Små satelliter, några mindre än en skokartong, för närvarande kretsar runt 200 miles över jorden, samla in data om vår planet och universum. Det är inte bara deras lilla kroppsbyggnad utan också deras medföljande lägre kostnad som skiljer dem från de större kommersiella satelliterna som strålar ut telefonsamtal och GPS-signaler runt om i världen, till exempel. Dessa SmallSats är redo att förändra sättet vi gör vetenskap från rymden. Deras billigare prislapp betyder att vi kan lansera fler av dem, möjliggör konstellationer av samtidiga mätningar från olika visningsplatser flera gånger om dagen – en mängd data som skulle vara kostnadsöverkomlig med traditionella, större plattformar.

Kallas SmallSats, dessa enheter kan variera från storleken på stora kökskylskåp ner till storleken på golfbollar. Nanosatelliter finns i den mindre änden av spektrumet, väger mellan ett och 10 kilo och är i genomsnitt lika stor som ett bröd.

Från och med 1999, professorer från Stanford och California Polytechnic university etablerade en standard för nanosatelliter. De tog fram ett modulärt system, med nominella enheter (1U kuber) på 10x10x10 centimeter och 1 kg vikt. CubeSats växer i storlek genom agglomereringen av dessa enheter – 1,5U, 2U, 3U, 6U och så vidare. Eftersom CubeSats kan byggas med kommersiella hylldelar, deras utveckling gjorde rymdutforskning tillgänglig för många människor och organisationer, särskilt studenter, högskolor och universitet. Ökad tillgång tillät också olika länder – inklusive Colombia, Polen, Estland, Ungern, Rumänien och Pakistan – att skjuta upp CubeSats som sina första satelliter och banbryta deras rymdutforskningsprogram.

Initial CubeSats designades som utbildningsverktyg och tekniska proof-of-concept, demonstrerar sin förmåga att flyga och utföra nödvändiga operationer i den tuffa rymdmiljön. Som alla rymdfarare, de måste brottas med vakuumförhållanden, kosmisk strålning, breda temperatursvängningar, hög hastighet, atomärt syre och mer. Med nästan 500 lanseringar hittills, de har också väckt oro över den ökande mängden "rymdskräp" som kretsar runt jorden, speciellt som de kommer nästan inom räckhåll för hobbyister. Men när kapaciteten hos dessa nanosatelliter ökar och deras möjliga bidrag växer, de har förtjänat sin egen plats i rymden.

Från proof of concept till vetenskapliga tillämpningar

När man tänker på konstgjorda satelliter, vi måste göra en skillnad mellan själva rymdfarkosten (ofta kallad "satellitbussen") och nyttolasten (vanligtvis ett vetenskapligt instrument, kameror eller aktiva komponenter med mycket specifika funktioner). Vanligtvis, storleken på en rymdfarkost avgör hur mycket den kan bära och fungera som en vetenskapsnyttolast. När tekniken förbättras, små rymdfarkoster blir mer och mer kapabla att stödja allt mer sofistikerade instrument.

Dessa avancerade nanosatellitnyttolaster betyder att SmallSats har vuxit upp och kan nu bidra till att öka vår kunskap om jorden och universum. Denna revolution är på god väg; många statliga organisationer, privata företag och stiftelser investerar i designen av CubeSat-bussar och nyttolaster som syftar till att svara på specifika vetenskapliga frågor, som täcker ett brett spektrum av vetenskaper inklusive väder och klimat på jorden, rymdväder och kosmiska strålar, planetarisk utforskning och mycket mer. De kan också fungera som sökvägar för större och dyrare satellituppdrag som kommer att ta itu med dessa frågor.

Jag leder ett team här på University of Maryland, Baltimore County som samarbetar om en vetenskapsfokuserad CubeSat-rymdfarkost. Vår Hyper Angular Rainbow Polarimeter (HARP) nyttolast är designad för att observera interaktioner mellan moln och aerosoler – små partiklar som föroreningar, damm, havssalt eller pollen, svävande i jordens atmosfär. HARP är redo att bli den första amerikanska avbildningspolarimetern i rymden. Det är ett exempel på den typ av avancerade vetenskapliga instrument som det inte skulle ha varit möjligt att klämma på en liten CubeSat i sina tidiga dagar.

Finansierat av NASA:s Earth Science Technology Office, HARP kommer att åka på rymdfarkosten CubeSat som utvecklats av Utah State Universitys Space Dynamics Lab. Att bryta traditionen att använda konsumentprodukter från hyllan för CubeSat-nyttolaster, HARP-teamet har tagit ett annat tillvägagångssätt. Vi har optimerat vårt instrument med specialdesignade och specialtillverkade delar som är specialiserade för att utföra den känsliga multivinkeln, multispektrala polarisationsmätningar som krävs av HARP:s vetenskapsmål.

HARP är för närvarande planerad att lanseras i juni 2017 till den internationella rymdstationen. Kort därefter kommer den att släppas och bli en helt autonom, satellit för datainsamling.

SmallSats – stor vetenskap

HARP är designad för att se hur aerosoler interagerar med vattendroppar och ispartiklar som utgör molnen. Aerosoler och moln är djupt förbundna i jordens atmosfär – det är aerosolpartiklar som sådd molndroppar och låter dem växa till moln som så småningom tappar sin nederbörd.

Detta ömsesidiga beroende innebär att modifiering av mängden och typen av partiklar i atmosfären, via luftföroreningar, kommer att påverka typen, molnens storlek och livslängd, samt när nederbörden börjar. Dessa processer kommer att påverka jordens globala vattencykel, energibalans och klimat.

När solljus interagerar med aerosolpartiklar eller molndroppar i atmosfären, den sprids åt olika håll beroende på storleken, form och sammansättning av vad den mötte. HARP kommer att mäta det spridda ljuset som kan ses från rymden. Vi kommer att kunna dra slutsatser om mängden aerosoler och storleken på dropparna i atmosfären, och jämför rena moln med förorenade moln.

I princip, HARP-instrumentet skulle ha förmågan att samla in data dagligen, täcker hela jordklotet; trots sin ministorlek skulle den samla in enorma mängder data för jordobservation. Denna typ av kapacitet saknar motstycke i en liten satellit och pekar på framtiden för billigare, snabbare att distribuera pathfinder föregångare till större och mer komplexa uppdrag.

HARP är ett av flera program som för närvarande pågår som utnyttjar fördelarna med CubeSats för insamling av vetenskaplig data. NASA, universitet och andra institutioner utforskar ny geovetenskaplig teknik, Jordens strålningscykel, Jordens mikrovågsutsläpp, ismoln och många andra vetenskaps- och ingenjörsutmaningar. Senast har MIT finansierats för att lansera en konstellation av 12 CubeSats som kallas TROPICS för att studera nederbörd och stormintensitet i jordens atmosfär.

Tills vidare, storleken spelar fortfarande roll

Men CubeSats natur begränsar fortfarande vetenskapen de kan göra. Begränsningar i makt, förvaring och, viktigast, förmågan att överföra informationen tillbaka till jorden hindrar vår förmåga att kontinuerligt köra vårt HARP-instrument inom en CubeSat-plattform.

Så som en annan del av vår ansträngning, vi kommer att observera hur HARP gör när den gör sina vetenskapliga observationer. Här på UMBC har vi skapat Center for Earth and Space Studies för att studera hur bra små satelliter gör på att svara på vetenskapliga frågor om jordsystem och rymden. Det är här HARP:s rådata kommer att konverteras och tolkas. Förutom att svara på frågor om moln/aerosolinteraktioner, nästa mål är att avgöra hur man bäst använder SmallSats och andra teknologier för jord- och rymdvetenskap. Att se vad som fungerar och vad som inte fungerar hjälper till att informera större rymduppdrag och framtida operationer.

SmallSat-revolutionen, förstärkt av populär tillgång till rymden via CubeSats, rusar nu mot nästa revolution. Nästa generation av nanosatellitnyttolaster kommer att flytta fram vetenskapens gränser. De kommer kanske aldrig att ersätta behovet av större och kraftfullare satelliter, men NanoSats kommer att fortsätta att utöka sin egen roll i det pågående kapplöpningen för att utforska jorden och universum.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.