Vor etwa 30 Jahren war ein junger Ingenieur namens Christopher Walker abends zu Hause und bereitete Schokoladenpudding zu, als er einen zufälligen Anruf von seiner Mutter erhielt.
Er nahm den Anruf entgegen, schaltete den Herd aus und spannte Plastikfolie über den Topf, um den Pudding frisch zu halten. Als er zurückkam, hatte die kühlende Luft im Topf die Folie in eine konkave Form gebracht, und in diesem verformten Kunststoff sah er etwas – das vergrößerte Spiegelbild einer Glühbirne an der Decke –, das ihn auf eine Idee brachte, die die Raumfahrt revolutionieren könnte Wahrnehmung und Kommunikation.
Aus dieser Idee wurde der Large Balloon Reflector (LBR), ein aufblasbares Gerät, das große Sammelöffnungen erzeugt, die nur einen Bruchteil der heutigen ausfahrbaren Antennen wiegen. Jetzt wird Walkers jahrzehntealte Vision mit Unterstützung des Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programms der NASA verwirklicht, das vom Space Technology Mission Directorate der Agentur finanziert wird und visionäre Innovationen aus verschiedenen Quellen unterstützt.
Das Konzept verwandelt einen Teil der Innenfläche einer aufgeblasenen Kugel in eine Parabolantenne. Ein Abschnitt, der etwa ein Drittel der Innenfläche des Ballons ausmacht, ist aluminisiert, was ihm reflektierende Eigenschaften verleiht.
Mit NIAC-Mitteln und einem Zuschuss des US Naval Research Laboratory war Walker in der Lage, Technologien für einen LBR mit einem Durchmesser von 33 Fuß (10 Meter) zu entwickeln und zu demonstrieren, der von einem riesigen Ballon in die Stratosphäre befördert wurde. Zum Vergleich: Die Öffnung des gewaltigen James-Webb-Weltraumteleskops der NASA hat einen Durchmesser von über 21 Fuß (6,5 Meter).
„Es gab keine andere Stelle als NIAC innerhalb der NASA, um dies auf den Weg zu bringen“, sagt Walker, jetzt Professor für Astronomie und optische Technik an der University of Arizona in Tucson. „Zuerst hatte ich Angst, die Idee mit Kollegen zu teilen, weil sie so verrückt klang. Man braucht ein Programm innerhalb der NASA, das sich tatsächlich mit den radikalen Ideen befasst, und NIAC ist es.“
Parabolantennen nutzen ihre konkave Form, um elektromagnetische Strahlung einzufangen und zu konzentrieren. Je größer der Durchmesser oder die Apertur der Antenne ist, desto effektiver ist sie bei der Erfassung von Licht- oder Funkwellen und der Übertragung von Funksignalen über große Entfernungen.
In der Astronomie bietet die Platzierung von Teleskopen über der Erdatmosphäre einen enormen Vorteil, da dadurch die aus dem Weltraum kommenden Signale tendenziell verzerrt oder beeinträchtigt werden. Die Herausforderung besteht darin, dass herkömmliche große Reflektorantennen schwer, unhandlich und schwer zu verstauen sind, was zu Startbeschränkungen und riskanten Einsatzplänen im Weltraum führt.
Das LBR-Design löst beide Probleme. Es besteht aus einer dünnen Folienstruktur und lässt sich wie ein Wasserball aufblasen, wodurch eine stabile Parabolschalenform entsteht, ohne dass sperrige und komplexe ausfahrbare Hardware erforderlich ist, und lässt sich auf ein winziges Volumen zusammenfalten.
Im Jahr 2018 demonstrierte Freefall Aerospace, ein von Walker mitgegründetes Unternehmen zur Entwicklung und Vermarktung der Technologie, das Potenzial des LBR an Bord des stadiongroßen Stratosphärenballons der NASA, der ein 3,28 Fuß großes Modell auf eine Höhe von 159.000 Fuß beförderte.
Als nächstes steht für die Technologie eine Hochgeschwindigkeitskommunikationsdemonstration im erdnahen Orbit an Bord eines aus sechs Einheiten bestehenden CubeSat namens CatSat an, etwa so groß wie ein Schuhkarton. Es wurde 2019 im Rahmen der CubeSat Launch Initiative der NASA für den Flug ausgewählt. Es handelt sich um eine gemeinsame Anstrengung der NASA, Freefall Aerospace, der University of Arizona und der Rincon Research Corporation in Tucson, Arizona.
Nach Erreichen der erdnahen Umlaufbahn wird sich das aufblasbare Antennen-Entfaltungssystem von CatSat aus seinem Container entfalten, sich auf einen Durchmesser von etwa anderthalb Fuß aufblasen und mit der Übertragung hochauflösender Erdfotos beginnen. Die Mission soll zusammen mit mehreren anderen CubeSats auf der Alpha-Rakete von Firefly Aerospace im Rahmen der Mission Educational Launch of Nanosatellites (ELaNa) 43 gestartet werden.
Ein ehrgeizigeres Mondmissionskonzept wird ebenfalls untersucht. Das Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, würde die aufblasbare Antenne zusammen mit einem neuen Instrument namens Terahertz Spectrometer for In-Situ Resource Utilization nutzen, einem Miniatur-Hochleistungslaser, der präzise kalibriert ist, um Wasser, eine wichtige Explorationsressource, zu erkennen.
„Die von CatSat demonstrierte Technologie öffnet die Tür für die Möglichkeit zukünftiger Mond-, Planeten- und Weltraummissionen mit CubeSats“, sagte Walker.
Man kann kaum glauben, dass das alles angefangen hat, denn die Vorstellung eines jungen Ingenieurs vom Abendessen an einem Abend war das, was die meisten als Nachtisch bezeichnen würden. Andererseits könnte man sagen, der Beweis lag im Pudding.