Verkfræðingar þurfa að vera stórhuga til þess að þoka geimferðum fram á við. Þetta veit NASA og því verðlaunar NIAC-verkefni geimferðastofnunarinnar (NASA Innovative Advanced Concept) á ári hverju nýjar tillögur um geimtækni framtíðar.
Hugmyndirnar mega gjarnan byggja á tækni sem er ennþá ekki búið að finna upp en sérfræðingarnir verða að geta gert grein fyrir hugmyndum sínum með vísindalegum hætti.
Bestu tillögurnar fá allt að tvær milljónir dala til frekari þróunar.
Útvarpsloftnetið PEDALS breiðir út 200 m löngum örmum sínum á yfirborð tunglsins og mælir hvernig útvarpsmerkin endurkastast frá jarðlögunum.
Stofuloftnet eiga að sýna okkur fæðingu tunglsins
Tímamörk 10 ár
Hvenær varð tunglið til og hvernig hefur það þróast á milljörðum ára? Þessu er risaloftnetinu PEDALS (Passively Expanding Dipole Array for Lunar Sounding) ætlað að hjálpa vísindamönnum að svara.
PEDALS samanstendur af fjórum samanrúlluðum brautum sem hver er 200 metra löng. Hver braut inniheldur mörg hundruð svokölluð tvípólaloftnet sem senda útvarpsbylgjur niður í jarðlögin með mismunandi tíðni.
Tvípólaloftnet er einföld gerð loftneta sem menn þekkja frá gömlu loftnetunum fyrir sjónvörpin sem voru á öllum þökum. Þessi einfalda uppbygging felur í sér að færri hlutir geta bilað – en það er mikill kostur þegar maður er langt í burtu frá rafeindaverkstæði á jörðu.
Með því að mæla muninn á endurkasti frá mismunandi dýptum geta stjarnfræðingar kortlagt hvernig jarðlögin eru samansett niður á margra kílómetra dýpi. Kosturinn við að setja mörg loftnet beint á yfirborðið er sá að upplausn mælinganna verður hærri og getur þannig greint vísindamönnum frá nýjum smáatriðum um samsetninguna.
Leiðangurinn felur í sér mikla áskorun því PEDALS á að lenda á yfirborði tunglsins án aðstoðar manna. Tunglið hefur engan lofthjúp þannig að fallhlífar koma ekki að notum. Vísindamenn ímynda sér þess í stað að loftnetin geti lent í samanbrotnu ástandi umlukin loftpúðum sem draga úr árekstrinum við yfirborð tunglsins.
Loftnetið breiðir úr sér eftir lendingu
Með 400 metra löngu útvarpsloftneti hyggjast vísindamenn kortleggja jarðlög tunglsins niður á margra kílómetra dýpi. Lending loftnetsins er dempuð með loftbelg en síðan á það sjálft að breiða úr sér á yfirborði tunglsins.
1. Loftnetið skellur á tunglinu í frjálsu falli
Frá sporbraut um tunglið er loftnetinu PEDALS varpað niður að yfirborðinu í frjálsu falli. Loftnetinu er vandlega pakkað inn í loftbelg þannig að áreksturinn við yfirborð tunglsins skemmi það ekki.
2. Lofti hleypt út úr loftbelgnum
Þyngdarpunkturinn í loftbelgnum er þannig að hann mun leggja loftnetið að yfirborðinu. Eftir lendinguna er lofti hleypt út úr loftbelgnum þannig að það losnar um samanrúllað loftnetið. Loftnetið samanstendur af fjórum örmum.
3. Loftnetin rúlla út í fulla lengd
Loftnetið er byggt inn í efni með formminni og því þarf ekki mótora til að breiða úr loftnetinu. Um leið og loftnetið er komið út úr loftbelgnum taka fjórir armarnir til við að rúlla sér út 200 metra.
Loftnet hafa þegar sannað sig sem skilvirk verkfæri við rannsóknir á framandi hnöttum. Könnunarfarið Mars Express sem er á sporbraut um Mars, afhjúpaði t.d. árið 2018 vatn um 1,5 km undir íshellunum á suðurpóli plánetunnar sem er til þessa eina sönnunin um fljótandi vatn á Mars. Og hið 40 metra langa loftnet kannanns er mun minna en PEDALS.
LESTU EINNIG
Fiskiróbotarnir SWIM leita eftir merkjum lífs í leyndum höfum á ístunglunum Evrópu og Enkeladusi. Þessir litlu bottar eru sjósettir af móðurróbota sem tengist lendingarfarinu.
Róbotafiskar leita eftir lífi í höfum ístungla
Tímamörk 20 ár
Tungl Júpíters, Evrópa og Satúrnusar, Enkeladus, eru einhverjir bestu kandídatar til að hýsa líf utan jarðar. En mögulegar örverur og sjávardýr lifa í höfum undir íshellum tunglanna og því er erfitt að finna slíkar verur. Litlir þrívíddarprentaðir róbotafiskar eru nýjasta hugmyndin til að rannsaka þessi leyndu höf.
Róbotar sem nefnast SWIM (Sensing with Independent Micro-Swimmers) eru allt að 25 cm langir og hreyfa sig með rafknúnum uggum sem fá straum frá rafhlöðum. Fiskiróbotana má ýmist senda í leiðangra eina eða í hópum þar sem þeir hafa samskipti sín á milli með úthljóði.
Hver róboti er með sett skynjara. Myndavél tekur myndir á meðan rófsmælir sér um að mæla samsetningu sameinda í höfunum til að ráða hvort aðstæður uppfylli skilyrði fyrir líf.
Róbotafiskarnir eru sjósettir af móðurróbota sem tengist með leiðslu við lendingarfarartæki á yfirborði íssins. Móðurróbotanum er skotið niður í fljótandi vatnsmassana í gegnum sprungur í íshellunni.
Með sínum mótorstýrðu örmum getur bottinn ReachBot klifrað á bergi og í hellum þar sem venjulegir jeppar duga ekki.
Klifurbotti kannar hella á Mars
Tímamörk 10 ár
Mars-jeppar eins og Opportunity og Perseverance hafa skilið eftir sig marga kílómetra af hjólsporum í rauðu rykinu. En farartækin megna ekki að kanna torsótta staði eins og brattar brekkur eða hella. Klifurbotti ReachBot á að bæta úr þessu.
Róbotinn er með mótorstýrðar gripklær og arma sem skjótast inn og út. Þannig er ReachBot bæði svo sveigjanlegur og fimur að hann getur kannað svæði á Mars sem eru alls ókönnuð.
ReachBot á m.a. að rannsaka brotafleti í bergi sem kannski geyma jarðfræðileg lög frá því í bernsku Mars. Vísindamenn telja að plánetan hafi verið með lofthjúp og loftslag og að höf með fljótandi vatni hafi verið á yfrborði hennar. Þannig kann Mars að hafa hýst lífverur.
Gripklær bottans geta fest hann við yfirborð, náð taki á hlutum og lagt þá frá sér. Auk Mars telja fræðimenn að ReachBot megi nota sem þjónustubotta á geimstöðinni ISS, þar sem hann getur farið um stöðina að utanverðu án þess að missa takið.
Segullest hefur smíðavinnu á tunglinu
Tímamörk 20 ár
NASA hyggst senda geimfara til tunglsins um miðjan þennan áratug og það verður upphafið að varanlegri stöð á tunglinu. En til þess að smíða tunglstöð sem fyrirhugað er að gera upp úr 2030, þarf hráefni og því er skilvirkara að nota þau hráefni sem finnast á tunglinu (rególít), fremur en að flytja byggingarefni alla leið frá jörðu.
Vísindamenn leggja því til að smíða segulmagnaða lestarbraut þar sem auðveldlega má flytja rególít og önnur efni á byggingarstaðinn. Hugmynd þessi nefnist FLOAT (Flexible Levitation on a Track).
Brautina á að smíða úr sveigjanlegu efni svo hægt sé að rúlla því beint út á yfirborð tunglsins og þarfnast því ekki stórra vinnuvéla. Sporið er klætt með þunnri sólarsellufilmu sem skilar straumi til kerfisins.
Lestarbraut er rúllað út á tunglinu
Svífandi yfir segulmögnuðu spori á tungllestin FLOAT að geta flutt mörg tonn af byggingarefnum um yfirborð tunglsins.
Jarðvegur notaður sem byggingarefni
Námubottar grafa upp jarðveg og hlaða á bakka á vagni segulbrautarinnar. Rególítið má m.a. nota til að byggja tunglstöðvar þar sem múrinn verndar geimfarana gegn skaðlegri geislun utan úr geimnum.
Lestarvagnar svífa yfir brautarsporinu
Hver vagn helst svífandi með prinsippi sem nefnist „diamagnetic levitation“ þar sem segulsvið í brautarsporinu undir vagninum þrýstist frá því segulsviði sem er að finna náttúrulega í efnum vagnsins. Vagninn svífur nokkra sentimetra yfir sporinu.
Þrjú lög í sporinu þrýsta vagninum áfram
Sporið samanstendur af þremur lögum. Efst er sólarsellufilma sem sér brautinni fyrir straumi. Í miðju er grafít sem myndar gagnstæðan pól við það efni sem lestarvagnarnir eru smíðaðir úr. Og neðst er rafsegulmagnað lag sem þrýstir vögnunum áfram.
Litlir vagnar með byggingarefni svífa frjálsir í loftinu yfir sporinu þökk sé segulsviðstækni (e. magnetic levitation) sem núna er m.a. notuð í ofurhraðlestir í Japan og Kína. Þá er öllum búnaði haldið svífandi yfir sporinu með öflugum rafseglum og þar sem ekkert viðnám er milli vagns og spors geta segulvagnarnir náð miklum hraða eða allt að 600 km/klst.
Kosturinn við þetta er að flutningar gerast einvörðungu með rafsegulmagni. Auk þess eru engir hreyfanlegir hlutar, eins og t.d. hjól, legur og öxlar sem slitna og þarf að gera við – sem er mikill kostur úti í geimnum.
Tunglvagninn á að keyra á 2 km/klst. og vagn sem er með eins fermetra yfirborð getur borið allt að 33 kg. Vísindamenn telja að fullbyggt FLOAT-kerfi geti á hverjum degi flutt mörg hundruð tonn af byggingarefnum um yfirborð tunglsins.
LESTU EINNIG
Vatn finnst undir yfirborði Mars og borjeppinn ARD3 getur borað niður í það með eins metra löngum borbottum á lirfufótum.
Jeppi borar eftir vatni djúpt niður í Mars
Tímamörk 20 ár
Rannsókn frá árinu 2018 bendir til að vatn sé að finna um 1,5 kílómetra undir yfirborðinu á suðurpóli Mars. Því leggja vísindamenn til að þróa borjeppann ARDR sem er ætlað að bora niður til að finna vatnið.
Leynilegt vopn ARDR-jeppans er svokallaður borbotti – eins metra langur borróboti sem getur hreyft sig upp og niður í borholunni og dýpkað hana hægt og rólega. Marsjeppinn Perseverance sem lenti á plánetunni árið 2021, getur til samanburðar einungis borað 6 cm djúp sýni.
Borjeppinn er með tylft borbotta innanborðs sem eru sendir niður í borholuna einn í senn. Hver borbotti er leiddur niður í gegnum yfirborð plánetunnar í röri og byrjar síðan að grafa. Hann hreyfist hægt niður borholuna á gúmmíbeltum sem þrýstast að innri hliðum holunnar.
Borbottinn borar um 15 cm í senn en snýr síðan aftur með frosinn kjarna sem er greindur í innbyggðri rannsóknarstofu jeppans. Þessu næst er borbottinn látinn hlaða sig á ný og ferskur botti sendur niður í borholuna til að halda starfinu áfram.
Í stað þess að grafa eftir ís og málmum á tunglinu má vinna efnin með eins konar tilbúinni eldingu. Eldingin gerir sameindirnar rafhlaðnar þannig að fanga má þær með rafskautum.
Gervielding vinnur hráefni á tunglinu
Tímamörk 20 ár
Á tunglinu er að finna hráefni eins og vatn, járn, ál og títan. Ein af hugmyndum í NIAC-samkeppninni er að vinna þessi hráefni með tækni sem nefnist brottnám (e. ablation) sem er mun auðveldari heldur en uppgröftur.
Aðferðin gengur út á að skapa eldingu með eins konar neista eða rafhleðslu milli tveggja rafskauta og láta eldingarnar rífa burt sameindir með vatni og málmi frá yfirborðinu.
Í ferlinu umbreytast sameindirnar í samsætur, þ.e.a.s. hlaðnar agnir. Annað sett rafskauta dregur til sín samsæturnar og stýrir þeim inn í ílát með rafsegulsviði. Slíkur búnaður á yfirborði tunglsins gæti framleitt 10.000 lítra af vatni á ári fyrir mannaða geimstöð.
Slíkt brottnám er núna rannsakað sem tækni til að flytja ógnandi smástirni af árekstrarbraut við jörðu eða til að skjóta niður geimrusl á sporbrautum um jörðu. Þýskir vísindamenn hafa sýnt árið 2018 að með því að skjóta leysigeislapúls með mikilli orku að bangsa úr sælgætishlaupi í frjálsu falli mátti breyta hraða hans og braut vegna þess efnis sem losnar af honum.
Samanbrotin geimstöð vex 150-falt
Tímamörk 20 ár
Þröngt rými í trjónu geimeldflauga takmarkar verulega hve mikinn farm má senda upp frá jörðu í hvert sinn.
Þess fleiri tonn sem eru í trjónunni, því meiri þrýstikraft þarf. Lestin í toppinum á eldflauginni má heldur ekki hafa of mikið þvermál, því þá myndi trjónan verða fyrir miklu viðnámi þegar eldflaugin þeysist í gegnum lofthjúpinn mörg þúsund kílómetra á klukkustund.
Því hyggjast sérfræðingar þróa samanbrotna geimstöð sem getur verið í trjónu núverandi Falcon Heavy-eldflaugar og þenst út 150-falt þegar hún er losuð úti í geimnum.
Geimstöð þessi verður byggð úr svonefndum metaefnum sem er ný gerð af tilbúnum efnum með eiginleika sem ekki er að finna í náttúrulegum byggingarefnum. Sérfræðingar vilja m.a. gera byggingarefni geimstöðvarinnar þannig að efnið þenur sig út á breidduna þegar það er strekkt út á lengdina.
Ef maður togar í gúmmíbút verður gúmmíið lengra í þá átt sem það er togað í en styttra á hinn veginn. Geimstöðin verður hins vegar bæði breiðari og lengri.
Tíu sinnum lengri en ISS
Meðan geimstöðin ISS er smíðuð úr einingum sem eru sendar upp með mörgum eldflaugum á þessi nýja samanbrjótanlega geimstöð að vera í toppi eldflaugar. Engu að síður verður hún tíu sinnum lengri en ISS.
Samanbrjótanleg geimstöð
Lengd
Meira en 1 km
Þyngdarkaftur
Um 1 g (eins og á jörðu)
Efni
Teygjanlegt metaefni
Þyngd
Óþekkt
Snúningar á mínútu:
1 – 2
Alþjóðleg geimstöð
Lengd
109 m
Þyngdarkraftur:
U.þ.b. 1G (svipað og á jörðinni)
Efni:
Ál, stál, títan, kevlar
Þyngd:
440 tonn
Snúningar á mínútu:
0
Þessu má líkja við að blása eitthvað upp en við uppblásturinn þenst og mótast efnið vegna þrýstings innan frá – efnið stækkar þannig hornrétt á teygjustefnuna vegna eigin uppbyggingar.
Metaefni má einnig nota í skotheld vesti þar sem plasttrefjar verða sterkari á því augnabliki sem skotið skellur á vestinu og togar efnið út í báðar áttir.
Geimstöðin á að vera minnst 1 km löng og snúast 1 – 2 sinnum á mínútu til að skapa gerviþyngdarkraft fyrir geimfara um borð. Kostur þessa er að geimfararnir sleppa þannig við nokkur líkamleg vandamál sem koma gjarnan fram við lengri dvöl í þyngdarleysi geimsins – t.d. minnkandi vöðva- og beinamassa, nýrnasteina og sjóntruflanir.
Í geimnum er skortur á jarðvegi til að rækta matvæli. Lausnin gæti falist í að umlykja smástirni með gervilofthjúp og láta sveppi umbreyta bergtegundum í jarðveg þar sem plöntur geta vaxið.
Smástirni verða akrar geimfara
Tímamörk 50 ár
Í geimleiðöngrum langt frá jörðu verða geimfarar að geta ræktað eigin matvæli til að vera sjálfbærir. Þrátt fyrir að rækta megi plöntur í vatni er jörð nauðsynleg til að framleiða uppskeru í miklu magni fyrir t.d. nýlendu á Mars.
Sérfræðingar leggja því til að láta sveppi umbreyta kolefnisríkum smástirnum í jarðveg, þar sem geimfarar geta ræktað grænmeti. Umlykja þarf smástirnið með gegnsæjum poka sem hleypir þannig sólarljósi í gegn og getur einnig varðveitt það loft sem heldur sveppunum á lífi.
Sveppirnir mynda langa þræði sem gróa inn í smástirnið. Það skapar þrýsting sem verður til þess að bergið springur smám saman. Sveppagróin innihalda auk þess sýru sem leysir upp steinefnin.
Hér á jörðu eru sveppir taldir hafa skipt sköpum í myndun jarðvegs því þeir eru einstaklega færir í að brjóta niður flókin lífræn efnasambönd – einnig þau sem eru eitruð. Tilraunir hafa t.d. sýnt að olíumengaða jörð má hreinsa nánast algjörlega með því að nota ostrusveppi.
Sjónauki safnar saman og sendir áfram sólarljós til jeppa og geimstöðva sem umbreyta því í straum með sólarþiljum.
Sjónauki sendir þráðlaust rafmagn til tunglsins
Landnám á öðrum hnöttum krefst rafmagns fyrir jeppa, geimstöðvar og önnur tól og tæki. Hugmyndin um Light Bender er lausn sérfræðinga á því að senda straum þráðlaust í stað þess að leggja kapla á yfirborði tunglsins.
Í einum miðlægum turni sem nefnist heliostat er komið fyrir svonefndum cassegrain-sjónauka sem safnar saman og fókuserar sólarljósi. Með fresnel-linsum er ljósinu þjappað enn meira saman og því fókuserað sem stökum geislum sem er beint til þeirra staða þar sem rafmagnið verður nýtt.
Ljósið umbreytist í rafstraum með 2 – 4 m stórum sólarþiljum á jeppum eða á því tæki sem nýtir strauminn. Það gæti verið smáróboti sem vinnur niðri í tunglgíg þar sem geislar sólar ná annars ekki fram. Spegill við gígbarminn getur endurvarpað ljósi frá Light Bender áfram niður í skuggsælan gíginn.
Aðferðin er samkvæmt vísindamönnum skilvirkari en t.d. að flytja straum með leysigeislum þar sem fyrst þarf að umbreyta sólarljósi í leysigeisla. Með Light Bender er ljósinu umbreytt í rafmagn með einni aðgerð og þar með fer minni straumur til spillis.
