Små satellitter klar til at yde store bidrag til væsentlig videnskab

Små satellitter, nogle mindre end en skoæske, i øjeblikket kredser omkring 200 miles over Jorden, indsamler data om vores planet og universet. Det er ikke kun deres lille statur, men også deres medfølgende mindre pris, der adskiller dem fra de større kommercielle satellitter, der sender telefonopkald og GPS-signaler rundt om i verden, for eksempel. Disse SmallSats er klar til at ændre den måde, vi laver videnskab på fra rummet. Deres billigere pris betyder, at vi kan lancere flere af dem, giver mulighed for konstellationer af samtidige målinger fra forskellige visningssteder flere gange om dagen – en mængde data, som ville være omkostningskrævende med traditionelle, større platforme.

Kaldet SmallSats, disse enheder kan variere fra størrelsen af ​​store køkkenkøleskabe ned til størrelsen af ​​golfbolde. Nanosatellitter er i den mindre ende af spektret, vejer mellem et og 10 kg og er i gennemsnit på størrelse med et brød.

Fra 1999, professorer fra Stanford og California Polytechnic universiteter etablerede en standard for nanosatellitter. De udtænkte et modulært system, med nominelle enheder (1U terninger) på 10x10x10 centimeter og 1 kg vægt. CubeSats vokser i størrelse ved agglomereringen af ​​disse enheder – 1,5U, 2U, 3U, 6U og så videre. Da CubeSats kan bygges med kommercielle hyldedele, deres udvikling gjorde rumudforskning tilgængelig for mange mennesker og organisationer, især studerende, gymnasier og universiteter. Øget adgang tillod også forskellige lande – herunder Colombia, Polen, Estland, Ungarn, Rumænien og Pakistan – at opsende CubeSats som deres første satellitter og være pionerer i deres rumudforskningsprogrammer.

Initial CubeSats blev designet som uddannelsesværktøjer og teknologiske proofs-of-concept, demonstrere deres evne til at flyve og udføre nødvendige operationer i det barske rummiljø. Som alle rumfarere, de skal kæmpe med vakuumforhold, kosmisk stråling, brede temperaturudsving, høj hastighed, atomær oxygen og mere. Med næsten 500 lanceringer til dato, de har også udtrykt bekymring over den stigende mængde "rumskrot", der kredser om Jorden, især da de er næsten inden for rækkevidde for hobbyfolk. Men efterhånden som disse nanosatellitters evner øges, og deres mulige bidrag vokser, de har fortjent deres egen plads i rummet.

Fra proof of concept til videnskabelige applikationer

Når man tænker på kunstige satellitter, vi er nødt til at skelne mellem selve rumfartøjet (ofte kaldet "satellitbussen") og nyttelasten (normalt et videnskabeligt instrument, kameraer eller aktive komponenter med meget specifikke funktioner). Typisk, størrelsen af ​​et rumfartøj bestemmer, hvor meget det kan bære og fungere som en videnskabelig nyttelast. Efterhånden som teknologien forbedres, små rumfartøjer bliver mere og mere i stand til at understøtte flere og mere sofistikerede instrumenter.

Disse avancerede nanosatellit-nyttelaster betyder, at SmallSats er vokset op og nu kan hjælpe med at øge vores viden om Jorden og universet. Denne revolution er godt i gang; mange statslige organisationer, private virksomheder og fonde investerer i design af CubeSat-busser og nyttelast, der har til formål at besvare specifikke videnskabelige spørgsmål, dækker en bred vifte af videnskaber, herunder vejr og klima på Jorden, rumvejr og kosmiske stråler, planetarisk udforskning og meget mere. De kan også fungere som stifindere for større og dyrere satellitmissioner, der vil løse disse spørgsmål.

Jeg leder et team her på University of Maryland, Baltimore County, der samarbejder om et videnskabsfokuseret CubeSat-rumfartøj. Vores Hyper Angular Rainbow Polarimeter (HARP) nyttelast er designet til at observere interaktioner mellem skyer og aerosoler - små partikler såsom forurening, støv, havsalt eller pollen, suspenderet i jordens atmosfære. HARP er klar til at blive det første amerikanske billeddannende polarimeter i rummet. Det er et eksempel på den slags avancerede videnskabelige instrument, det ikke ville have været muligt at proppe på en lille CubeSat i deres tidlige dage.

Finansieret af NASA's Earth Science Technology Office, HARP vil køre på CubeSat-rumfartøjet udviklet af Utah State Universitys Space Dynamics Lab. At bryde traditionen med at bruge hyldevaredele til CubeSat-nyttelast, HARP-teamet har valgt en anden tilgang. Vi har optimeret vores instrument med specialdesignede og specialfremstillede dele, der er specialiseret til at udføre den delikate multi-vinkel, multispektrale polariseringsmålinger krævet af HARPs videnskabelige mål.

HARP er i øjeblikket planlagt til opsendelse i juni 2017 til den internationale rumstation. Kort efter vil den blive frigivet og blive en fuldstændig autonom, satellit til indsamling af data.

SmallSats – stor videnskab

HARP er designet til at se, hvordan aerosoler interagerer med de vanddråber og ispartikler, der udgør skyerne. Aerosoler og skyer er dybt forbundne i Jordens atmosfære – det er aerosolpartikler, der danner skydråber og tillader dem at vokse til skyer, der til sidst slipper deres nedbør.

Denne indbyrdes afhængighed indebærer, at ændring af mængden og typen af ​​partikler i atmosfæren, via luftforurening, vil påvirke typen, skyernes størrelse og levetid, samt hvornår nedbøren begynder. Disse processer vil påvirke Jordens globale vandkredsløb, energibalance og klima.

Når sollys interagerer med aerosolpartikler eller skydråber i atmosfæren, det spredes i forskellige retninger afhængigt af størrelsen, form og sammensætning af det, den stødte på. HARP vil måle det spredte lys, der kan ses fra rummet. Vi vil være i stand til at drage slutninger om mængder af aerosoler og størrelser af dråber i atmosfæren, og sammenligne rene skyer med forurenede skyer.

I princippet, HARP-instrumentet ville have mulighed for at indsamle data dagligt, dækker hele kloden; på trods af sin ministørrelse ville den indsamle enorme mængder data til jordobservation. Denne type kapacitet er uden fortilfælde i en lille satellit og peger på fremtiden for billigere, hurtigere at implementere pathfinder-forløbere til større og mere komplekse missioner.

HARP er et af flere programmer, der i øjeblikket er i gang, der udnytter fordelene ved CubeSats til videnskabelig dataindsamling. NASA, universiteter og andre institutioner udforsker ny jordvidenskabelig teknologi, Jordens strålingscyklus, Jordens mikrobølgeemission, isskyer og mange andre videnskabelige og tekniske udfordringer. Senest er MIT blevet finansieret til at lancere en konstellation af 12 CubeSats kaldet TROPICS for at studere nedbør og stormintensitet i Jordens atmosfære.

For nu, størrelsen har stadig betydning

Men CubeSats natur begrænser stadig den videnskab, de kan udføre. Begrænsninger i magt, opbevaring og, mest vigtigt, evnen til at sende informationen tilbage til Jorden hæmmer vores evne til kontinuerligt at køre vores HARP-instrument inden for en CubeSat-platform.

Så som en anden del af vores indsats, vi vil observere, hvordan HARP gør, når den foretager sine videnskabelige observationer. Her på UMBC har vi oprettet Center for Jord- og Rumstudier for at studere, hvor godt små satellitter klarer sig til at besvare videnskabelige spørgsmål vedrørende jordsystemer og rum. Det er her HARPs rådata vil blive konverteret og fortolket. Ud over at besvare spørgsmål om sky/aerosol-interaktioner, det næste mål er at bestemme, hvordan man bedst bruger SmallSats og andre teknologier til jord- og rumvidenskabelige applikationer. At se, hvad der virker, og hvad der ikke gør, vil hjælpe med at informere større rummissioner og fremtidige operationer.

SmallSat-revolutionen, boostet af populær adgang til rummet via CubeSats, haster nu mod den næste revolution. Den næste generation af nanosatellit-nyttelaster vil fremme videnskabens grænser. De vil måske aldrig erstatte behovet for større og mere kraftfulde satellitter, men NanoSats vil fortsætte med at udvide deres egen rolle i det igangværende kapløb om at udforske Jorden og universet.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.