CuPID CubeSat vil få nyt perspektiv på Sun-Earth-grænsen

Når du hjælper med at bygge en satellit på størrelse med en skoæske, du lærer stort set alt om det, siger Emil Atz, en ph.d. kandidat i maskinteknik ved Boston University. Du lærer, hvordan du skriver et forslag til finansiering af det, hvordan man placerer skruerne, der holder det sammen, hvordan man tester hvert instrument for at sikre, at det fungerer korrekt.

Og så lærer du at sige farvel.

"Det er en skræmmende følelse, arbejdet på et stykke hardware på fuld tid i fire år, og derefter sætte den ind i raketudløseren for aldrig at se den igen, " sagde Atz. "Jeg ville ikke lukke døren."

Denne september, en raket vil opsendes fra Vandenberg Space Force Base i Californien, medbringer Landsat 9, en fælles mission af NASA og U.S. Geological Survey. Raketten vil også bære fire CubeSats-kompakte, kasseformede satellitter, der bruges til rumforskningsprojekter.

Sammenlignet med standardsatellitter, CubeSats er billige at lancere. Ligesom når venner deler en taxapris, bittesmå satellitter kan tage en tur på raketter, der bærer adskillige andre missioner, reducere omkostningerne for hver.

En af de CubeSats, der lanceres med Landsat 9, er Cusp Plasma Imaging Detector, eller CuPID. Ikke større end et brød og heller ikke tungere end en vandmelon, CuPID har et stort arbejde. Fra kredsløb omkring 340 miles (550 kilometer) over Jordens overflade, lille CuPID vil afbilde grænsen, hvor Jordens magnetfelt interagerer med Solens.

Atz er en del af et team af samarbejdspartnere fra NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, Boston University, Drexel University, Johns Hopkins University, Merrimack College, Aerospace Corporation, og University of Alaska, Fairbanks, der gjorde CuPID muligt.

På en mission

Fremstillet af Jordens magnetfelt, magnetosfæren er en beskyttende boble, der omgiver vores planet. "Det meste af tiden, vi er ret godt beskyttet mod solens aktivitet, når energi og partikler fra solen går rundt om jorden, " sagde Brian Walsh, assisterende professor i maskinteknik ved Boston University og CuPID's hovedefterforsker.

Men når solen er aktiv nok, dets magnetfelt kan smelte sammen med Jordens i en proces, der kaldes magnetisk genforbindelse. Jordens magnetosfære ændrer form og solstråling kommer sive mod os, potentielt kan bringe satellitter og astronauter i fare.

"Med CuPID, vi vil vide, hvordan grænsen for Jordens magnetfelt ser ud, og forstå hvordan og hvorfor energi nogle gange kommer ind, " sagde Walsh.

Mens missioner som NASAs Magnetospheric Multiscale eller MMS-mission flyver gennem magnetiske genforbindelsesbegivenheder for at se dem i mikroskala, CuPID søger en makrovisning. Ved hjælp af et bredt synsfelt, blødt røntgenkamera, CuPID observerer lavere energi, eller "blød, "Røntgenstråler udsendes, når solpartikler kolliderer med Jordens magnetosfære.

Det var ikke let at bygge det kamera. Røntgenstråler bøjes ikke så let som synligt lys, så de er meget sværere at fokusere. Plus, at afbilde Jordens magnetiske grænse, mens den kredser om Jorden, er som at sidde på forreste række af en biograf – så tæt på, det er svært at se det fulde billede. Et passende kamera skal bygges specielt til at fange et bredt synsfelt fra relativt tæt på.

For seksten år siden, et hold af videnskabsmænd, ingeniører, teknikere og studerende på Goddard og Wallops Flight Facility på Wallops Island, Virginia begyndte at arbejde på en prototype. I stedet for at bøje lyset, deres kamera reflekterede eller "studsede" røntgenstrålerne i fokus, passerer dem gennem et gitter af tætpakkede kanaler, der er arrangeret for at give det et bredt udsyn.

I 2012 Dr. Michael R. Collier, der ledede Goddard-bidraget til CuPID, og Goddard-kolleger Dr. David G. Sibeck og Dr. F. Scott Porter, testede kameraet i rummet for første gang ombord på DXL-lydraketten.

"Det var så vellykket, at vi straks begyndte at arbejde på måder at miniaturisere det og sætte det ind i en CubeSat, " sagde Collier.

I 2015 en forgænger til CuPID fløj på en anden klingende raketflyvning. Kort efter, projektet blev udvalgt af NASA til at bringe den fulde satellit med flyelektronik til virkelighed. Studerende og videnskabsmænd har arbejdet på CuPID lige siden.

Høj risiko, høj belønning

Indtil California Polytechnic State University udviklede den første CubeSat i 1999, de fleste satellitter var på størrelse med biler eller busser og kostede hundredvis af millioner af dollars at udvikle og opsende, sagde Walsh. Disse høje omkostninger afskrækkede risikovillighed. Hvis en ny, eksperimentelt værktøj mislykkedes, store beløb ville gå tabt.

"Det oprindelige mål med CubeSats var at være lavere omkostninger, muliggør demokratisering af rummet, " sagde Collier. Lavere omkostninger betyder mere plads til eksperimentering og innovation.

"De er i højere risiko, men også højere belønning, " sagde Walsh.

Udbredelsen af ​​små, eksperimentelle satellitmissioner har skabt flere muligheder for studerende til at blive involveret i praktiske ingeniørprojekter.

I sit første år som maskiningeniørstuderende ved Boston University, Jacqueline Bachrach, et selvbeskrevet "rumbarn, " tilmeldte sig Walsh's Introduktion til Rocketry-kursus. Kort efter, hun sluttede sig til hans laboratorium og har siden påtaget sig en vigtig rolle i CuPID-missionen.

"Jeg har lært en masse vigtige færdigheder, som jeg i sidste ende kan anvende til andre missioner, sagde Bachrach, nu junior. "Alle på projektet har så meget viden, som de er villige til at dele. Det har været en utrolig værdifuld oplevelse, især for en bachelor."

Rejsen forude

Holdet forbereder sig allerede på CuPIDs indsigt i mysterierne bag magnetisk genforbindelse.

Atz siger, at han er ivrig efter at få første kontakt med satellitten, når den er i rummet, og begynde at overføre data. Det vil eleverne være involveret i, også. Han og Walsh er begyndt at træne flere bachelorstuderende, inklusive Bachrach, at spore satellittens helbred og fortolke dens data fra kredsløb.

"Med en stor mission, du får ikke mange muligheder for, at eleverne har en tung hånd med at bidrage, " sagde Atz. "Med CuPID, studerende har været involveret næsten hvert trin på vejen."

Til de mange studerende og videnskabsmænd, der er involveret i CuPID's mere end 15 års udvikling, den mest spændende del er endnu ikke kommet.