_ Viitoarele telescoape spațiale ar putea fi 100 metri diametru, construit în spațiu și îndoit într-o formă precisă

Este un moment interesant pentru astronomi și cosmologi. De la telescopul spațial James Webb (JWST), astronomii au fost tratați cu cele mai vii și detaliate imagini ale universului realizate vreodată. Puternicele imagini în infraroșu, spectrometrele și corografele Webb vor permite și mai multe în viitorul apropiat, inclusiv totul, de la sondaje ale universului timpuriu până la studii de imagistică directe ale exoplanetelor. Mai mult, mai multe telescoape de ultimă generație vor deveni operaționale în următorii ani, cu oglinzi primare de 30 de metri (~98,5 picioare), optică adaptivă, spectrometre și coronagrafe.

Chiar și cu aceste instrumente impresionante, astronomii și cosmologii așteaptă cu nerăbdare o eră în care sunt disponibile telescoape și mai sofisticate și mai puternice. De exemplu, Zachary Cordero de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) a propus recent un telescop cu o oglindă primară de 100 de metri (328 de picioare) care să fie construită în mod autonom în spațiu și îndoită în formă de dispozitive de acționare electrostatice. Propunerea sa a fost unul dintre câteva concepte selectate anul acesta de programul NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) pentru dezvoltarea fazei I.

Corder este profesor de dezvoltare a carierei Boeing în Aeronautică și Astronautică la MIT și membru al MIT. Laboratorul de materiale și structuri aerospațiale (AMSL) și Centrul mic de satelit. Cercetările sale integrează expertiza sa în știința prelucrării, mecanică și design pentru a dezvolta materiale și structuri noi pentru aplicații aerospațiale emergente. Propunerea sa este rezultatul unei colaborări cu Prof. Jeffrey Lang (de la MIT's Electronics and the Microsystems Technology Laboratories) și o echipă de trei studenți cu AMSL, inclusiv Ph.D. studentul Harsh Girishbhai Bhundiya.

Telescopul propus de ei abordează o problemă cheie cu telescoapele spațiale și alte încărcături utile mari care sunt împachetate pentru lansare și apoi desfășurate pe orbită. Pe scurt, compromisurile privind dimensiunea și precizia suprafeței limitează diametrul telescoapelor spațiale desfășurate la 10 de metri. Luați în considerare telescopul spațial James Webb (JWST), lansat recent, cel mai mare și mai puternic telescop trimis vreodată în spațiu. Pentru a se potrivi în carenarea sarcinii utile (pe deasupra unei rachete Ariane 5), telescopul a fost proiectat astfel încât să poată fi pliat într-o formă mai compactă.

Aceasta a inclus oglinda primară, oglinda secundară și parasolarul, care toate s-au desfăşurat odată ce telescopul spaţial a fost pe orbită. Între timp, oglinda principală (cea mai complexă și mai puternică implementată vreodată) măsoară 6,5 metri (21 picioare) în diametru. Succesorul său, Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), va avea un ansamblu pliabil similar și o oglindă primară cu un diametru de 8 până la 15 metri (26,5 până la 49 de picioare) – în funcție de designul selectat (LUVOIR-A sau - B). După cum a explicat Bhundiya pentru Universe Today prin e-mail:

„Astăzi, majoritatea antenelor navelor spațiale sunt instalate pe orbită (de exemplu, antena Astromesh a lui Northrop Grumman) și au fost optimizate pentru a obține performanțe și câștig înalte. Cu toate acestea, au limitări. : 1) Sunt sisteme implementabile pasive. Adică, odată ce le implementați, nu puteți modifica în mod adaptiv forma antenei. 2) Devin greu de rotit pe măsură ce dimensiunea lor crește. 3) Prezintă un compromis între diametru și precizie. Adică precizia lor scade pe măsură ce dimensiunea lor crește, ceea ce reprezintă o provocare pentru realizarea aplicațiilor de astronomie și de detectare care necesită atât diametre mari, cât și precizie ridicată (de exemplu, JWST)."

În timp ce au fost propuse multe metode de construcție în spațiu pentru a depăși aceste limitări, lipsesc analizele detaliate ale performanței lor pentru structurile de precizie a construcției (cum ar fi reflectoarele cu diametru mare). De dragul propunerii lor, Cordero și colegii săi au efectuat o comparație cantitativă, la nivel de sistem, a materialelor și proceselor pentru fabricarea în spațiu. În cele din urmă, ei au stabilit că această limitare ar putea fi depășită folosind materiale avansate și o nouă metodă de fabricație în spațiu numită bend-forming.

Această tehnică, inventată de cercetătorii de la AMSL și descrisă într-o lucrare recentă co- scris de Bhundiya și Cordero, se bazează pe o combinație de procesare a deformării cu control numeric computerizat (CNC) și materiale ierarhice de înaltă performanță. După cum a explicat Harsh:

„Formarea îndoirii este un proces de fabricare a structurilor de sârmă 3D din materie primă de sârmă metalică. Funcționează prin îndoirea unui singur fir de sârmă la anumite noduri și cu unghiuri specifice și adăugând îmbinări la nodurile pentru a face o structură rigidă.Deci, pentru a fabrica o structură dată, o convertiți în instrucțiuni de îndoire care pot fi implementate pe o mașină ca un îndoitor de sârmă CNC pentru a o fabrica dintr-un singur fir de materie primă. Aplicația cheie a formării îndoit este de a fabrica structura suport pentru o antenă mare pe orbită. Procesul este potrivit pentru această aplicație deoarece are o putere redusă, poate fabrica structuri cu rapoarte de compactare ridicate și, în esență, nu are limită de dimensiune."

Spre deosebire de alte abordări de asamblare și producție în spațiu, formarea îndoirii are o putere redusă și este posibilă în mod unic de mediul cu temperatură extrem de scăzută din spațiu. În plus, această tehnică permite structurilor inteligente care folosesc materiale multifuncționale pentru a obține noi combinații de dimensiune, masă, rigiditate și precizie. În plus, structurile inteligente rezultate folosesc materiale multifuncționale pentru a obține combinații fără precedent de dimensiune, masă, rigiditate și precizie, rupând paradigmele de proiectare care limitează structurile convenționale de ferme sau spațiale aliniate la tensiune.

Pe lângă cele native. precizie, structurile mari îndoite își pot folosi actuatoarele electrostatice pentru a contura suprafața reflectorului cu o precizie submilimetrică. Acest lucru, a spus Harsh, va crește precizia antenei fabricate pe orbită:

„Metoda de control activ se numește acționare electrostatică și folosește forțele generate de atracția electrostatică pentru a modela cu precizie o plasă metalică într-o formă curbată. care acționează ca reflector al antenei. Facem acest lucru aplicând o tensiune între plasă și o „suprafață de comandă” care constă din structura suport formată îndoit și electrozi desfășurabili. Prin ajustarea acestei tensiuni, putem modela cu precizie suprafața reflectorului și obținem o antenă parabolică cu câștig mare.”

Harsh și colegii săi deduc că această tehnică va permite o oglindă deplasabilă cu un diametru de peste 100 de metri (328 ft) care ar putea atinge o precizie a suprafeței de 100 m. /m și o suprafață specifică mai mare de 10 m2/kg. Această capacitate ar depăși tehnologia existentă de radiometrie cu microunde și ar putea duce la îmbunătățiri semnificative în prognozele furtunilor și la o înțelegere îmbunătățită a proceselor atmosferice precum ciclul hidrologic. Acest lucru ar avea implicații semnificative pentru observarea Pământului și studiile exoplanetelor.

Echipa a demonstrat recent un prototip de 1 metru (3,3 ft) al unui reflector acționat electrostatic cu o structură de susținere îndoită la Institutul American de 2023. Conferința SciTech de Aeronautică și Astronautică (AIAA), care a avut loc între 23 și 27 ianuarie în National Harbor, Maryland. Cu acest grant NIAC de faza I, echipa intenționează să maturizeze tehnologia cu scopul final de a crea un reflector de radiometrie cu microunde.

Privind în viitor, echipa intenționează să investigheze modul în care formarea îndoirii poate fi utilizată pe orbita geostaționară (GEO) pentru a crea un reflector de radiometrie cu microunde cu un câmp vizual de 15 km (9,3 mi), o rezoluție la sol de 35 km. (21,75 mi) și un interval de frecvență propus de 50 până la 56 GHz - intervalul de frecvență super-înalt și extrem de ridicat (SHF/EHF). Acest lucru va permite telescopului să preia profilele de temperatură din atmosferele exoplanetelor, o caracteristică cheie care le permite astrobiologilor să măsoare locuibilitatea.

„Scopul nostru cu NIAC acum este să lucrăm la implementarea tehnologiei noastre de formare în curbură și acționare electrostatică. în spațiu”, a spus Harsh. „Ne imaginăm fabricarea de antene cu diametrul de 100 m pe orbită geostaționară cu o structură de susținere îndoită și suprafețe reflectoare acționate electrostatic. Aceste antene vor permite o nouă generație de nave spațiale cu capacități sporite de detectare, comunicare și putere.”

(Fluierul)