Om du vill bygga eller fixa något i rymden, du kanske tror att du skulle behöva en människa för att göra det. Men tänk om du inte gjorde det? Tänk om robotrymdfarkoster kunde användas för att tanka satelliter i omloppsbana, lägga till nya instrument till föråldrade maskiner och till och med bygga hela strukturer i rymden?

Den här idén om service i rymden har länge drömts om, men nu börjar det bli verklighet. Bara förra månaden dockade en satellit från det amerikanska försvarsföretaget Northrop Grumman med en annan satellit i omloppsbana, förlänger sitt liv med flera år och förebådar en ny spännande era för robotuppdrag i omloppsbana.

Med fler än 3, 000 döda satelliter i omloppsbana idag, Att hitta sätt att fixa gamla satelliter med robotar kan hjälpa oss att minska mängden rymdskräp som omger jorden. Och om vi också kan använda robotrymdfarkoster för att bygga strukturer i omloppsbana, det kan öppna nya dörrar till spännande rymduppdrag i framtiden.

Rendezvous och dockning

En av de stora utmaningarna med att utföra service i rymden är att få två rymdskepp att träffas och docka i omloppsbana. För att göra rymdrobotik framgångsrik, företag måste se till att de kan närma sig en målfarkost långsamt och säkert, och sedan fästa den utan att orsaka skada.

Northrop Grumman-uppdraget var anmärkningsvärt genom att målfarkosten inte var designad för att servas. Men, konstaterar Sabrina Andiappane från satellitspecialisten Thales Alenia Space i Frankrike, som koordinerar ett projekt som heter EROSS, om vi kan skjuta upp satelliter med service i åtanke kan processen förenklas.

"Målet med (Northrop Grumman-uppdraget) var att serva en satellit som inte var redo att servas, ", sa hon. "Vi siktar på att göra det för satelliter som kommer att förberedas och därför blir det mer effektivt om du vill förlänga deras livslängd."

Senare i år, EROSS-teamet planerar att öva på att docka en "chaser"-rymdfarkost med en klientrymdfarkost. I ett laboratorium, två falska rymdskepp kommer att hållas av robotarmar för att simulera att vara i rymden, och jagaren kommer då att närma sig den andra rymdfarkosten och docka autonomt – en önskvärd egenskap för att begränsa riskerna för mänskliga fel.

Väl dockad, chasern kunde sedan installera nya instrument och tanka klientsatelliten. Om processen kan göras så enkel som möjligt kan många av dessa uppdrag utföras i omloppsbana relativt lätt.

"Målet med EROSS är att (förbereda) för riktiga uppdrag, " sa Andiappane. "Vi har flera byggstenar som sensorer, gripare och algoritmer som behövs för att utföra rendezvous. Och vi kommer att visa denna förmåga."

Rymdmiljön i sig utgör en hel del utmaningar för robotserviceuppdrag. Den ena är Newtons tredje lag – varje handling har en lika och motsatt reaktion. Det betyder att i rymden, om du försöker använda en robotarm för att flytta något, du kommer också att flytta din rymdfarkost.

"I mikrogravitation skapar varje rörelse en reaktion på hela strukturen, " sa Dr. Thierry Germa från det franska geoinformationsföretaget Magellium.

Spegel

Dr. Germa koordinerar ett projekt som heter PULSAR, som undersöker hur man bygger stora strukturer i omloppsbana med robotar, som stora speglar för framtida rymdteleskop. År 2021, NASA planerar att skjuta upp rymdteleskopet James Webb (JWST), ett fordon med en stor spegel på 6,5 meter för att studera universum. Dock, JWST:s spegel närmar sig gränsen för vad vi får plats med i en raket. Så, PULSAR tittar på ett annat sätt att få en stor spegel i omloppsbana, genom att skjuta upp den i delar och bygga den i rymden.

För att övervinna problemet med Newtons tredje lag, robotfarkosten kommer att behöva justera sin orientering för att kompensera för denna rörelse medan den konstruerar spegeln, hålla rymdfarkosten fin och stadig. På grund av komplexiteten i denna process, det kommer inte att vara möjligt att låta en människa fjärrstyra robotfarkosten, känd som teleoperation. Istället, automatisering kommer att vara nyckeln.

"Monteringsprocessen måste vara fullständigt validerad och säkrad eftersom det inte är möjligt att ha en människa i slingan, sade Dr Germa.

PULSAR kommer att öva på att montera de olika segmenten av ett skenteleskops huvudspegel i en pool senare i år. I sista hand, teamet planerar att producera en realistisk simulering av hur en spegel 10 meter tvärs över, gjord av 36 olika segment, skulle kunna byggas i omloppsbana. Och samma process kan användas för att bygga andra strukturer i omloppsbana, som stora antenner för telekommunikationssatelliter, eller kanske till och med solpaneler för rymdfarkoster.

Uppgraderingar

Forskare arbetar också med satellituppgraderingar i rymden för att förlänga livslängden för den utrustning som kretsar runt jorden och minska behovet av att fortsätta skjuta upp nyare satelliter för att ersätta de gamla.

En lösning är att designa satelliter med olika moduler, eller segment, som enkelt kan bytas ut av en robotisk servicerymdfarkost.

Professor Xiu Yan från University of Strathclyde, Storbritannien och hans kollegor arbetar med det. "Vi försöker utveckla en lösning för att säkerställa hållbarheten i den framtida användningen av rymden, " han sa.

Han koordinerar MOSAR-projektet, som syftar till att utveckla en satellit med öppen källkod som enkelt kan återanvändas i rymden. "Särskilt, vi siktar på att ha orbital service, underhålls- och livslängdsförmåga (för satelliter)."

Varje modul skulle vara cirka 40 centimeter i diameter, med en robotarm som autonomt kan koppla loss dem från en satellit eller lägga till nya. Genom att använda en standardiserad design, vilken satellit som helst kan enkelt uppgraderas via en robotservicesatellit, utan att behöva lansera en ersättare.

Senare i år, projektet kommer att utföra en demonstration av denna modulära teknologi i ett laboratorium, använda en robotarm för att öva på att fästa olika moduler till en skensatellit. Och slutligen, snarare än en satellit som fungerar under en begränsad tid i omloppsbana, deras uppdrag kan i princip bli oändliga.

"De kan stanna där så länge du vill, ", sa Prof. Yan. "Det är ett paradigmskifte. Med denna nya generation av satelliter i rymden, det blir möjligt att uppgradera dem. Så istället för att skicka en helt ny satellit, du kan skicka en liten uppgradering till en befintlig satellitstruktur för att säkerställa långsiktig och prisvärd användning och tillgång till rymden."