Konstnärens intryck av NanoSail D-satelliten i omloppsbana med solsegel. Kredit:NASA
I år är det 50 år sedan den första Apollo-månlandningen. Detta var möjligt tack vare en extraordinär acceleration av rymdteknik. Inom en anmärkningsvärt kort tid fram till evenemanget, ingenjörer hade bemästrat raketframdrivning, inbyggd datoranvändning och rymdoperationer, delvis tack vare en i princip obegränsad budget.
Sedan dessa heroiska ansträngningars dagar, rymdteknik har mognat till en serie sammankopplade teknologier som levererar spännande nya rymdforskningsuppdrag, en brandslang med jordobservationsdata och ett nätverk av globala kommunikations- och navigeringstjänster. Vi kan nu landa sonder på kometer och skymta längre tillbaka i tiden än någonsin tidigare. Men hur är det med framtiden – vilka nya tekniker kan hjälpa till att förändra rymdsektorn under de närmaste decennierna och hur?
En lovande väg under de senaste åren har varit att skala upp och ner rymdtekniken. Genom ett nyligen lanserat tioårigt forskningsprogram som stöds av Royal Academy of Engineering, vår grupp börjar utforska ytterligare möjligheter i de yttersta ändarna av rymdfarkosternas längdskalor. Vi tror att detta är en underutforskad region för uppdragsdesign som kan generera nya idéer för framtiden.
Miniatyrisering
Miniatyrisering av teknik har möjliggjort en rad olika storlekar av rymdfarkoster, som de 100 kg små satelliterna som används för katastrofövervakningskonstellationen, som består av en samordnad grupp av individuella satelliter. Det finns till och med kompakta 30x10x10cm CubeSats, satelliter som väger några kilo, som kan bära en rad olika nyttolaster. Dessa används ofta för jordobservation eller för att genomföra lågkostnadsvetenskapliga experiment, eftersom ett stort antal av dem kan skjutas upp som sekundära nyttolaster tillsammans med större satelliter.
Vi siktar på att trappa ner inom rymdteknik med minst en storleksordning i skala. Detta skulle börja med en 3x3 cm printad kretskort (PCB) satellit, och sedan till ännu mer kompakta enheter. Demonstrationer i omloppsbana av sådana satelliter har redan genomförts. Ta till exempel Sprite-enheten som bara väger fyra gram trots sensorer, kommunikation, och databehandling ombord.
CubeSat i handen. Kredit:wikipedia, CC BY-SA
Dessa enheter har redan monterats på utsidan av den internationella rymdstationen. Och nyligen distribuerade KickSat-2-uppdraget 105 Sprite-enheter, kostar under 100 USD styck, i omloppsbana om jorden. Signaler mottogs från enheterna dagen efter utplaceringen – vilket väcker förhoppningar om att sådana enheter en dag skulle kunna utföra nya uppgifter i rymden.
Vårt mål är att bygga frittflygande enheter som kan styra deras orientering och bana i rymden. Detta kommer att tillåta oss att distribuera stora svärmar av sensorer som kan användas för distribuerade avkänningsnätverk – vilket möjliggör realtid, storskalig datainsamling inklusive rymdväderövervakning. Med blicken mot framtiden, även mindre enheter kan leda till mycket integrerade, massproducerade satelliter på en enda kiselskiva.
En spännande möjlighet är att förvandla sådana små rymdskepp till rymdskepp genom att koppla dem med stora lätta segel – nå andra solsystem inom några decennier för att studera dem på nära håll. De kan också användas för att ge genomgripande avkänning i närheten av kometer eller asteroider.
Massiv struktur
I andra änden av storleksspektrat, det finns också framsteg. Stora 30-meters utfällbara bommar används redan på den internationella rymdstationen för att stödja dess solpaneler. Här, vårt mål är att öka åtminstone en storleksordning igen genom att göra stora, lättviktsstrukturer i omloppsbana. Detta kan göras genom att anpassa 3-D-utskriftstekniken för att fungera i vakuum och mikrogravitation. Vi tror att detta tillvägagångssätt kan möjliggöra tillverkning av ultrastora antenner, kraftsamlare eller solreflektorer.
Men varför behöver vi sådana strukturer? Ta fallet med rymdteleskopet James Webb, som snart kommer att ersätta det enormt framgångsrika rymdteleskopet Hubble. Den har en stor primär spegel som är skyddad från solen av en sköld lika stor som en professionell tennisbana. För att passa in denna teknik i en Ariane 5-raket, både den primära spegeln och solskyddet består av utfällbara segment. Dessa kräver sedan en komplex sekvens av individuella släpp för att skjuta på kö en gång i rymden – eller riskera att misslyckas med uppdraget.
Primär spegel av James Webb-teleskopet. Kredit:NASA/MSFC/David Higginbotham
Förmågan att tillverka stora, lättviktsstrukturer direkt i omloppsbana kan ha en enorm inverkan på rymdteknik, komma runt det riskfyllda hindret att skjuta upp känsliga strukturer från marken. Till exempel, om strukturellt stödmaterial kan tryckas direkt på reflekterande membran i en kontinuerlig tillverkningsprocess, då kunde vi göra ultrastora reflektorer, potentiellt flera hundra meter tvärs över.
I polär bana, sådana reflektorer skulle kunna användas för att belysa framtida markbaserade solkraftsgårdar i gryning och skymning när deras effekt är låg, men efterfrågan och spotpriserna är höga. Detta skulle vara en helt ny klass av rymdtjänster, där produkten är energi snarare än information.
Det kan också användas för att reflektera ljus för att skapa industriell skala solvärmekraft för att bearbeta material som återvinns från jordnära asteroider. Till exempel, en reflektor med en radie på 500 meter fångar upp motsvarande 1 GW värmeeffekt – motsvarande uteffekten från ett typiskt kraftverk på jorden.
Bakvatten från asteroider är en särskilt lovande väg eftersom det kan hjälpa oss att tillverka drivmedel i rymden. Solgenererad el skulle kunna användas för att knäcka vattnet till väte och syre och använda dem som bränsle. När de kombineras och antänds kommer de att brinna, producerar dragkraft för att driva en rymdfarkost framåt. I framtiden, tillverkning av drivmedel i omloppsbana kan minska kostnaderna för framtida mänskliga rymdsatsningar genom att undvika behovet av att transportera bränsle hela vägen från jordens yta till rymden.
Medan Apollo var ett exempel på ingenjörskonst i en verkligt heroisk skala, framtida rymdsatsningar kan vara lika spännande, och kan leverera bestående samhällsnytta bortom flaggor och fotspår.
Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.