Satelliter gör många saker – de hjälper människor att navigera från en plats till en annan, de levererar tv-program, de söker efter nya stjärnor och exoplaneter och de möjliggör USA:s kärnvapenavskräckningsstrategi. Men tills nyligen, en sak de inte har gjort – eller behövt göra – är att försvara sig.

Forskare vid Sandia National Laboratories lanserade en sjuårig uppdragskampanj denna månad för att utveckla vetenskapen, teknik och arkitektur som behövs för autonoma satellitskyddssystem. Kampanjen, kallas STARCS (Science and Technology Advancing Resilience for Contested Space), kommer att finansiera dussintals laboratoriestyrda forsknings- och utvecklingsprojekt som fokuserar på tre kritiska områden:

• Hotförsvarad hårdvara, vilket är teknik som skyddar satellitprocessorer, kretsar och system från attacker.
• Kognitiv analys, eller mjukvarualgoritmer som snabbt och oberoende kan upptäcka, anpassa sig till och besegra hot.
• Sensorskydd som skyddar sensorer från skada.

Avsikten med kampanjen är att Sandia ska ta en stor nationell prioritet genom sina interna forsknings- och utvecklingsinvesteringar, sa Jeff Mercier, en av kampanjens högre chefer.

"Sandia har en lång och framgångsrik historia inom rymdsystemsteknik. Vi hjälpte till att utveckla Vela på 1960-talet och har fortsatt att regelbundet leverera satellitnyttolaster sedan dess. Vi måste säkerställa att våra nyttolaster överlever mot nya hot i rymden, " han sa.

Avskräcka ett krig i rymden

Enligt en färsk rapport från U.S. Defense Intelligence Agency, fler länder och företag deltar i satellitkonstruktion, rymduppskjutning, rymdutforskning och mänsklig rymdfärd än någonsin tidigare eftersom både tekniska barriärer och kostnader sjunker, men samtidigt utvecklar vissa utländska regeringar kapacitet för att hota andras förmåga att använda rymden.

"Rymden är viktig för vår vardag, och rymden är också viktig för vår nationella säkerhet, sa Drew Woodbury, chef för STARCS. "Historiskt sett, rymden har varit godartad, men nu säger amerikanska fyrstjärniga generaler att de förväntar sig ett rymdkrig inom min livstid. När jag säger rymdkrig, Jag menar satelliter som attackerar satelliter."

En satellit kan vara hotad på många sätt, från att skjuta upp en missil för att förstöra den till att lysa en laser mot dess optiska sensor för att tillfälligt inaktivera den, sa Woodbury. Andra hot inkluderar riktad eller kinetisk energi, elektronisk krigföring, robotmekanismer, kemiska sprutor, högeffekts mikrovågor, radiofrekventa störsändare och mer.

"Vårt övergripande mål är att tillhandahålla innovativ forskning och utveckling som bevarar obegränsad tillgång till rymden för USA, Mercier sa. "Nyckeln till avskräckning i rymden är att ha system med förmågan att operera genom en attack och fortsätta göra sitt jobb."

Att hämta inspiration från människokroppen för att rusta satelliter

De tre STARCS forskningsområdena – hotförsvarad hårdvara, kognitiv analys och sensorskydd – kommer att utveckla en satellits förmåga att automatiskt upptäcka hot och försvara sig för att säkerställa att optiska, radiofrekvens, spanings- och kommunikationstillgångar bevaras och är i drift under en attack. Kampanjen strävar också efter reversibla hot – åtgärder som tillfälligt inaktiverar en attackerande satellit utan att förstöra den.

"Ett satellitsystem liknar människokroppssystemet, Woodbury sa. "Tänk på hot-försvarad hårdvara som immunsystemet som möter bakterier och virus, medan på liknande sätt, satelliter måste motstå strålning, skräp och andra naturliga och konstgjorda föremål i rymden. Vi vill att satellitens immunsystem ska svara på skräp på ett motståndskraftigt sätt."

Woodbury sa att forskningsområdet för sensorskydd är som att skydda mänskliga ögon med solglasögon eller skyddsglasögon. En motståndare kan lysa med en laser mot en sensor på en satellit för att hindra den från att fungera som den är tänkt, ungefär som att lysa in en laser i ett mänskligt öga skulle försämra synen. Detta forskningsområde fokuserar på teknik som skulle kunna fungera som ett par "glasögon" som en satellit kan bära när den upptäcker ett hot.

Tekniken för kognitiv-analytisk fokus, Woodbury sa, är som medulla oblongata i den mänskliga hjärnan - hem för "fight or flight"-svaret. Forskningen kommer att utveckla samma instinkt för satelliter, så att de kan känna igen attacker och använda överlevnadsmekanismer, han sa.

Söker akademiska partnerskap och planerar för tekniköverföring

Sandia lanserade 12 STARCS-relaterade laboratoriestyrda forsknings- och utvecklingsprojekt denna månad, och Woodbury hoppas att få se ännu fler projekt per år under resten av kampanjen, som kommer att pågå till och med 2027. Ungefär hälften av de projekt som lanserades i år inkluderar forskningspartners från Sandias akademiska alliansskolor, och teamet vill samarbeta med ytterligare universitet med relevanta forskningsfokusområden.

"När kampanjen fortsätter, det ultimata resultatet vi letar efter är att utveckla mer mogen teknik som kan överföras till industrin och regeringen, "Sa Mercier.