Tiny Satellites Can Do Big Science

Als het gaat om laptops en mobiele telefoons, is groter niet beter. Dezelfde logica is van toepassing op satellieten: hoe groter de satelliet, hoe meer tijd het kost om te ontwerpen en te bouwen, en hoe duurder het is om in een baan om de aarde te vliegen.

Onderzoekers maken nu gebruik van de elektronische technologieën die persoonlijke gizmo's compact en betaalbaar hebben gemaakt om satellieten te maken die een fractie van hun voorgangers wegen en kosten. Deze satellieten in zakformaat en rugzakformaat veranderen de manier waarop astrobiologisch onderzoek wordt gedaan.

Conventionele satellieten die worden gebruikt voor communicatie, navigatie of onderzoek kunnen zo groot zijn als een schoolbus en wegen tussen 100 en 500 kilogram. Universiteiten, bedrijven en NASA bouwen nu kleine satellieten die minder dan een kilo wegen (picosatellieten) of maximaal 10 kilogram (nanosatellieten).

Deze kleine satellieten kunnen worden beschouwd als miniatuurversies van tegenhangers op ware grootte. Ze bevatten dezelfde componenten: batterij, orbitale besturings- en plaatsbepalingssystemen, radiocommunicatiesystemen en analytische instrumenten, behalve dat alles kleiner, goedkoper en soms minder gecompliceerd is.

? Dat is de schoonheid van deze technologie? zegt Orlando Santos, een astrobioloog bij NASA Ames Research Center. ? We kunnen deze dingen klein maken en krijgen er nog steeds zinvolle wetenschap van. "

De opkomst van de kubus

Twintig jaar geleden ontwikkelden Bob Twiggs en zijn studenten aan de Stanford University de eerste picosatelliet ter grootte van een Klondike-ijsreep. De Aerospace Corporation lanceerde deze picosatellieten als onderdeel van een missie om de haalbaarheid aan te tonen van het bouwen van kleine satellieten die met elkaar communiceren.

Twiggs werkte vervolgens aan CubeSat, een kubus van 10 centimeter. ? Ik heb een 4-inch beanie baby box gekregen en een aantal zonnecellen geplakt om te zien hoeveel er op het oppervlak zouden passen? Twiggs zegt. ? Ik had genoeg voltage voor wat ik nodig had, dus ik besloot dat dit de maat zou zijn.?

Jordi Puig-Suari aan de California Polytechnic State University bouwde een implementatiemechanisme dat de poly picosatellite orbitale ontwikkelaar of P-POD werd genoemd en die tot drie CubeSats kon inpakken. Een daarvan is typisch de satellietbus, de hersenen van de satelliet met positionering en radioapparatuur, terwijl de andere kubussen de wetenschappelijke experimenten dragen. In 2004 stuurden de onderzoekers de eerste drie-kubieke nanosatelliet in een baan.

Zes jaar later is CubeSats de wereldwijde standaard geworden voor kleine satellieten. Ze worden gebruikt voor alles van omgevingsdetectie en fundamenteel biologieonderzoek tot het testen van nieuwe ruimtevaartsystemen.

Meer dan 60 universiteiten en middelbare scholen maken deel uit van het CubeSat Project op basis van Cal Poly. De National Science Foundation en de Amerikaanse luchtmacht hebben programma's die CubeSats financieren voor atmosferisch en ruimteweer onderzoek. Luchtvaart- en ruimtevaartbedrijven zoals Lockheed Martin en Boeing hebben ook CubeSats gebouwd en gevlogen.

NanoRacks LLC, gevestigd in Kentucky, biedt een platform om CubeSat-experimenten te nemen als vracht aan boord van de Space Shuttles naar het internationale ruimtestation gedurende 30 of 60 dagen, waarna ze de kubussen terugbrengen.

Het doel van NASA's nieuwe CubeSat Launch Initiative is om de vluchtmogelijkheden voor nanosatellieten radicaal te ontsluiten. Dit initiatief moet het ook gemakkelijker maken voor universiteiten om te concurreren om lanceertoegang op NASA-lanceervoertuigen.

Er zijn waarschijnlijk tussen de 35 en 40 kleine satellieten die nu rond de aarde draaien, waarvan ongeveer een kwart nog steeds kan werken, zegt Twiggs, nu een professor aan het ruimtevaartcentrum Morehead State University in Kentucky.

Kosten verminderen

Het grootste voordeel van nano- en pico-satellieten is dat ze een koopje zijn. Het grootste deel van de kostenbesparing komt in de opstartfase. In tegenstelling tot conventionele satellieten hebben ze geen speciaal lanceervoertuig nodig, waar ze de primaire lading zijn. ? Ze zijn zo klein dat ze een lift kunnen maken op de raket van iemand anders? Santos zegt.

NASA's nanosatellietmissies kosten $ 2 miljoen per stuk, in tegenstelling tot de tientallen miljoenen die nodig zijn voor een conventionele satelliet.

Hun betaalbaarheid komt ook doordat ze worden gebouwd met standaard elektronische circuitchips zoals microprocessors en radiofrequentiezenders en -ontvangers. Dit zijn dezelfde componenten die zich in smartphones bevinden, in de hand gehouden Global Positioning System-eenheden, en digitale camera's.

De miniaturisering van elektronica is zelfs de drijvende kracht geweest achter kleine satelliettechnologie, waardoor het betaalbaar is, zegt Twiggs. ? Elektronica is tegenwoordig veel energiezuiniger dan elektronica uit het verleden; dat helpt ons? hij zegt. ? Tien of vijftien jaar geleden konden we de componenten niet vinden voor de prijs die we ons konden veroorloven.?

Kleine satellieten zouden niet moeten bijdragen aan het probleem van ruimtepuin omdat ze relatief gemakkelijk te deorbiteren zijn. NASA's aanstaande nanosatellietmissie, Organisme / Organische blootstelling aan orbitale spanningen (O / OREOS), zal een zeil ingepakt hebben dat ingezet zal worden aan het einde van de missie.

? Het vergroot het oppervlak van de satelliet en versnelt de val naar de aarde? Santos zegt. ? Het is zo klein dat het snel zal verbranden zodra het in de atmosfeer komt.? [O / OREOS-missie van dichtbij.]

De lage kosten en de relatief korte doorlooptijd van enkele maanden maken nanosatellieten van onschatbare waarde vanuit het oogpunt van onderwijs. Studenten en jonge ingenieurs kunnen deelnemen aan een project, van het eerste papieren ontwerp tot het bouwen en testen tot de uiteindelijke lancering. Dit geeft de volgende generatie praktische ervaring in ontwikkeling, management en missietraining.

Astrobiologie in miniatuur

Voor NASA zijn goedkope nanosatellieten een ideaal platform voor wetenschap en technologie, inclusief fundamenteel biologie en astrobiologisch onderzoek.

? Astrobiologie is rijp voor het gebruik van kleine satellieten ,? zegt Jason Crusan, hoofdtechnoloog voor ruimtevaartoperaties op het NASA-hoofdkantoor in Washington, D.C. Het uitvoeren van een groot aantal experimenten is het beste voor het bestuderen van biologische processen. ? Als u uw vluchtfrequentie kunt verhogen, verhoogt u het aantal experimenten dat u moet doen, maar hiervoor hebt u een goedkopere oplossing zoals nanosatellieten nodig.?

Trouwens, in tegenstelling tot astronomie lenen experimenten voor astrobiologie zich voor miniaturisatie. Dit komt door de vooruitgang in microfluidics-technologieën en de miniaturisatie van optische detectie-instrumenten. De spectrometer op O / OREOS is bijvoorbeeld zo groot als een snoepreep.

Santos zegt dat er een intense interesse is in astrobiologie en levenswetenschappen om toegang te krijgen tot interplanetaire condities boven een lage baan om de aarde. Dat is waar je kunt bestuderen hoe levende organismen en levensgebonden verbindingen worden beïnvloed door de kosmische straling boven de beschermende atmosfeer van de aarde en door verminderde zwaartekracht. ? Dat is hoe we de grote vragen in de astrobiologie kunnen bestuderen? hij zegt. ? Wat gebeurt er als we naar de ruimte gaan? Of dragen we micro-organismen die wetenschappelijke experimenten kunnen besmetten?

Tot nu toe heeft NASA twee nanosatellieten in een baan met een lage baan tussen 450 en 550 kilometer boven het aardoppervlak gelanceerd. GeneSat, dat in december 2006 werd gelanceerd, bestudeerde de effecten van ruimte op bacteriën, terwijl PharmaSat, dat in mei 2009 steeg, de effecten van antischimmelmiddelen op gistgroei in de ruimte onderzocht. De O / OREOS-satelliet, die eind dit jaar in een baan van 650 kilometer zal worden gelanceerd, zal de effecten bestuderen van een grotere reeks ruimtecondities op microben en belangrijke biologische verbindingen.

In de toekomst kunnen nanosatellieten het mogelijk maken dat experimenten verder reiken dan laaggelegen banen. Ze kunnen in de maanbaan of in een baan om de aarde halverwege tussen de aarde en Venus terechtkomen, of op een dag zelfs op de maan landen. Gezanten van CubeSats met meer slimmeriken en een ingebouwd duwmechanisme kunnen zelfs worden uitgestuurd om grote delen van ons zonnestelsel en daarbuiten te verkennen.

? Naderende andere planeten of landen op het oppervlak, deze nano-ontdekkingsreizigers zouden kunnen zoeken naar verbindingen die het bestaan ā€‹ā€‹van het leven aangeven, hun bevindingen met elkaar en met controllers op aarde communiceren.

Twiggs werkt nu samen met onderzoekers aan de Universiteit van Rome aan kleine 5-centimeter kubussen in zakformaat. Omdat dit een achtste is van het volume van reguliere CubeSats, hoopt Twiggs dat ze dat veel minder zullen kosten. Het team is van plan om in het voorjaar van 2011 acht van deze pocketblokjes te lanceren die zijn verpakt in een draagraket op een Russische ballistische raket.

Nano- en picosatellieten zullen hun grotere neven niet vervangen, er zijn bepaalde experimenten die niet kunnen worden geminiaturiseerd of die meer kracht nodig hebben en dus meer ruimte voor zonnepanelen en antennes.

? Iedereen rijdt niet een kleine auto, er zijn grote vrachtwagens om dingen rond te dragen? Twiggs zegt.? In plaats daarvan moeten kleine satellieten een nieuwe manier openen om onderzoek en onderwijs te doen, wat bewijst dat goede dingen in kleine pakketten kunnen komen.

  • NASA's meest memorabele missies
  • Outer Space Oreos
  • UK gaat de Homegrown Mini-Satellite Cube lanceert