Svart magi. Det är vad radiofrekvensingenjörer kallar de mystiska krafterna som styr kommunikationen i luften. Dessa krafter involverar komplex fysik och är svåra nog att bemästra på jorden. De blir bara mer förbryllande när du sänder signaler ut i rymden.

Tills nu, formen som valdes för att gjuta denna "magi" har varit den paraboliska skålen. Ju större antennplatta, desto bättre är den på att "fånga" eller sända signaler på långt håll.

Men CubeSats ändrar på det. Dessa rymdskepp är tänkta att vara lätta, billig och extremt liten:de flesta är inte mycket större än en flinglåda. Plötsligt, antenndesigners måste packa sin "svarta magi" i en enhet där det inte finns plats för en maträtt – än mindre mycket annat.

"Det är som att dra en kanin ur en hatt, sa Nacer Chahat, en specialist på antenndesign vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien. "Att krympa storleken på radarn är en utmaning för NASA. Som rymdingenjörer, vi brukar ha mycket volym, så att bygga antenner packade i en liten volym är inget vi är utbildade för att göra."

Utmaning accepterad.

Chahat och hans team har tänjt på gränserna för antenndesigner, och nyligen arbetade med ett CubeSat-team på antennen för Radar In a CubeSat (RainCube), ett teknikdemonstrationsuppdrag planerat att lanseras 2018. RainCubes distinkta antenn ser lite ut som ett paraply stoppat i en jack-in-the-box; när det är öppet, dess revben sträcker sig ut ur en behållare och sprider ut ett gyllene nät.

Som namnet antyder, RainCube kommer att använda radar för att mäta regn och snöfall. CubeSats mäts i steg om 1U (En CubeSat-enhet, eller 1U, motsvarar ungefär en 4-tums kubiklåda, eller 10x10x10 kubikcentimeter). RainCube-antennen måste vara tillräckligt liten för att kunna stoppas i en 1,5U-behållare. Tänk på det som en antenn i en burk, utan extra plats för något annat.

"Stor, utplacerbara antenner som kan stuvas i en liten volym är en nyckelteknologi för radaruppdrag, " sa JPL:s Eva Peral, huvudutredare för RainCube. "De öppnar en ny värld av möjligheter för vetenskapliga framsteg och unika tillämpningar."

För att behålla sin relativt lilla storlek, antennen förlitar sig på högfrekventa, Ka-bandets våglängd – något som fortfarande är ovanligt för NASA CubeSats, men är idealiskt lämpad för RainCube. Men Ka-band har andra användningsområden än radar. Det möjliggör en exponentiell ökning av dataöverföring över långa avstånd, vilket gör det till det perfekta verktyget för telekommunikation.

Ka-band tillåter datahastigheter cirka 16 gånger högre än X-band, den nuvarande standarden på de flesta NASA-rymdfarkoster.

I det avseendet, utvecklingen av RainCubes antenn kan testa användningen av CubeSats mer generellt. Medan de flesta har begränsats till enkla studier i omloppsbana nära jorden, rätt teknik skulle kunna göra det möjligt för dem att användas så långt bort som till Mars eller bortom. Det kan öppna upp CubeSats för en hel rad framtida uppdrag.

"För att möjliggöra nästa steg i CubeSat-utvecklingen, du behöver den här typen av teknik, " sa JPL:s Jonathan Sauder, mekanisk ingenjörsledning för RainCube-antennen.

Chahat togs vidare till RainCube-teamet efter att han arbetat på en annan innovativ antenndesign. MarCO-uppdraget (Mars Cube One) består av ett par Cubesats som har föreslagits att flyga 2018 med NASA:s InSight-landare, som skulle mäta den röda planetens tektonik för första gången. Medan InSight landar, de två MarCO CubeSats skulle vidarebefordra information om landningen tillbaka till jorden. Precis som RainCube, MarCO är i första hand en teknikdemonstration; det skulle testa hur framtida uppdrag kan använda CubeSats för att bära kommunikationsreläer med dem, gör det möjligt för forskare att veta vad som händer på marken mycket snabbare.

MarCO-designen ser inte ut som en typisk antenn. I stället för ett runt fat finns tre platta paneler prickade med reflekterande material. Formen och storleken på dessa prickar bildar koncentriska ringar som efterliknar kurvan för en maträtt. Precis som en maträtt kan, detta mosaikmönster av prickar fokuserar signalen som utstrålas från antennens matning mot jorden.

"Nya tekniker som dessa gör att NASA och JPL kan göra mer med mindre, " sa JPL:s John Baker, programledare för MarCO. "Vi vill göra det möjligt att utforska var som helst vi vill i solsystemet."

Både RainCube och MarCO lyfter fram kreativa lösningar till storleksgränserna för CubeSats. Nästa knep för Chahat och hans kollegor är att kombinera dessa mönster till en ännu större antenn:en reflekterande stråle som sträcker sig 3,3 fot gånger 3,3 fot (1 meter gånger 1 meter) och består av 15 platta paneler. Dessa segmenterade paneler skulle utvecklas som den plana ytan på MarCos, medan antennens matning skulle teleskopera ut som RainCubes antenn. Denna antenn skulle kallas OMERA, förkortning för One Meter Reflectarray.

"Om vi ​​kan utöka tekniken till en meter i storlek, OMERA-antennen kommer att tänja på gränserna för vad som praktiskt taget kan flygas idag på en CubeSat, " sa Tom Cwik, chef för rymdteknik på JPL.

En prototyp av OMERA CubeSat förväntas vara klar i mars 2017.

"OMERAs större array kommer att producera högre förstärkning för telekommunikationstillämpningar, eller kommer att producera smalare strålbredder för geovetenskapliga behov, " sade Chahat. Det betyder att vi skulle kunna ta oss ännu längre ut i rymden och kommer att ha ännu mer kraftfulla och exakta radar."