En æske med sort magi til at studere Jorden fra rummet

Sort magi. Det er, hvad radiofrekvensingeniører kalder de mystiske kræfter, der styrer kommunikation i luften. Disse kræfter involverer kompleks fysik og er svære nok at mestre på Jorden. De bliver kun mere forvirrende, når du sender signaler ud i rummet.

Indtil nu, den valgte form til støbning af denne "magi" har været den parabolske skål. Jo større antenneskål, jo bedre er den til at "fange" eller sende signaler langvejs fra.

Men CubeSats ændrer på det. Disse rumfartøjer er beregnet til at være lette, billig og ekstremt lille:de fleste er ikke meget større end en kornkasse. Pludselig, antennedesignere er nødt til at pakke deres "sorte magi" ind i en enhed, hvor der ikke er plads til en parabol – endsige meget andet.

"Det er som at trække en kanin op af en hat, " sagde Nacer Chahat, en specialist i antennedesign ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californien. "At skrumpe størrelsen af ​​radaren er en udfordring for NASA. Som rumingeniører, vi har normalt masser af volumen, så at bygge antenner pakket i et lille volumen er ikke noget, vi er trænet til at gøre."

Udfordring accepteret.

Chahat og hans team har rykket grænserne for antennedesign, og for nylig arbejdede med et CubeSat-team på antennen til Radar In a CubeSat (RainCube), en teknologidemonstrationsmission, der er planlagt til lancering i 2018. RainCubes karakteristiske antenne ligner lidt en paraply, der er stoppet i en jack-in-the-box; når den er åben, dens ribben strækker sig ud af en dåse og spreder et gyldent net.

Som navnet antyder, RainCube vil bruge radar til at måle regn og snefald. CubeSats måles i intervaller på 1U (En CubeSat-enhed, eller 1U, svarer nogenlunde til en 4-tommer kubikkasse, eller 10x10x10 kubikcentimeter). RainCube-antennen skal være lille nok til at blive pakket ind i en 1,5U-beholder. Tænk på det som en antenne i en dåse, uden plads til andet.

"Stor, Deployerbare antenner, der kan opbevares i et lille volumen, er en nøgleteknologi til radarmissioner, " sagde JPL's Eva Peral, hovedefterforsker for RainCube. "De åbner et nyt område af muligheder for videnskabelige fremskridt og unikke applikationer."

For at bevare sin relativt lille størrelse, antennen er afhængig af højfrekvensen, Ka-bånds bølgelængde - noget, der stadig er sjældent for NASA CubeSats, men er ideel til RainCube. Men Ka-band har andre anvendelser udover radar. Det giver mulighed for en eksponentiel stigning i dataoverførsel over lange afstande, gør det til det perfekte værktøj til telekommunikation.

Ka-bånd tillader datahastigheder omkring 16 gange højere end X-bånd, den nuværende standard på de fleste NASA-rumfartøjer.

I den forstand udviklingen af ​​RainCubes antenne kan teste brugen af ​​CubeSats mere generelt. Mens de fleste har været begrænset til simple undersøgelser i kredsløb nær Jorden, den rigtige teknologi kunne give dem mulighed for at blive brugt så langt væk som til Mars eller længere væk. Det kan åbne CubeSats for en lang række fremtidige missioner.

"For at aktivere det næste trin i CubeSat-evolutionen, du har brug for denne form for teknologi, " sagde JPL's Jonathan Sauder, mekanisk ingeniørledning til RainCube-antennen.

Chahat blev bragt videre til RainCube-teamet, efter at han arbejdede på et andet innovativt antennedesign. MarCO (Mars Cube One)-missionen består af et par Cubesats, der er blevet foreslået at flyve i 2018 med NASAs InSight-lander, som ville måle den røde planets tektonik for første gang. Mens InSight rører ned, de to MarCO CubeSats ville videresende information om landingen tilbage til Jorden. Ligesom RainCube, MarCO er primært en teknologidemonstration; det ville teste, hvordan fremtidige missioner kunne bruge CubeSats til at bære kommunikationsrelæer med dem, gør det muligt for forskere at vide, hvad der sker på jorden meget hurtigere.

MarCO-designet ligner ikke en typisk antenne. I stedet for et rundt fad er tre flade paneler oversået med reflekterende materiale. Formen og størrelsen af ​​disse prikker danner koncentriske ringe, der efterligner kurven af ​​et fad. Ligesom en ret kan, dette mosaikmønster af prikker fokuserer signalet, der udstråles fra antennens feed mod Jorden.

"Nye teknologier som disse gør det muligt for NASA og JPL at gøre mere med mindre, " sagde JPLs John Baker, programleder for MarCO. "Vi vil gøre det muligt at udforske hvor som helst vi vil i solsystemet."

Både RainCube og MarCO fremhæver kreative løsninger til størrelsesgrænserne for CubeSats. Det næste trick for Chahat og hans kolleger vil være at kombinere disse designs til en endnu større antenne:en reflektor, der strækker sig 3,3 fod gange 3,3 fod (1 meter gange 1 meter) og består af 15 flade paneler. Disse segmenterede paneler ville folde sig ud som den flade overflade på MarCo's, mens antennens feed ville teleskopere ud som RainCubes antenne. Denne antenne ville blive kaldt OMERA, en forkortelse for One Meter Reflectarray.

"Hvis vi kan udvide teknologien til en meter i størrelse, OMERA-antennen vil skubbe grænserne for, hvad der praktisk talt kan flyves i dag på en CubeSat, " sagde Tom Cwik, chef for rumteknologi hos JPL.

En prototype af OMERA CubeSat forventes at være klar i marts 2017.

"OMERAs større array vil producere højere forstærkning til telekommunikationsapplikationer, eller vil producere smallere strålebredder til jordvidenskabelige behov, " sagde Chahat. Det betyder, at vi ville være i stand til at vove os endnu længere ud i det dybe rum og vil have endnu mere kraftfulde og præcise radarer."