Es ist eine aufregende Zeit für Astronomen und Kosmologen. Seit dem James Webb Space Telescope (JWST) wurden Astronomen mit den lebendigsten und detailliertesten Bildern des Universums konfrontiert, die je gemacht wurden. Die leistungsstarken Infrarot-Bildgeber, Spektrometer und Koronographen von Webb werden in naher Zukunft noch mehr ermöglichen, darunter alles von Vermessungen des frühen Universums bis hin zu direkten bildgebenden Studien von Exoplaneten. Darüber hinaus werden in den kommenden Jahren mehrere Teleskope der nächsten Generation mit 30-Meter-Hauptspiegeln, adaptiver Optik, Spektrometern und Koronographen in Betrieb gehen.
Auch mit diesen beeindruckenden Instrumenten freuen sich Astronomen und Kosmologen auf eine Ära, in der noch ausgefeiltere und leistungsstärkere Teleskope verfügbar sind. Beispielsweise hat Zachary Cordero vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) kürzlich ein Teleskop mit einem 100 Meter (328 Fuß) großen Primärspiegel vorgeschlagen, das autonom im Weltraum konstruiert und durch elektrostatische Aktuatoren in Form gebogen würde. Sein Vorschlag war eines von mehreren Konzepten, die dieses Jahr vom NASA-Programm Innovative Advanced Concepts (NIAC) für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt wurden.
Corder ist Boeing Career Development Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT und Mitglied des Aerospace Materials and Structures Lab (AMSL) und des Small Satellite Center. Seine Forschung integriert sein Fachwissen in den Bereichen Verarbeitungswissenschaft, Mechanik und Design, um neuartige Materialien und Strukturen für neue Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt zu entwickeln. Sein Vorschlag ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit Prof. Jeffrey Lang (vom MIT Electronics and the Microsystems Technology Laboratories) und einem Team aus drei Studenten der AMSL, darunter Ph.D. Schülerin Harsh Girishbhai Bhundiya.
Ihr vorgeschlagenes Teleskop adressiert ein Schlüsselproblem bei Weltraumteleskopen und anderen großen Nutzlasten, die für den Start verpackt und dann im Orbit eingesetzt werden. Kurz gesagt, Kompromisse bei Größe und Oberflächenpräzision begrenzen den Durchmesser einsetzbarer Weltraumteleskope auf 10 Meter. Betrachten Sie das kürzlich gestartete James Webb Space Telescope (JWST), das größte und leistungsfähigste Teleskop, das jemals ins All geschickt wurde. Um in seine Nutzlastverkleidung (auf einer Ariane-5-Rakete) zu passen, wurde das Teleskop so konstruiert, dass es in eine kompaktere Form gefaltet werden konnte.
Dazu gehörten der Primärspiegel, der Sekundärspiegel und die Sonnenblende, die sich alle entfalteten, sobald sich das Weltraumteleskop im Orbit befand. Der Primärspiegel (der komplexeste und leistungsfähigste, der jemals eingesetzt wurde) misst 6,5 Meter (21 Fuß) im Durchmesser. Sein Nachfolger, der Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), wird eine ähnliche Klappbaugruppe und einen Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 8 bis 15 Metern (26,5 bis 49 Fuß) haben – je nach gewähltem Design (LUVOIR-A oder – B). Wie Bhundiya Universe Today per E-Mail erklärte:
„Heute werden die meisten Raumfahrzeugantennen im Orbit eingesetzt (z. B. die Astromesh-Antenne von Northrop Grumman) und wurden optimiert, um eine hohe Leistung und einen hohen Gewinn zu erzielen. Sie haben jedoch Einschränkungen: 1) Sie sind passiv einsetzbare Systeme. Das heißt, sobald Sie sie eingesetzt haben, können Sie es nicht mehr adaptiv die Form der Antenne ändern 2) Sie werden mit zunehmender Größe schwieriger zu schwenken 3) Sie weisen einen Kompromiss zwischen Durchmesser und Präzision auf, dh ihre Präzision nimmt mit zunehmender Größe ab, was eine Herausforderung für Astronomie- und Sensoranwendungen darstellt die sowohl große Durchmesser als auch hohe Präzision erfordern (z. B. JWST).“
Während viele Konstruktionsmethoden für den Weltraum vorgeschlagen wurden, um diese Einschränkungen zu überwinden, fehlen detaillierte Analysen ihrer Leistung für den Bau von Präzisionsstrukturen (wie Reflektoren mit großem Durchmesser). Für ihren Vorschlag führten Cordero und seine Kollegen einen quantitativen Vergleich auf Systemebene von Materialien und Prozessen für die Herstellung im Weltraum durch. Letztendlich stellten sie fest, dass diese Einschränkung mithilfe fortschrittlicher Materialien und einer neuartigen Herstellungsmethode im Weltraum namens Biegeformen überwunden werden könnte.
Bildnachweis: NASA
Diese Technik, die von Forschern der AMSL erfunden und in einem kürzlich von Bhundiya und Cordero gemeinsam verfassten Artikel beschrieben wurde, beruht auf einer Kombination aus CNC-Verformungsverarbeitung (Computer Numerical Control) und hierarchischen Hochleistungsmaterialien. Wie Harsh es erklärte:
„Biegeformen ist ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Drahtgitterstrukturen aus Metalldraht-Rohmaterial. Es funktioniert, indem ein einzelner Drahtstrang an bestimmten Knoten und mit bestimmten Winkeln gebogen und den Knoten Gelenke hinzugefügt werden, um eine steife Struktur zu erzeugen Eine gegebene Struktur wandeln Sie in Biegeanweisungen um, die auf einer Maschine wie einer CNC-Drahtbiegemaschine implementiert werden können, um sie aus einem einzigen Ausgangsmaterialstrang herzustellen.Die Hauptanwendung des Biegeformens ist die Herstellung der Stützstruktur für eine große Antenne im Orbit Das Verfahren ist für diese Anwendung gut geeignet, da es wenig Energie verbraucht, Strukturen mit hohen Verdichtungsverhältnissen herstellen kann und im Wesentlichen keine Größenbeschränkung hat.“
Im Gegensatz zu anderen Montage- und Herstellungsansätzen im Weltraum ist das Biegeformen energiesparend und wird auf einzigartige Weise durch die extrem niedrige Umgebungstemperatur des Weltraums ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht diese Technik intelligente Strukturen, die multifunktionale Materialien nutzen, um neue Kombinationen von Größe, Masse, Steifigkeit und Präzision zu erreichen. Darüber hinaus nutzen die resultierenden intelligenten Strukturen multifunktionale Materialien, um beispiellose Kombinationen von Größe, Masse, Steifigkeit und Präzision zu erreichen und die Designparadigmen zu durchbrechen, die herkömmliche Fachwerk- oder spannungsausgerichtete Raumstrukturen einschränken.
Zusätzlich zu ihrer natürlichen Präzision können große gebogene Strukturen ihre elektrostatischen Aktuatoren verwenden, um eine Reflektoroberfläche mit Submillimeter-Präzision zu konturieren. Dies, sagte Harsh, wird die Präzision ihrer hergestellten Antenne im Orbit erhöhen:
„Die Methode der aktiven Steuerung wird als elektrostatische Betätigung bezeichnet und nutzt Kräfte, die durch elektrostatische Anziehung erzeugt werden, um ein Metallgitter präzise in eine gekrümmte Form zu bringen, die als Antennenreflektor fungiert. Wir tun dies, indem wir eine Spannung zwischen dem Gitter und einer ‚Befehlsfläche‘ anlegen. die aus der gebogenen Stützstruktur und ausfahrbaren Elektroden besteht. Durch die Anpassung dieser Spannung können wir die Reflektoroberfläche präzise formen und eine Parabolantenne mit hoher Verstärkung erzielen.“
Harsh und seine Kollegen folgern, dass diese Technik einen einsetzbaren Spiegel mit einem Durchmesser von mehr als 100 Metern (328 Fuß) ermöglichen wird, der eine Oberflächenpräzision von 100 m/m und eine spezifische Fläche von mehr als 10 m2/kg erreichen könnte. Diese Fähigkeit würde die bestehende Mikrowellen-Radiometrie-Technologie übertreffen und könnte zu erheblichen Verbesserungen bei Sturmvorhersagen und einem besseren Verständnis atmosphärischer Prozesse wie dem Wasserkreislauf führen. Dies hätte erhebliche Auswirkungen auf die Erdbeobachtung und Exoplanetenstudien.
Das Team demonstrierte kürzlich auf der SciTech-Konferenz 2023 des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), die vom 23 , Maryland. Mit diesem Phase-I-NIAC-Zuschuss plant das Team, die Technologie mit dem ultimativen Ziel, einen Mikrowellen-Radiometrie-Reflektor zu schaffen, auszureifen.
Mit Blick auf die Zukunft plant das Team zu untersuchen, wie Biegungsformung im geostationären Orbit (GEO) verwendet werden kann, um einen Mikrowellen-Radiometrie-Reflektor mit einem Sichtfeld von 15 km (9,3 Meilen), einer Bodenauflösung von 35 km (21,75 Meilen) und einem vorgeschlagenen zu schaffen Frequenzspanne von 50 bis 56 GHz – der Superhoch- und Extremhochfrequenzbereich (SHF/EHF). Dies wird es dem Teleskop ermöglichen, Temperaturprofile von Exoplanetenatmosphären abzurufen, eine Schlüsseleigenschaft, die es Astrobiologen ermöglicht, die Bewohnbarkeit zu messen.
„Unser Ziel mit dem NIAC ist es jetzt, auf die Implementierung unserer Technologie des Biegeformens und der elektrostatischen Betätigung im Weltraum hinzuarbeiten“, sagte Harsh. „Wir stellen uns die Herstellung von Antennen mit einem Durchmesser von 100 m im geostationären Orbit vor, die eine gebogene Stützstruktur und elektrostatisch aktivierte Reflektoroberflächen aufweisen. Diese Antennen werden eine neue Generation von Raumfahrzeugen mit verbesserten Erfassungs-, Kommunikations- und Leistungsfähigkeiten ermöglichen.“