Den ekstreme teknologi, der transformerer rumteknologi

I år er det 50-året for den første Apollo-månelanding. Dette var muligt takket være en ekstraordinær acceleration af rumteknologi. Inden for en bemærkelsesværdig kort periode op til begivenheden, ingeniører havde mestret raketfremdrift, on-board computing og rumoperationer, delvist takket være et stort set ubegrænset budget.

Siden disse heroiske bestræbelsers dage, rumteknik er modnet til en række indbyrdes forbundne teknologier, der leverer spændende nye rumvidenskabelige missioner, en brandslange af jordobservationsdata og et netværk af globale kommunikations- og navigationstjenester. Vi kan nu lande sonder på kometer og skimte længere tilbage i tiden end nogensinde før. Men hvad med fremtiden – hvilke nye teknologier kan hjælpe med at transformere rumsektoren i de næste par årtier og hvordan?

En lovende vej i de sidste par år har været at skalere op og ned rumteknologi. Gennem et nyligt lanceret ti-årigt forskningsprogram støttet af Royal Academy of Engineering, vores gruppe begynder at udforske yderligere muligheder i de yderste ender af rumfartøjets længdeskalaer. Vi mener, at dette er en underudforsket region for missionsdesign, der kan generere nye ideer til fremtiden.

Miniaturisering

Miniaturisering af teknologi har muliggjort en række rumfartøjsstørrelser, såsom de 100 kg små satellitter, der bruges til Disaster Monitoring Constellation, som består af en koordineret gruppe af individuelle satellitter. Der er endda kompakte 30x10x10cm CubeSats, satellitter, der vejer et par kilogram, som kan bære en række forskellige nyttelaster. Disse bruges ofte til jordobservation eller til at udføre billige videnskabelige eksperimenter, da et stort antal af dem kan opsendes som sekundære nyttelaster sammen med større satellitter.

Vi sigter mod at trappe ned inden for rumteknologi med mindst en størrelsesorden i skala. Dette ville starte med en 3x3 cm printkort (PCB) satellit, og så til endnu mere kompakte enheder. Demonstrationer i kredsløb af sådanne satellitter er allerede blevet gennemført. Tag for eksempel Sprite-enheden, der kun vejer fire gram trods prale af sensorer, kommunikation, og indbygget databehandling.

Disse enheder er allerede blevet monteret på ydersiden af ​​den internationale rumstation. Og for nylig implementerede KickSat-2-missionen 105 Sprite-enheder, koster under 100 USD hver, i kredsløb om Jorden. Signaler blev modtaget fra enhederne dagen efter deployering - hvilket vækker håb om, at sådanne enheder en dag kunne udføre nye opgaver i rummet.

Vores mål er at bygge fritflyvende enheder, som kan styre deres orientering og kredsløb i rummet. Dette vil give os mulighed for at implementere store sværme af sensorer, som kan bruges til distribuerede sensornetværk – hvilket muliggør realtid, storstilet dataindsamling inklusive rumvejrovervågning. Ser på fremtiden, selv mindre enheder kan føre til meget integrerede, masseproducerede satellitter på en enkelt siliciumwafer.

En spændende mulighed er at forvandle sådanne bittesmå rumfartøjer til rumskibe ved at koble dem med store lette sejl – nå andre solsystemer om et par årtier for at studere dem tæt på. De kunne også bruges til at give gennemgribende sansning i nærheden af ​​kometer eller asteroider.

Massiv struktur

I den anden ende af størrelsesspektret, der er også fremskridt. Store 30 meter deployerbare bomme er allerede i brug på den internationale rumstation til at understøtte dens solpaneler. Her, vores mål er at øge mindst en størrelsesorden igen ved at lave store, letvægtsstrukturer i kredsløb. Dette kunne gøres ved at tilpasse 3-D printteknologi til at arbejde i vakuum og mikrotyngdekraft. Vi mener, at denne tilgang kan muliggøre fremstilling af ultrastore antenner, strømfangere eller solreflektorer.

Men hvorfor har vi brug for sådanne strukturer? Tag sagen med James Webb Space Telescope, som snart skal erstatte det enormt succesfulde Hubble-rumteleskop. Den har et stort primært spejl, der er beskyttet mod solen af ​​et skjold på størrelse med en professionel tennisbane. For at passe denne teknologi ind i en Ariane 5 raket, både det primære spejl og solafskærmningen består af udfoldelige segmenter. Disse kræver så en kompleks sekvens af individuelle udgivelser for at skyde på stikord én gang i rummet – eller risikerer at mislykkes med missionen.

Evnen til at fremstille store, letvægtsstrukturer direkte i kredsløb kan have en enorm indflydelse på rumteknologi, komme uden om den risikable forhindring med at opsende sarte strukturer fra jorden. For eksempel, hvis strukturelt støttemateriale kan printes direkte på reflekterende membraner i en kontinuerlig fremstillingsproces, så kunne vi lave ultrastore reflekser, potentielt flere hundrede meter på tværs.

I polar kredsløb, sådanne reflektorer kan bruges til at belyse fremtidige jordbaserede solenergifarme ved daggry og skumringstid, når deres output er lavt, men efterspørgslen og spotpriserne er høje. Dette ville være en helt ny klasse af rumtjeneste, hvor produktet er energi frem for information.

Det kunne også bruges til at reflektere lys for at skabe solvarmeenergi i industriel skala til at behandle materiale genvundet fra asteroider nær Jorden. For eksempel, en reflektor med en radius på 500 meter opfanger, hvad der svarer til 1 GW termisk effekt - svarende til outputtet fra et typisk kraftværk på Jorden.

Bagevand fra asteroider er en særlig lovende vej, da det kan hjælpe os med at fremstille drivmiddel i rummet. Solar-genereret elektricitet kunne bruges til at knække vandet til brint og ilt og bruge dem som brændstof. Når de kombineres og antændes, vil de brænde, producerer tryk for at drive et rumfartøj fremad. I fremtiden, fremstilling af drivgas i kredsløb kan reducere omkostningerne ved fremtidige menneskelige rumprojekter ved at undgå behovet for at trække brændstof hele vejen fra jordens overflade til rummet.

Mens Apollo var et eksempel på ingeniørkunst i en virkelig heroisk skala, fremtidige rumprojekter kan være lige så spændende, og kan levere varige samfundsmæssige fordele ud over flag og fodspor.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.