NASA’s idéfabrik tegner rumfartens fremtid

En magnetisk togbane på Månen og asteroider forvandlet til frodige marker – NASA’s drømmefabrik, NIAC, udvælger hvert år nye idéer, der rokker ved grænserne for det mulige. De bedste af dem kommer til at revolutionere rumfarten.

En magnetisk togbane på Månen og asteroider forvandlet til frodige marker – NASA’s drømmefabrik, NIAC, udvælger hvert år nye idéer, der rokker ved grænserne for det mulige. De bedste af dem kommer til at revolutionere rumfarten.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ingeniørerne skal turde tænke stort for at skubbe rumfarten fremad. Det ved NASA, og derfor belønner rumfartsorganisationens NIAC-program hvert år nytænkende forslag til fremtidens rumteknologier.

NIAC er NASA’s eksperimentelle legeplads, hvor universitetsforskere, private firmaer og NASA’s egne afdelinger får – næsten – frie tøjler til at udtænke nye løsninger, som måske kan skabe videnskabelige gennembrud. Det er her, science fiction skal forvandles til færdig teknologi med en tidshorisont på ét til flere årtier.

Idéerne må gerne bygge på teknologi, der endnu ikke er opfundet, men forskerne skal kunne forsvare deres visioner videnskabeligt. De vindende forslag får op til 2 mio. dollars til videreudvikling.

Udforskning

Radioantennen PEDALS ruller selv sine 200 m lange arme ud på Månens overflade og lytter til, hvordan radiosignalerne reflekteres fra undergrunden.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Stueantenne skal vise os Månens fødsel

Tidshorisont: 10 år

Hvornår blev Månen skabt, og hvordan har den udviklet sig gennem milliarder af år? Det kan kæmpeantennen PEDALS (Passively Expanding Dipole Array for Lunar Sounding) gøre forskerne meget klogere på.

PEDALS består af fire sammenrullede baner, der hver er 200 m lange. Hver bane indeholder flere hundrede såkaldte dipolantenner, som sender radiobølger ned i undergrunden ved forskellige frekvenser.

En dipolantenne er en simpel antennetype, som også kendes fra stueantennen på gamle fjernsyn. Den enkle opbygning betyder, at færre dele kan gå i stykker – en stor fordel, når man er langt væk fra elektronikværksteder på Jorden.

Ved at måle forskelle i de reflekterede signaler fra forskellige dybder kan astronomerne kortlægge, hvordan undergrunden er sammensat ned til flere kilometers dybde. Fordelen ved at placere mange antenner direkte på overfladen er, at opløsningen af målingerne bliver højere og dermed kan fortælle forskerne nye detaljer om sammensætningen.

Missionen er udfordrende, fordi PEDALS skal lande på Månens overflade uden menneskelig hjælp. Månen har ingen atmosfære, så her virker faldskærme ikke. Forskerne forestiller sig i stedet, at antennen kan lande i sammenfoldet tilstand omsluttet af en airbaglignende luftpude, som afbøder sammenstødet med Månens overflade.

Antennen folder sig ud efter landing

Med en 400 m lang radioantenne vil forskere kortlægge Månens undergrund flere kilometer ned. Antennens landing afbødes af en airbag, og derefter skal den selv rulle sig ud på Månens overflade.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Antennen rammer Månen i frit fald

Fra et kredsløb omkring Månen bliver antennen PEDALS kastet ned mod overfladen i frit fald. Antennen er forsvarligt pakket ind i en airbaglignende ballon, så sammenstødet med Månens overflade ikke skader den.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Luften lukkes ud af airbaggen

Tyngdepunktet i airbaggen er lagt, så den helst vil lande med antennen nedad mod overfladen. Efter landingen lukkes luften ud af airbaggen, så den sammenrullede antenne bliver frigjort. Antennen består af fire arme.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

3. Antennen ruller sig ud i fuld længde

Antennen er bygget ind i et materiale med formhukommelse og skal derfor ikke bruge motorer til at folde sig ud. Så snart antennen er ude af airbaggen, begynder de fire arme at rulle sig ud i 200 meters længde.

Antenner har allerede vist sig som et effektivt værktøj til at studere fremmede kloder. Rumsonden Mars Express, som er i kredsløb om Mars, afslørede fx i 2018 en sø cirka 1,5 km under iskapperne på planetens sydpol, som til dato er det eneste bevis for flydende vand på Mars. Og sondens 40 m lange antenne er endda langt mindre end PEDALS.

Fiskerobotterne SWIM søger efter spor af liv i de skjulte have på ismånerne Europa og Enceladus. De små robotter søsættes af en moderrobot forbundet til landingsfartøjet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robotfisk leder efter liv i ismåners have

Tidshorisont: 20 år

Jupiters måne Europa og Saturns Enceladus er nogle af de bedste kandidater til at huse liv uden for Jorden. Men de mulige mikrober og havdyr lever i oceaner under månernes iskapper, og det gør det svært at finde dem. Små 3D-printede robotfisk er et nyt bud på en metode til at udforske de skjulte have.

Robotterne med navnet SWIM (Sensing with Independent Micro-swimmers) er op til 25 cm lange og bevæger sig med elmotordrevne finner, som forsynes med strøm fra batterier. Fiskerobotterne kan enten sendes på mission alene eller i flok, hvor de kommunikerer med hinanden via ultralydssignaler.

Hver robot medbringer et sæt sensorer. Et kamera filmer og fotograferer, mens et spektrometer måler den molekylære sammensætning af oceanet for at afgøre, om vandforholdene opfylder betingelserne for biologisk liv.

Robotfiskene søsættes af en moderrobot, der er forbundet med en wire til et landingsfartøj på isens overflade. Moderrobotten fires ned til de flydende vandmasser via sprækker i iskapperne.

Med sine motorstyrede arme kan robotten ReachBot klatre på klipper og i huler, hvor almindelige rovere må give op.

© Marco Pavone

Klatrerobot udforsker huler på Mars

Tidshorisont: 10 år

Marsrovere som Opportunity og Perseverance har efterladt kilometervis af hjulspor i det røde støv, men køretøjerne må give op over for sværttilgængelige steder som klippefremspring eller huler. Det skal klatrerobotten ReachBot lave om på.

Robotten har motorstyrede gribekløer og arme, der skydes ud og ind som teleskopstænger. Dermed bliver ReachBot så fleksibel og adræt, at den kan indtage områder af Mars, som endnu ikke er blevet udforsket.

ReachBot skal bl.a. undersøge brudflader på klippesider, der måske gemmer geologiske lag fra Mars’ helt tidlige livsperiode. Forskere mener, at planeten har haft en atmosfære og et klima, der gjorde oceaner af flydende vand på overfladen muligt. Dermed kan Mars have huset biologisk liv.

Robottens gribekløer kan forankre den til overflader, gribe fat i genstande og bruges til at sætte fra med. Ud over på Mars forestiller forskerne sig, at ReachBot kan bruges som servicerobot på rumstationen ISS, hvor den kan navigere rundt på stationens yderside uden at miste grebet.

Minedrift

Magnettog sætter gang i månebyggeri

Tidshorisont: 20 år

NASA vil sende astronauter til Månen igen i midten af årtiet, og det bliver begyndelsen på en permanent kolonisering af kloden. Men fremtidens månebaser, som efter planen skal opføres i 2030’erne, kræver råmaterialer, og det er mere effektivt at bruge Månens egen jord, regolit, frem for at transportere byggematerialer hele vejen fra Jorden.

Forskere foreslår derfor at bygge en magnettogbane, der hurtigt kan transportere regolit og andre materialer frem til byggepladsen. Konceptet kaldes FLOAT (Flexible Levitation on a Track).

Banen skal konstrueres af et fleksibelt materiale, så den kan udrulles direkte på Månens overflade og derfor ikke kræver store entreprenørmaskiner for at blive anlagt. Sporet beklædes med en tynd solcellefilm, som leverer strøm til systemet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Togbanen rulles ud på Månen

Svævende på et magnetisk spor skal månetoget FLOAT kunne fragte tonsvis af byggematerialer rundt på Månens overflade.

Månejord bruges som byggemateriale

Minerobotter udgraver månejord (regolit) og læsser det over på en bakke på magnettogbanens vogne. Regolitten kan bl.a. bruges til at bygge månebaser af, hvor murene beskytter astronauterne mod skadelig stråling fra rummet.

Togvognene svæver over banen

Hver vogn holdes svævende med et princip kaldet diamagnetisk levitation, hvor et magnetfelt i sporet under vognen frastøder det magnetfelt, der findes naturligt i vognens materiale. Vognen svæver få centimeter over sporet.

Tre lag i sporet skubber toget frem

Sporet består af tre lag. Øverst en solcellefilm, som forsyner banen med strøm. I midten grafit, som udgør modpolen til det materiale, togvognene er bygget af. Og nederst et elektromagnetisk lag, som skubber vognene fremad.

De små vogne med byggematerialer svæver frit i luften over sporet takket være et princip kaldet magnetisk levitation, som i dag bl.a. bruges til højhastighedstog i Japan og Kina. Her bliver hele togsæt holdt svævende over sporet af kraftige elektromagneter, og fordi der ikke er nogen friktion mellem tog og spor, kan magnettogene nå meget høje hastigheder på op til ca. 600 km/t.

Fordelen ved princippet er, at transporten kan ske udelukkende ved brug af elektromagnetisme. Derudover er der ingen bevægelige dele som fx hjul, lejer og aksler, der bliver slidt og skal repareres – en stor fordel i rummet.

Månebanen skal køre med over 2 km/t, og en vogn med en overflade på en kvadratmeter kan bære op til 33 kg. Forskerne forestiller sig, at et fuldt udbygget FLOAT-system hver dag vil kunne fragte flere hundrede tons gods rundt på Månens overflade.

Mars har vand under overfladen, og boreroveren ARD3 kan bore ned til det vha. 1 m lange borerobotter på larvefødder.

© Planet Enterprises/James Vaughan Illustration

Rover borer efter vand dybt nede i Mars

Tidshorisont: 10 år

Forskning fra 2018 peger på, at der er vand omkring 1,5 km under overfladen på Mars’ sydpol. Derfor foreslår forskere at udvikle boreroveren ARD3, som kan bore ned for at finde det.

ARD3-roverens hemmelige våben er såkaldte borebots – 1 m lange borerobotter, der kan bevæge sig op og ned gennem borehullet og langsomt gøre det dybere. Marsroveren Perseverance, der landede på planeten i 2021, kan til sammenligning kun bore 6 cm dybe prøver.

Boreroveren medbringer et dusin borebots, som bliver sendt ned i borehullet en ad gangen. Hver borerobot føres ned i planetens overflade via et rør og begynder derefter udgravningen. Den bevæger sig gradvist ned igennem borehullet ved brug af gummibælter, der presses mod hullets inderside.

Borerobotten udborer omkring 15 cm af undergrunden ad gangen, hvorefter den returnerer med den isede kerne, der analyseres i roverens indbyggede laboratorium. Herefter bliver borerobotten sat til opladning, og en frisk robot sendes ned i borehullet for at fortsætte arbejdet.

I stedet for at grave efter Månens is og metal kan stofferne udvindes med en slags kunstige lyn. Lynet gør molekylerne elektrisk ladede, så de kan opfanges af elektroder.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kunstige lyn høster råstoffer på Månen

Tidshorisont: 20 år

Månen rummer råmaterialer som vandis, jern, aluminium og titanium. Et af forslagene i NIAC-konkurrencen er at udvinde dem med en teknik kaldet ablation, der er langt lettere end udgravning.

Metoden går ud på at skabe kunstige lyn med en slags gnist eller elektrisk udladning mellem to elektroder og lade lynene løsrive molekyler af vand og metal fra overfladen.

Ved processen forvandles molekylerne til ioner, dvs. ladede partikler. Et andet sæt elektroder tiltrækker ionerne og styrer dem ind i beholdere vha. elektromagnetiske felter. Et ablationsanlæg på Månens overflade skal kunne producere 10.000 l vand om året for at understøtte en bemandet base.

Ablation bliver i dag også udforsket som en teknik til at flytte truende asteroider ud af kollisionskurs med Jorden eller til nedskydning af rumskrot i kredsløb om Jorden. Tyske forskere har i 2018 demonstreret, at de ved at affyre en laserpuls med høj energi imod en vingummibamse i frit fald kunne ændre dens hastighed og bane pga. det løsnede materiale.

Kolonisering

Sammenfoldet rumbase vokser 150 gange

Tidshorisont: 20 år

Den trange plads i spidsen af rumraketter sætter store begrænsninger for, hvor meget gods der kan sendes op fra Jorden ad gangen.

Jo flere tons last i spidsen af raketten, jo mere trykkraft skal den kunne levere. Lastrummet i toppen af raketten må heller ikke få for stor en diameter, fordi den så vil blive udsat for et for stort aerodynamisk pres, når raketten suser gennem atmosfærens luft med flere tusind kilometer i timen.

Derfor vil forskere udvikle en sammenklappelig rumstation, der kan være i toppen af en eksisterende Falcon Heavy-raket og udvider sig 150 gange, når den frigives i rummet.

Rumstationen skal ifølge forslaget bygges af såkaldte metamaterialer, som er en ny type af kunstige materialer med egenskaber, der ikke findes i naturlige materialer. Forskerne vil bl.a. gøre rumstationens byggemateriale auksetisk – det betyder, at materialet også udvider sig i bredden, når det bliver strakt ud i længderetningen.

Hvis man trækker i et stykke gummi, bliver gummiet længere i den retning, man trækker i, men kortere på den anden led. Rumstationen bliver derimod både bredere og længere.

Mens rumstationen ISS er bygget af moduler, der er opsendt med mange raketter, skal den nye sammenklappelige rumstation kunne være i toppen af én raket. Alligevel bliver den ti gange så lang som ISS.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Sammenklappelig rumstation

* Længde:
Over 1 km

* Tyngdekraft:
Ca. 1 G (som på Jorden)

* Materialer:
Auksetiske metamaterialer

* Vægt:
Ukendt

* Rotationer pr. minut:
1-2

© NASA

Den Internationale Rumstation

* Længde:
109 m

* Tyngdekraft:
0 G (vægtløshed)

* Materialer:
Aluminium, stål, titanium, kevlar

* Vægt:
440 tons

* Rotationer pr. minut:
0

Effekten kan minde om at puste noget op, men ved oppustning udvides og formes materialet pga. trykket indefra – det auksetiske materiale udvides pga. dets egen opbygning.

Metamaterialer kan også bruges i fx skudsikre veste, hvor plastfibre med auksetiske egenskaber vil blive stærkere i det øjeblik, projektilet rammer og strækker materialet ud i begge retninger.

Rumstationen skal være mindst 1 km lang og rotere 1-2 omgange i minuttet for at skabe kunstig tyngdekraft for astronauterne ombord. Fordelen er, at astronauterne slipper for nogle af de fysiologiske problemer, der opstår ved lange ophold i rummets vægtløshed – fx tab af muskel- og knoglemasse, nyresten og problemer med synet.

Rummet mangler jord til at dyrke fødevarer i. Løsningen kan være at omgive en asteroide med en kunstig atmosfære og lade svampe omdanne klippen til jord, hvor planter kan gro.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Asteroider bliver astronauternes marker

Tidshorisont: 50 år

På rummissioner langt fra Jorden skal astronauterne kunne dyrke deres egne afgrøder for at blive selvforsynende med mad. Selvom planter kan dyrkes i vand med metoden hydroponi, er jord nødvendig for at producere afgrøder i stor skala til fx en marskoloni.

Forskere foreslår derfor at lade svampe omdanne kulstofholdige asteroider til jord, hvor astronauter kan dyrke afgrøder. Selve asteroiden skal omsluttes af en gennemsigtig pose, som både lader sollys passere igennem og kan bevare en atmosfære, som holder svampene i live.

Svampene danner lange tråde kaldet hyfer, som gror ind i asteroiden. Det skaber et tryk, der får klippen til at sprække. Svampesporerne indeholder desuden en syre, som opløser stenmaterialet.

Her på kloden menes svampe at have spillet en afgørende rolle i dannelsen af jord, fordi de er gode til at nedbryde komplekse organiske forbindelser – også dem, der er giftige for biologisk liv. Forsøg har fx vist, at olieforurenet jord kan renses næsten fuldstændigt ved at plante østershatte.

Et teleskop opsamler og videresender sollys til rovere og rumstationer, der omdanner det til strøm vha. solpaneler.

© Ronald Neale

Teleskop sender trådløs strøm på Månen

Tidshorisont: 20 år

Kolonisering af andre kloder kræver strøm til rovere, rumstationer og maskiner. Visionen Light Bender er forskeres bud på trådløs overførsel af strøm som alternativ til at lægge strømkabler ud over Månens overflade.

I et centralt tårn kaldet en heliostat placeres et såkaldt cassegrainteleskop, som opsamler og fokuserer sollyset. Med fresnel-linser bliver lyset nu yderligere samlet og fokuseret som enkelte stråler, der rettes mod de steder, hvor strømmen skal bruges.

Lyset omdannes til elektrisk strøm via 2-4 m store solcellepaneler på den rover eller maskine, der skal bruge strømmen. Det kan fx være en minerobot, der arbejder nede i et månekrater, hvor Solens stråler ellers ikke kan nå frem. Et spejl placeret lokalt ved kraterets kant reflekterer lyset fra Light Bender videre ned i det skyggefyldte krater.

Metoden er ifølge forskerne mere effektiv end fx at overføre strøm med laser, hvor sollys først skal omdannes til laserlys. Med Light Bender konverteres lyset kun til strøm én gang, og dermed går der mindre strøm til spilde.