Es ist wieder soweit. NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) hat sechs Konzepte angekündigt, die gefördert werden und in die zweite Entwicklungsphase übergehen. Dies ist immer ein interessanter Blick auf die Technologien und Missionen, die in Zukunft verwirklicht werden könnten.
Die sechs Auserwählten erhalten jeweils 600.000 US-Dollar, um die Ideen in den nächsten zwei Jahren weiterzuverfolgen. Die NASA erwartet, dass jedes Team die zwei Jahre nutzt, um sowohl technische als auch finanzielle Hürden für seine Konzepte zu überwinden. Wenn diese zweite Phase zu Ende geht, könnten einige der Konzepte in die dritte Phase übergehen.
„Diese vielfältigen, Science-Fiction-ähnlichen Konzepte stellen eine fantastische Klasse von Phase-II-Studien dar“, sagte John Nelson, NIAC-Programmleiter am NASA-Hauptquartier in Washington. „Unsere NIAC-Stipendiaten überraschen und inspirieren immer wieder, und dieser Kurs gibt der NASA definitiv viel Anlass zum Nachdenken darüber, was in der Zukunft möglich ist.“
Hier sind sie.
Fluidic Telescope (FLUTE): Ermöglicht die nächste Generation großer Weltraumobservatorien
Teleskope basieren auf Spiegeln und Linsen, unabhängig davon, ob sie auf der Erde oder im Weltraum stationiert sind. Der große Spiegel des JWST hat einen Durchmesser von 6,5 Metern, musste jedoch zusammengeklappt werden, um in die Rakete zu passen, die ihn startete, und sich dann im Weltraum zu entfalten. Das ist eine knifflige Ingenieursleistung. Ingenieure bauen auch immer größere bodengestützte Teleskope, deren Entwurf und Bau gleichermaßen schwierig sind. Könnte FLUTE das ändern?
FLUTE stellt sich Linsen aus Flüssigkeit vor, und das Konzept des FLUTE-Teams beschreibt ein Weltraumteleskop mit einem Primärspiegel von 50 Metern (164 Fuß) Durchmesser. Die Herstellung von Glaslinsen für ein so großes Teleskop ist nicht realistisch. „Unter Verwendung aktueller Technologien scheint die Vergrößerung von Weltraumteleskopen auf Öffnungen mit einem Durchmesser von mehr als etwa 33 Fuß (10 Metern) wirtschaftlich nicht rentabel zu sein“, heißt es auf der FLUTE-Website.
Aber in der Mikrogravitation des Weltraums verhalten sich Flüssigkeiten auf faszinierende Weise. Die Oberflächenspannung hält Flüssigkeiten an ihrer Oberfläche zusammen. Wir können dies auf der Erde beobachten, wo einige Insekten die Oberflächenspannung nutzen, um über die Oberfläche von Teichen und anderen Gewässern zu gleiten. Auch auf der Erde hält die Oberflächenspannung kleine Wassertropfen zusammen. Aber im Weltraum, abseits der dominierenden Schwerkraft der Erde, ist die Oberflächenspannung viel effektiver. Dort behält Wasser die energieeffizienteste Form, die es gibt: eine Kugel.
Eine andere Kraft beherrscht Wasser: die Adhäsion. Durch Adhäsion haften Flüssigkeiten an Oberflächen. In der Mikrogravitation des Weltraums kann Adhäsion Flüssigkeiten in einem kreisförmigen, ringähnlichen Rahmen binden. Aufgrund der Oberflächenspannung nimmt die Flüssigkeit dann auf natürliche Weise eine Kugelform an. Wenn man die Flüssigkeit dazu bringen kann, sich nach innen anstatt nach außen zu wölben, und wenn die Flüssigkeit ausreichend reflektierend ist, entsteht ein Teleskopspiegel.
Das FLUTE-Team möchte optische Komponenten im Weltraum herstellen. Die Flüssigkeit würde im flüssigen Zustand bleiben und eine extrem glatte lichtsammelnde Oberfläche bilden. Als Bonus würde sich FLUTE nach jedem Mikrometeoriteneinschlag auch selbst reparieren.
Die FLUTE-Studie wird von Edward Balaban vom Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley geleitet. Das FLUTE-Team hat bereits einige Tests auf der ISS und bei Schwerelosigkeitsflügen durchgeführt.
FLUTE-Forscher erleben Mikrogravitation an Bord des G-FORCE ONE-Flugzeugs der Zero Gravity Corporation, während sie während einer Reihe von Parabelflügen eine Experimentiernutzlast bedienen. Bildnachweis: Zero Gravity Corporation/Steve Boxall
Gepulste Plasmarakete (PPR): Abgeschirmte, schnelle Transite für Menschen zum Mars
Es dauert zu lange, bis man zum Mars gelangt. Die Reise dauert jeweils sechs Monate, zuzüglich der Zeit, die man an der Oberfläche verbringt. Die ganze Zeit in Schwerelosigkeit, Strahlungseinwirkung und andere Herausforderungen machen die Reise für Astronauten sehr schwierig. PPR möchte das beheben.
PPR ist keine Trägerrakete, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen. Es würde mit einem Schwerlastfahrzeug wie dem SLS gestartet und dann auf die Reise geschickt.
PPR wurde ursprünglich aus dem Pulsed Fission Fusion-Konzept abgeleitet. Aber es ist günstiger und auch kleiner und einfacher. PPR könnte einen Schub von 100.000 N mit einem spezifischen Impuls (Isp) von 5.000 Sekunden erzeugen. Das sind gute Zahlen. PPR könnte die Reisezeit zum Mars auf zwei Monate verkürzen.
Es hat auch andere Vorteile. Es könnte größere Raumschiffe auf Reisen zum Mars befördern, die länger als zwei Monate dauern, mehr Fracht befördern und auch eine stärkere Abschirmung gegen kosmische Strahlung bieten. „Das PPR ermöglicht eine völlig neue Ära der Weltraumforschung“, schreibt das Team.
PPR ist im Grunde ein Fusionssystem, das durch Spaltung gezündet wird. Es ähnelt einer thermonuklearen Waffe. Doch statt einer außer Kontrolle geratenen Explosion wird die kombinierte Energie durch eine Magnetdüse geleitet, um Schub zu erzeugen.
In Phase zwei beabsichtigt das PPR-Team, das Triebwerksdesign zu optimieren, um spezifischere Impulse zu erzeugen, Proof-of-Concept-Experimente für Hauptkomponenten durchzuführen und ein abgeschirmtes Schiff für bemannte Missionen zum Mars zu entwerfen.
Diese Studie wird von Brianna Clements von Howe Industries in Scottsdale, Arizona, geleitet.
Das Große Observatorium für lange Wellenlängen (GO-LoW)
Eine der letzten Grenzen der modernen Astronomie ist der niederfrequente Radiohimmel. Die Ionosphäre der Erde verhindert, dass unsere bodengestützten Teleskope sie sehen können. Und weltraumgestützte Teleskope können es auch nicht sehen. Das liegt daran, dass die Wellenlängen im Meter- bis Kilometerbereich so lang sind. Nur extrem massive Teleskope konnten diese Wellen klar erkennen.
GO-LoW ist eine mögliche Lösung. Es handelt sich um eine weltraumgestützte Anordnung Tausender identischer Kleinsatelliten, die als Interferometer angeordnet sind. Es würde an einem Lagrange-Punkt Erde-Sonne sitzen und Exoplaneten- und Sternmagnetfelder beobachten. Die Magnetfelder von Exoplaneten senden Radiowellen zwischen 100 kHz und 15 MHz aus. Das GO-LoW-Team sagt, dass sein Interferometer die erste Untersuchung exoplanetarer Magnetfelder innerhalb von 5 Parsec (16 Lichtjahren) durchführen könnte. Magnetfelder sagen Wissenschaftlern viel über einen Exoplaneten, seine Entwicklung und seine Prozesse aus.
GO-LoW ist ein Great Observatory-Konzept, um das letzte unerforschte Fenster des elektromagnetischen (EM) Spektrums zu öffnen. Die Ionosphäre der Erde wird bei Wellenlängen von etwa 10 m undurchsichtig, sodass GO-LoW zusammen mit großen Observatorien wie HST und JWST im Weltraum Zugang zu diesem Spektralfenster erhält. Bildnachweis: NASA/GO-LoW
Obwohl es keinen Zweifel daran gibt, dass große Teleskope wie das JWST leistungsstark und effektiv sind, sind sie äußerst komplex und teuer. Und wenn bei einer kritischen Komponente etwas schief geht, könnte die Mission beendet werden.
GO-LoW verfolgt einen anderen Ansatz. Durch den Einsatz Tausender Einzelsatelliten ist das System widerstandsfähiger. GO-LoW hätte eine Hybridkonstellation. Einige der Satelliten wären kleinere und einfachere Satelliten, die „Listener Nodes“ (LN) genannt werden, während eine kleinere Anzahl von ihnen „Communication and Computation Nodes“ (CCNs) wären. Sie würden Daten von den LNs sammeln, verarbeiten und zur Erde zurückstrahlen.
Laut GO-LoW wären nur wenige schwere Starts erforderlich, um eine ganze 100.000 Satellitenkonstellation in den Weltraum zu bringen.
Die Technologie für die SmallSats existiert bereits. Die Herausforderung, der sich das GO-LoW-Team mit seiner Phase-2-Finanzierung stellen wird, besteht darin, ein System zu entwickeln, das alles effektiv zusammenführt. „Die Koordination all dieser physischen Elemente, Datenprodukte und Kommunikationssysteme ist neu und herausfordernd, insbesondere im großen Maßstab“, schreiben sie.
GO-LoW wird von Mary Knapp vom MIT in Cambridge, Massachusetts, geleitet.
Radioisotop-Thermostrahlungszellen-Stromgenerator
Es ist so etwas wie umgekehrte Solarenergie.
Das RTCPG ist eine Energiequelle für Raumfahrzeuge, die die äußeren Planeten besuchen. Sie versprechen eine kleinere, effizientere Stromerzeugung für kleinere Wissenschafts- und Erkundungsmissionen, die kein Solar- oder Atomkraftwerk mitführen können. Beide Systeme sind sperrig und die Solarenergie wird begrenzt, je weiter sich ein Raumschiff von der Sonne entfernt.
Die thermoradiative Zelle (TRC) verwendet Radioisotope, um Wärme zu erzeugen, wie es ein MMRTG tut. Aber der TRC nutzt die Wärme, um Infrarotlicht zu erzeugen, das Strom erzeugt. In ersten Tests erzeugte das System mit der gleichen Menge PU-238 4,5-mal mehr Leistung.
Ein Großteil der Arbeit in Phase zwei wird Materialien umfassen. „Es werden Metall-Halbleiter-Kontakte untersucht, die den erforderlichen erhöhten Temperaturen standhalten“, erklärt das Team. Das Team entwickelte in Phase eins ein spezielles Kryostaten-Testgerät.
„Aufbauend auf unseren Ergebnissen aus Phase I glauben wir, dass es hier noch viel mehr Potenzial zu erschließen gibt“, schreibt das Team.
Diese Konzeptstudie zur Stromerzeugung stammt von Stephen Polly vom Rochester Institute of Technology in New York.
FLOAT: Flexibles Schweben auf einer Schiene
Was wäre, wenn Artemis enorm erfolgreich wäre? Wie können Astronauten ihre Ausrüstung effizient auf der Mondoberfläche bewegen?
Wenn es nach dem Team hinter FLOAT geht, werden sie die erste Eisenbahn auf dem Mond bauen. Irgendwie. Das Konzept dieses Künstlers zeigt eine mögliche zukünftige Mission, die die Mondoberfläche mit dem Planeten Erde am Horizont darstellt. Bildquelle: Ethan Schaler
FLOAT würde den autonomen Transport von Nutzlasten auf dem Mond ermöglichen. „Ein langlebiges Robotertransportsystem wird für den täglichen Betrieb einer nachhaltigen Mondbasis in den 2030er Jahren von entscheidender Bedeutung sein“, schreibt das FLOAT-Team.
Das Herzstück von FLOAT ist eine dreischichtige flexible Schiene, die ohne große Konstruktionsarbeiten in Position gebracht werden kann. Es besteht aus drei Schichten: einer Graphitschicht, einer Flex-Circuit-Schicht und einer Solarpanel-Schicht.
Die Graphitschicht ermöglicht es Robotern, mithilfe der diamagnetischen Levitation über der Strecke zu schweben. Die Flex-Circuit-Schicht liefert den Schub, der sie bewegt, und die Dünnschicht-Solarpanel-Schicht erzeugt Strom für eine Mondbasis, wenn diese im Sonnenlicht liegt.
Das System kann verwendet werden, um Regolith zur In-situ-Ressourcennutzung zu bewegen und Nutzlasten rund um eine Mondbasis zu transportieren, beispielsweise von Landezonen zu Lebensräumen.
„Einzelne FLOAT-Roboter werden in der Lage sein, Nutzlasten unterschiedlicher Form/Größe (>30 kg/m²) mit nützlichen Geschwindigkeiten (>0,5 m/s) zu transportieren, und ein großes FLOAT-System wird in der Lage sein, bis zu 100.000 zu bewegen s kg Regolith/Nutzlast mehrere Kilometer pro Tag“, erklärt das FLOAT-Team.
Mit der Finanzierung der zweiten Phase beabsichtigt das FLOAT-Team, verkleinerte Versionen von FLOAT-Robotern und -Trackern zu entwerfen, zu bauen und zu testen. Anschließend testen sie ihr System in einem analogen Mondprüfstand. Sie testen auch Umwelteinflüsse auf das System und wie sie sich auf die Leistung und Langlebigkeit des Systems auswirken.
Ethan Schaler leitet FLOAT am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien.
UMFANG: ScienceCraft für die Erforschung des äußeren Planeten
Einige der faszinierendsten Planeten und Monde im Sonnensystem liegen weit jenseits von Jupiter. Aber sie zu erkunden ist eine Herausforderung. Extrem lange Reisezeiten, restriktive Missionsfenster und hohe Kosten schränken unsere Erkundung ein. Aber SCOPE zielt darauf ab, diese Einschränkungen zu beseitigen.
Typischerweise verfügt ein Raumschiff über ein Antriebs- und Energiesystem sowie seine Instrumente und Kommunikationssysteme. Die Juno-Mission der NASA zum Jupiter beispielsweise verfügt über einen chemischen Raketentriebwerk als Antrieb, 50 Quadratmeter Solarpaneele und zehn wissenschaftliche Instrumente. Allein die Solarmodule wiegen 340 kg (750 lbs.). Juno ist leistungsstark, produziert eine Vielzahl hochwertiger wissenschaftlicher Daten und ist teuer.
ScienceCraft verfolgt einen anderen Ansatz. Es vereint ein einziges wissenschaftliches Instrument und ein Raumschiff in einer monolithischen Struktur. Es handelt sich im Grunde um ein Sonnensegel mit eingebautem Spektrometer. Sie zielen mit ihrem Entwurf auf das Neptun-Triton-System ab.
Die Darstellung dieses Künstlers zeigt ScienceCraft, das das wissenschaftliche Instrument mit dem Raumschiff integriert, indem es ein Quantenpunktspektrometer direkt auf das Sonnensegel druckt, um eine monolithische, leichte Struktur zu bilden.
Bildquelle: Mahmooda Sultana
„Indem wir ein ultraleichtes, von PI Sultana entwickeltes, auf Quantenpunkten basierendes Spektrometer direkt auf das Sonnensegel drucken, schaffen wir eine bahnbrechende Raumfahrzeugarchitektur, die eine beispiellose Parallelität und einen beispiellosen Durchsatz bei der Datenerfassung und eine schnelle Reise durch das Sonnensystem ermöglicht“, so der Das ScienceCraft-Team schreibt.
Anstatt nur für den Antrieb zu sorgen, fungiert das Segel auch als wissenschaftliches Instrument des Raumfahrzeugs. Aufgrund der geringen Masse könnte ScienceCraft als sekundäre Nutzlast in die Umlaufbahn befördert werden. Das Team sagt, dass sie Phase zwei nutzen werden, um Schlüsseltechnologien für das Raumschiff zu identifizieren und zu entwickeln und das Missionskonzept weiter zu entwickeln. Sie sagen, dass sie aufgrund der geringen Kosten und der Einfachheit bis 2045 fertig sein könnten.
„Indem wir diese Vorteile nutzen, schlagen wir ein Missionskonzept für Triton vor, einen einzigartigen Planetenkörper in unserem Sonnensystem, innerhalb des kurzen Zeitfensters, das sich um 2045 schließt, um zwingende wissenschaftliche Fragen zu Tritons Atmosphäre, Ionosphäre, Wolken und innerer Struktur zu beantworten“, so ScienceCraft Team erklärt.
ScienceCraft wird von Mahmooda Sultana von der NASA im Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland, geleitet.
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