Los futuros telescopios espaciales podrían tener hasta 100 metros de ancho, construirse en el espacio y luego doblarse en una forma precisa.

Es un momento emocionante para los astrónomos y cosmólogos. Atrás Telescopio espacial James Webb (JWST), los astrónomos han disfrutado de las imágenes más nítidas y detalladas del universo jamás tomadas. webPotentes generadores de imágenes infrarrojas, espectrómetros y dispositivos de imágenes coronales permitirán mucho más en el futuro cercano, incluido todo, desde estudios del universo primitivo hasta estudios de imágenes directas de exoplanetas. Además, muchos telescopios de próxima generación entrarán en funcionamiento en los próximos años con espejos primarios de 30 metros (~98,5 pies), óptica adaptativa, espectrómetros y espectrofotómetros.

Incluso con estos impresionantes instrumentos, los astrónomos y cosmólogos esperan una era en la que estarán disponibles telescopios más avanzados y potentes. por ejemplo, Zachary Cordero
del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) propuso recientemente un telescopio con Espejo principal de 100 m (328 pies) Se construirán de forma independiente en el espacio y se doblarán en forma mediante actuadores electrostáticos. Su propuesta fue uno de los tantos conceptos que eligió este año Conceptos innovadores avanzados de la NASA Programa de Desarrollo NIAC Fase I.

Corder es profesor de desarrollo profesional de Boeing en aeronáutica y astronáutica en el MIT y miembro del Laboratorio de Materiales y Estructuras de Aviación (AMSL) y Centro Satelital Pequeño. Su investigación integra su experiencia en ciencia de procesos, mecánica y diseño para desarrollar nuevos materiales y estructuras para aplicaciones aeroespaciales emergentes. Su propuesta es fruto de una colaboración con Profesor Jeffrey Lang (de los Laboratorios de Tecnología de Electrónica y Microsistemas del MIT) y un equipo de tres estudiantes con AMSL, incluido un Ph.D. estudiante Harsh Jirishbhai Bundia.

Su telescopio propuesto aborda un problema importante con los telescopios espaciales y otras grandes cargas útiles que se empaquetan para el lanzamiento y luego se despliegan en órbita. En resumen, las compensaciones en tamaño y resolución de superficie limitan los telescopios espaciales desplegables a 10 metros de diámetro. Considere la versión lanzada recientemente Telescopio espacial James Webb (JWST), el telescopio más grande y poderoso jamás enviado al espacio. Para acomodar el carenado de carga útil (en la parte superior del cohete Ariane 5), el telescopio fue diseñado para que pudiera plegarse en una forma más compacta.

Esto incluía el espejo primario, el espejo secundario y el protector solar, todo lo cual se desplegó una vez que el telescopio espacial entró en órbita. Mientras tanto, el espejo primario (el más complejo y poderoso de todos) tiene 6,5 metros (21 pies) de diámetro. Su sucesor, el topógrafo ultravioleta/óptico/infrarrojo (LUVOIR), contendrá una matriz plegable similar y un espejo primario con un diámetro de 8 a 15 m (26,5 a 49 pies), según el diseño específico (LUVOIR-A o -B). Como explicó Bhundiya a Universe Today por correo electrónico:

Hoy en día, la mayoría de las antenas de naves espaciales están desplegadas en órbita (por ejemplo, la antena Astromesh de Northrop Grumman) y están optimizadas para un alto rendimiento y ganancia. Sin embargo, tienen limitaciones: 1) Son sistemas desplegables pasivos. cambiando la forma de la antena 2) se vuelven más difíciles de matar a medida que crecen 3) exhiben una compensación entre el diámetro y la resolución, es decir, su precisión disminuye a medida que aumenta su tamaño, lo cual es un desafío para lograr aplicaciones de astronomía y detección que requieren grandes diámetros y alta resolución (como JWST).

Si bien se han propuesto varios métodos de construcción en el espacio para superar estas limitaciones, faltan análisis detallados de su desempeño para construir microestructuras (como reflectores de gran diámetro). Para su propuesta, Cordero y sus colegas realizaron una comparación cuantitativa de todo el sistema de materiales y procesos para la fabricación en el espacio. Finalmente, determinaron que esta limitación podría superarse mediante el uso de materiales avanzados y un nuevo método de fabricación basado en el espacio llamado Bend-Forming.

Esta técnica, inventada por investigadores de AMSL y descrita en A el ultimo papel En coautoría con Bhundiya y Cordero, se basa en una mezcla de Control numérico computarizado (CNC) deformación jerárquica de alto rendimiento y procesamiento de materiales. Como lo explicó Harsh:

“La formación de curvas es un proceso para fabricar estructuras de estructura de alambre en 3D a partir de materias primas de alambre metálico. Funciona doblando un solo hilo de alambre en nodos específicos y en ángulos específicos, y agregando empalmes a los nodos para formar una estructura rígida. Entonces, para fabricar una estructura específica, puede convertirla en instrucciones de doblado que se pueden ejecutar en una máquina como una dobladora de alambre CNC para fabricarla a partir de una sola hebra de materia prima. La principal aplicación de Bend-Forming es la fabricación de la estructura de soporte para una gran antena en órbita. Este proceso es muy adecuado para esta aplicación porque tiene poca energía, puede fabricar estructuras con altas relaciones de compresión y esencialmente no tiene límite de tamaño”.

A diferencia de otros métodos de ensamblaje y fabricación en el espacio, el proceso de formación por flexión consume poca energía y está habilitado únicamente por el entorno de temperatura extremadamente baja del espacio. Además, esta tecnología permite estructuras inteligentes que aprovechan materiales multifuncionales para lograr nuevas combinaciones de tamaño, masa, rigidez y precisión. Además, las estructuras inteligentes resultantes aprovechan los materiales multifuncionales para lograr combinaciones sin precedentes de tamaño, masa, rigidez y precisión, rompiendo los paradigmas de diseño que limitan las estructuras espaciales tradicionales o compatibles con la tensión.

Además de su precisión nativa, las estructuras grandes con un perfil curvilíneo pueden usar sus actuadores electrostáticos para definir una superficie reflectante con precisión submilimétrica. Esto, dijo Harsh, aumentará la precisión de la antena artificial en órbita:

El método de control activo se denomina actuación electrostática y utiliza las fuerzas generadas por la atracción electrostática para dar forma precisa a una rejilla de metal en una forma curva que actúa como un reflector para la antena. Hacemos esto aplicando un voltaje entre la rejilla y una «superficie conductora». «que consiste en una estructura de soporte que se dobla en forma y electrodos desplegables. Al sintonizar este potenciómetro, podemos moldear con precisión la superficie del reflector y lograr una antena parabólica de alta ganancia».

Harsh y sus colegas concluyen que esta tecnología permitirá un espejo difusible con un diámetro de más de 100 m (328 pies) que puede alcanzar una resolución de superficie de 100 m/m y un área específica de más de 10 m.²/ kg. Esta capacidad superará la tecnología radiométrica de microondas existente y podría generar mejoras significativas en los pronósticos de tormentas y una mejor comprensión de los procesos atmosféricos, como el ciclo hidrológico. Esto tendrá importantes implicaciones para los estudios de observación de la Tierra y los exoplanetas.

El equipo demostró recientemente un prototipo de 1 metro (3,3 pies) de un inversor electrostático con una estructura de soporte de flexión en el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA) de 2023. Conferencia SciTech, que se llevó a cabo del 23 al 27 de enero en National Harbor, Maryland. Con esta primera fase de la subvención NIAC, el equipo planea madurar la tecnología con el objetivo final de crear un reflector para medir la radiación de microondas.

Mirando hacia el futuro, el equipo planea investigar cómo usar Bend-Forming en órbita geoestacionaria (GEO) para crear un reflector radiométrico de microondas con un campo de visión de 15 kilómetros (9,3 millas), una resolución terrestre de 35 kilómetros (21,75 millas). ) y una propuesta. Rango de frecuencia de 50 a 56 GHz: rango de ultra alta frecuencia y extrema alta frecuencia (SHF / EHF). Esto permitirá que el telescopio recupere los perfiles de temperatura de las atmósferas de los exoplanetas, una propiedad clave que permite a los astrobiólogos medir la habitabilidad.

«Nuestro objetivo ahora con NIAC es trabajar en la implementación de nuestra tecnología de formación de flexión y actuación electrostática en el espacio», dijo Harsh. «Prevemos fabricar antenas de 100 metros de diámetro en órbita geoestacionaria con una estructura de soporte curva y superficies reflectantes electrostáticamente. Estas antenas permitirán una nueva generación de naves espaciales con mayores capacidades de detección, comunicaciones y potencia».

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