדיוק של מטרים בודדים. רשת נאבסטאר היא צבאית בעיקרה, ומשמשת את כוחות היבשה והים של ארצות הברית. בעזרת מסוף נייד דמוי מזוודה יכול כל חייל בשדה הקרב לקבל מהלוויין את מיקומו המדויק. בעיתות שלום מספקים לווייני נאבסטאר שירותי ניווט לכל מבקש, זאת מתוך שאיפה לניצול מסחרי של יכולתם.

הארגון הבינלאומי לתקשורת לוויינית, שבו חברות 170 מדינות, ישראל ביניהן, מאפשר העברת שיחות טלפון, ערוצי טלוויזיה, פקסימיליה וקווים להעברת נתוני מחשב באמצעות "אינטלסאט" (Intelsat), רשת לווייני תקשורת גיאוסינכרוניים. בזכות שידורי טלוויזיה ישירים מכל מקום בכדור הארץ, הופכים לווייני אינטלסאט את העולם ל"כפר גלובלי", שבו התרחשות בקצה אחד של העולם מועברת מיידית כמעט אל מקלט הטלוויזיה בקצה האחר של העולם. דוגמאות אלה מלמדות על היקף השימושים של הלוויינים. לרשימה זו מצטרפים עוד לווייני הניטור של שכבת האוזון, שבודקים את הריכוזים המדולדלים בשכבת האוזון של הסטרטוספירה
(ראה "אאוריקה" 1, עמ' 23-20); לווייני "סי סאט" (Sea-Sat) שממפים את האוקיינוסים; לוויין טופקס פוסיידון הצרפתי-אמריקני, שעוקב אחר מפלס פני הים וזרמיו; לווייני הריגולKH11 ו-DSP שעוקבים אחרי שיגורי טילים ביניבשתיים (אלה הלוויינים שהתריעו על שיגורי הסקאדים לישראל במלחמת המפרץ); ולווייני NOAA שמשמשים לחיזוי מזג אוויר ולחיפוש והצלה של אנשים במצוקה על ידי קליטת תשדורות חירום וזיהוי מיקום כלי השייט או המטוס ששידרם.

מקום מיוחד של כבוד שמור ללוויינים המדעיים, המשמשים לחקר כדור הארץ והחלל. כמה מהתגליות המסעירות ביותר באסטרונומיה בשנים האחרונות בוצעו באמצעות לוויינים. לוויין "קוב" (COBE) של נאס"א חוקר את קרינת הרקע (הקרינה הקוסמית הבראשיתית שנותרה מהמפץ הגדול, בו נוצר היקום). קוב מצא אי אחידות זעירה בקרינת הרקע ולימד את המדענים רבות על הרגעים הראשונים שלאחר היווצרות היקום.

"סולר מקס" (Solar Max), לוויין ששוגר על ידי ארצות הברית ב- 80' למטרת חקר השמש, תוקן ב- 84' בחלל באמצעות המעבורת צ'אלנג'ר (שנתיים לפני סופה הטרגי). כיום סולר מקס עוקב אחר פני השמש, אחר מחזוריות כתמי השמש ואחר הסערות המגנטיות שלה. תצלומים באורכי גל שונים של השמש מאפשרים למדענים להתחקות אחר מחזור פעילותה ( 11 שנה) ולזהות בו את נקודות השיא והשפל. ללוויין זה נלווה לאחרונה גם "סוהו" (Soho) האירופי, שחוקר את ההליוספירה ואת השדות המגנטיים של השמש.

לאלה מצטרפים גם הלוויין האסטרונומי למחקר קרינת גמא GRO, ששוגר ב- 91' ושאסף מידע עצום על פליטת קרני גמא מעצמים מרוחקים כמו קוואזרים, פולסארים וכוכבים אחרים, ולוויין סוכנות החלל האירופית ISO, שמבצע מיפוי בקרינה אינפרא אדומה של הגלקסיה שלנו, ושמאתר איזורים בעלי טמפרטורות שונות בערפיליות ובעננים בינכוכביים. אבל הגדול מכולם הוא ללא ספק טלסקופ החלל האבל (HST), שהוצב בחלל באפריל 90'. התמונות המדהימות שמשגר טלסקופ האבל העשירו את הידע האסטרונומי שלנו על המתרחש במערכת השמש ובעמקי היקום. זהו טלסקופ החלל הראשון שהוצב במסלול מעל האטמוספירה (608 ק"מ גובהו), ובכך פתר את בעיות העיוות והזיהום שגורם האוויר לאור המגיע מהכוכבים. לאחר תקלה ראשונית במראה הראשית שלו, שופץ האבל באמצעות מעבורת החלל, וכיום הוא פועל בצורה תקינה. האבל יישאר בחלל לפחות עד 2006, ואז יוחזר לכדור הארץ לתיקונים.


 

הנקודה הישראלית


ישראל היא אחת המדינות החברות במועדון האקסלוסיבי של משגרי הלוויינים. שני לווייני אופק ששוגרו ב- 88' וב- 89' הוכיחו שביכולתנו לשגר ולהציב בחלל לוויינים קטנים. "אופק 1" שוגר בספטמבר 88' במשקל 156 ק"ג, והקיף את כדור הארץ במסלול אליפטי נמוך, עד שנפל ונשרף כעבור כארבעה חודשים. אחיו התאום, "אופק 2", שקל 160 ק"ג, ושוגר לחלל ב- 3 באפריל 90', שם שהה כ- 97 יום. שני הלוויינים נבנו במפעל "מבת" של התעשייה האווירית. הלוויין המבצעי "אופק 3" שוגר בהצלחה ב- 95' ונמצא במסלולו עד היום. בשנה שעברה נכשל ניסיון שיגור של לוויין המחקר "טק סאט" (Tech- Sat), שנבנה במעבדות הטכניון בחיפה על ידי קבוצת מחקר בראשותו של פרופ' גיורא שביב. לוויין זה שוגר על ידי טיל רוסי, אבל עקב תקלה לא הצליח להיכנס למסלול וצנח לקרקע. לוויין מחקר אסטרונומי שתוכנן ונבנה בשיתוף פעולה בין החוג לאסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב וחברת אל אופ מתוכנן לשיגור בקרוב. זהו ה - Tauvex לוויין שנועד לבצע תצפיות אסטרונומיות בתחום העל סגול ולפענח את הספקטרום של אוכלוסיות כוכבים שונות בגלקסיות, של קוואזרים ושל עצמים אחרים ביקום. הוא יינשא על גבי לוויין רוסי גדול יותר, שנקרא SRG. גולת הכותרת עד כה בתחום הלוויינים הישראלים הוא "עמוס", פיתוח ישראלי שמבקש להתחרות בכישוריהם של לוויינים אחרים באיזור: מהר יותר, חזק יותר ובזול יותר!

ניצול חדשני של לוויינים לצורכי הוראה ולימוד מתרחש בימים אלה באוניברסיטה הפתוחה. פרוייקט "אופק" משתמש בלוויינים להוראה אינטראקטיבית מרחוק. מאולפן קטן בבניין מט"ח ברמת אביב מועברים קורסים אקדמיים ל- 20 כיתות לימוד ברחבי הארץ. הסטודנטים צופים במרצה מעל גבי מסך הטלוויזיה ויכולים להתקשר אליו ולשאול שאלות בזמן אמיתי. האוניברסיטה הפתוחה החלה גם בשידורי "אופק" של שיעורים בשפה הרוסית לסטודנטים באוקראינה. פרוייקט אופק מוכיח שאין צורך בקמפוס פיסי, ושבעזרת טכנולוגיה מתקדמת ולווייני תקשורת גם סטודנטים בפריפריה יכולים ליהנות ממרצים מהשורה הראשונה ומשיעורים המנצלים את מיטב טכנולוגיות המולטימדיה. לכניסת ישראל לעידן הלוויין יש השלכות ישירות גם מנקודת מבטו של הצרכן הישראלי. עד סוף שנות ה- 80, לפני פרוץ "מהפכת הכבלים" בארץ, היתה לטלוויזיה תחנת ממסר אחת לתקשורת לוויינית, הלוא היא תחנת עמק האלה, שאנטנות הצלחת הענקיות שלה נראו למרחקים. אלה הן האנטנות שהביאו לבתינו את שידורי המשחקים של מכבי תל אביב מאירופה בימי חמישי ואת תחרויות האירוויזיון הבלתי נשכחות.

החל משנת 90', עם הקמתן של חברות הכבלים, בא הקץ לתלות בתחנה בודדת, כשלכל חברה היה מעתה את מערך אנטנות הקליטה שלה למספר לווייני תקשורת. ההתקדמות הטכנולוגית משנות ה- 70 ועד ימינו איפשרה את מזעורן של אנטנות הקליטה, כך שהיום כבר אין צורך בעמק שטוח ורחב, ודי בשטח הגג של בניין משרדים ממוצע כדי לספק את צורכיה של תחנה כזו. גם השוק הביתי התפתח במקביל, והרבה אנטנות פרטיות מזדקרות מעל גגות בתים משותפים או מותקנות בחצרות בתים. תמורת כמה אלפי דולרים יכול כל אזרח לרכוש אנטנה ביתית ולקלוט שידורי לוויינים כמעט מכל מדינה לפי בחירתו (תלוי בקידוד ובהגנה שמעניקים בעלי הערוצים לתדרי השידור שלהם).


 

לקראת המאה הבאה


כבר בחברה הטכנולוגית של היום לוויינים הם חלק אינטגרלי מחיינו. השימושים המסחריים שלהם עתידים רק להתעצם, ושיגורים "אזרחיים" על ידי חברות פרטיות יהפכו לחיזיון שכיח במאה הבאה. לווייני התקשורת של המאה ה- 21 יחברו ויפתרו את בעיות התקשורת בתוך מדינות העולם השלישי, שם הקמת תשתית לתקשורת רגילה היא בעייתית (בפרט במדינות ענק כמו סין). צלחות לוויין ביתיות פרטיות יהיו בהישג יד של כל אחד, ויאפשרו קליטת אינטרנט וערוצי טלוויזיה מכל מקום בעולם. לווייני מזג האוויר והניטור של האטמוספירה והאוקיינוסים יאפשרו תחזיות רבות ומדויקות יותר, ויספקו אינדיקציה לגבי מצב שכבת האוזון ומיקום הקרחונים בקטבים. לווייני המיפוי והניווט יאפשרו לכל מטייל ישראלי בהרי האנדים לדעת את מיקומו המדויק, ואפילו להתקשר הביתה לאמא.




ביבליוגרפיה:
כותר: כדור הארץ - לווינים סביב לו
מחבר: יאיר, יואב (ד"ר)
תאריך: ספטמבר 2000 , גליון 2
שם כתב העת: אאוריקה : כתב-עת להוראת מדעים וטכנולוגיה
בעלי זכויות : רמות; אוניברסיטת תל אביב
הוצאה לאור: אוניברסיטת תל אביב; רמות
הערות: 1. כתב העת יוצא ביוזמת למדע: מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הערות לפריט זה: יוצא ביזמת למדע - מרכז מורים ארצי להוראת מדע וטכנולוגיה בבתי הספר היסודיים.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית