Der gesunde Menschenverstand legt nahe, dass Weltraummissionen nur mit Budgets in Höhe von mehreren Millionen Dollar, Materialien, die den unerbittlichen Bedingungen außerhalb der Erdatmosphäre standhalten, und als Ergebnis der Arbeit hochqualifizierter Spezialisten durchgeführt werden können.
Aber ein Team von Ingenieurstudenten der Brown University hat diese Annahme auf den Kopf gestellt.
Sie bauten einen Satelliten mit einem minimalen Budget und unter Verwendung von handelsüblichem Zubehör, das in den meisten Baumärkten erhältlich ist. Sie schickten sogar den Satelliten – der von 48 Energizer AA-Batterien und einem 20-Dollar-Mikroprozessor angetrieben wird, der bei Roboter-Hobbyisten beliebt ist – vor etwa 10 Monaten ins All und per Anhalter mit Elon Musks SpaceX-Rakete mit.
Jetzt zeigt eine neue Analyse von Daten des Air Force Space Command, dass der Satellit nicht nur erfolgreich operierte, sondern auch weitreichende Auswirkungen auf die Bemühungen haben könnte, das wachsende Problem des Weltraumschrotts einzudämmen, der eine potenzielle Gefahr für alle aktuellen und zukünftige Raumfahrzeuge.
Nach Angaben der NASA werden derzeit mehr als 27.000 Teile von so genanntem Weltraumschrott oder Weltraumschrott vom globalen Weltraumüberwachungsnetz des Verteidigungsministeriums verfolgt. Trümmer im Orbit reichen von allen von Menschenhand geschaffenen Objekten in der Erdumlaufbahn, die keine nützliche Funktion mehr erfüllen, wie z. Es umfasst auch nicht mehr existierende Satelliten, die manchmal Jahrzehnte nach Abschluss ihrer Mission im Orbit verbleiben.
Das ist ein Problem, da die meisten Satelliten durchschnittlich 25 Jahre oder länger im Orbit verbleiben, sagte Rick Fleeter, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University. Als seine Studenten die einmalige Chance bekamen, ihren eigenen Satelliten zu entwerfen und zu bauen, der ins All geschossen werden sollte, beschlossen sie, eine mögliche Lösung zu entwickeln.
Die Studenten fügten dem von ihnen gebauten brotlaibgroßen Würfelsatelliten ein 3D-gedrucktes Schleppsegel aus Kapton-Polyimidfolie hinzu. Beim Aussetzen in etwa 520 Kilometern Höhe – deutlich über der Umlaufbahn der Internationalen Raumstation – öffnete sich das Segel wie ein Regenschirm und trägt ersten Daten zufolge dazu bei, den Satelliten früher zurück zur Erde zu schieben. Tatsächlich liegt der Satellit deutlich unter den anderen kleinen Geräten, die mit ihm eingesetzt wurden. So befand sich Anfang März der Satellit etwa 470 Kilometer über der Erde, während sich die anderen Objekte noch in einer Umlaufbahn von etwa 500 Kilometern oder mehr befanden.
„Sie können in den Tracking-Daten sehen, dass wir sichtbar unter allen anderen sind und von ihnen weg beschleunigen“, sagte Fleeter. „Sie können sehen, dass unser Satellit bereits in Richtung Wiedereintritt absinkt, während die anderen sich noch in einer schönen kreisförmigen Umlaufbahn weiter oben befinden.“
Die Daten deuten darauf hin, dass der Studentensatellit mit dem Namen SBUDNIC innerhalb von fünf Jahren außerhalb der Umlaufbahn sein wird, im Gegensatz zu den geschätzten 25 bis 27 Jahren, die die Studenten dafür ohne das Schleppgerät berechnet haben.
Fleeter und die Brown-Studenten glauben, dass ihre anfängliche Analyse der öffentlich verfügbaren Tracking-Daten als Konzeptnachweis dient, dass diese Art von Segel Teil der Bemühungen sein kann, die Anzahl von Weltraumschrott im Orbit um die Erde zu reduzieren. Sie hoffen, dass ähnliche Segel zu anderen Geräten gleicher Größe hinzugefügt oder in Zukunft für größere Projekte skaliert werden können.
„Die Theorie und Physik, wie das funktioniert, ist ziemlich gut akzeptiert“, sagte Fleeter. „Was diese Mission gezeigt hat, war mehr darüber, wie man es realisiert – wie man einen Mechanismus baut, der das tut, und wie man es macht, damit er leicht, klein und erschwinglich ist.“
Das Projekt ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Forschern der Brown’s School of Engineering und dem National Research Council of Italy. Es wird auch von D-Orbit, AMSAT-Italien, der La Sapienza-Universität Rom und dem NASA Rhode Island Space Grant unterstützt. Der Name des Satelliten ist eine Anspielung auf Sputnik, den ersten Satelliten, der die Erde umkreist, und ist gleichzeitig ein Akronym für die Projektbeteiligten.
Dies ist der zweite kleine Satellit, der von Brown-Studenten entworfen und gebaut wurde und in den letzten Jahren in die Umlaufbahn geschickt wurde. Der vorherige Satellit, EQUiSat, hat 14.000 Schleifen um die Erde gemacht, bevor er seine Mission beendete und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre Ende 2020 verglühte.
Es wird jedoch angenommen, dass SBUDNIC das erste seiner Art ist, das in den Orbit geschickt wurde, das fast ausschließlich aus Materialien besteht, die nicht für den Einsatz im Weltraum bestimmt sind, und das zu einem so astronomisch niedrigen Preis im Vergleich zu anderen Objekten im Orbit. Die Gesamtkosten des von Studenten entworfenen Würfelsatelliten betrugen etwa 10.000 US-Dollar.
„Die großen komplexen Weltraummissionen, von denen wir in den Nachrichten hören, sind erstaunlich und inspirierend, aber sie senden auch die Botschaft, dass der Weltraum nur für diese Art von spezialisierten Initiativen ist“, sagte Fleeter. „Hier eröffnen wir diese Möglichkeit für mehr Menschen … Wir reißen nicht alle Barrieren ein, aber irgendwo muss man anfangen.“
Entwickelt von Studenten bei Brown
Der Satellit wurde in einem Jahr von einer Gruppe von etwa 40 Studenten entworfen und gebaut – etwa die Hälfte von der Brown’s School of Engineering und andere aus so unterschiedlichen Bereichen wie Wirtschaft, internationale Beziehungen und Bildhauerei. Es begann im Kurs ENGN 1760: Design of Space Systems, den Fleeter im Frühjahr 2021 unterrichtete.
Das italienische Luft- und Raumfahrtunternehmen D-Orbit näherte sich mit einer Öffnung für einen Satelliten auf der SpaceX Falcon 9-Rakete, die in einem Jahr starten würde. Fleeter wandte sich an seine Studenten, die gerade ihre ersten Seminare zum Design von Raumfahrtsystemen gehört hatten, und präsentierte ihnen die Gelegenheit.
Von da an ging das Rennen weiter.
Die Studenten begannen mit der Konzeption und Gestaltung der einzelnen Subsysteme des Satelliten, wobei sie oft mit Industrieberatern zusammenarbeiteten, die Feedback und technische Anleitungen zur Machbarkeit ihrer Vorschläge lieferten. Die Schüler setzen dann ihre Pläne in die Tat um, verwalten die technischen Aspekte des Satelliten und koordinieren die administrativen Teile. Das kontinuierliche Prototyping, Testen und Verbessern, das erforderlich war, kam einer Herkulesanstrengung der Studenten in Bezug auf Stunden und Gehirnleistung gleich.
„Der Brown Design Workshop ist um 4 Uhr morgens sehr ruhig, und ich war in dieser Zeit öfter dort, als ich zählen kann“, sagte Marco Cross, der letztes Jahr seinen Master in Biomedizintechnik an der Brown absolvierte und als Leiter fungierte Ingenieur für SBUDNIC.
Die Schüler kauften Materialien, die sie benötigten, in örtlichen Geschäften und auf Online-Einzelhandelswebsites. Sie mussten oft raffinierte Problemumgehungen für ihre Materialien entwickeln, damit sie im Weltraum überleben konnten. Der Ansatz bedeutete oft, Testgeräte zu entwickeln, die bestimmte Umgebungsbedingungen des Weltraums reproduzierten, wie die hohen Vibrationen beim Raketenstart, sagte Cross. Zum Beispiel verwendete das Team Reptilien-Heizlampen in einer Vakuumkammer, um den Hitzeschild zu testen, den sie geschaffen hatten, um die Elektronik des Satelliten vor der Sonne zu schützen.
Um für den Start freigegeben zu werden, musste der Satellit Qualifikationstests bestehen und die strengen Regeln und Vorschriften erfüllen, die SpaceX und die NASA befolgen. „Es ist eine Umgebung, die keine Fehler toleriert“, sagte Cross. „Das Team hat nie geschwankt.“
Grünes Licht erhielten die Studenten nach einer Reihe von Vakuum-, Wärme- und Vibrationstests. Eine Gruppe reiste dann nach Cape Canaveral in Florida, um SBUDNIC zu liefern, damit es in den größeren Trägersatelliten von D-Orbit eingesetzt werden konnte, der dann auf die SpaceX-Rakete gesetzt wurde.
Die Schüler sagten, das Projekt habe ihnen geholfen, sich selbst als Schöpfer und Innovatoren zu sehen, und diese Erfahrung sei in ihren Lektionen verwurzelt, die sie bis weit in die Zukunft nutzen werden.
„Ich habe das, was ich in diesem Programm gelernt habe, für ein Praktikum bei Lockheed Martin Space genutzt“, sagte Selia Jindal, eine Seniorin bei Brown und eine der Projektleiterinnen. „Dieses Projekt hat wirklich dazu beigetragen, wie ich die Welt sehe, und es hat meine Erfahrungen im Grundstudium extrem beeinflusst. Dieses Gefühl ist nicht nur bei mir vorhanden. Viele Teammitglieder, wie ich, kamen ohne vorherige Erfahrung in der Raumfahrtindustrie zu SBUDNIC und verließen es Wege in diesem Bereich einschlagen. Wir haben SBUDNIC-Alumni in der gesamten Branche – von der Promotion bis zum Engineering bei SpaceX.“
Neben der Präsentation ihrer Ergebnisse auf Konferenzen und der Einreichung ihrer Daten für eine Veröffentlichung plant das SBUDNIC-Team derzeit eine Reihe von Präsentationen in Schulen in ganz Rhode Island. Sie hoffen, zukünftige Innovatoren zu inspirieren und Gymnasiasten für die Möglichkeiten zu sensibilisieren, die für sie in der Raumfahrttechnik und im Design bestehen.