In Zukunft werden wir zur Oberfläche der Venus gehen, um Proben zu sammeln! Die Verschmelzung von Science-Fiction und Technologie sorgt für eine andere Art von Spannung

Stellen Sie sich einen Tag in der Zukunft vor. Astronauten betraten den Mars in maßgeschneiderten Raumanzügen und atmeten Sauerstoff, der von der Marsatmosphäre erzeugt wurde. Ein aufblasbares, vogelähnliches Fahrzeug fliegt durch den Himmel der Venus und erforscht die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten und die Wettermuster ...

Dies klingt wie etwas, das direkt aus der Science-Fiction stammt, könnte aber in nicht allzu ferner Zukunft Realität werden. Im Februar 2022 gab die NASA auf ihrer offiziellen Website die Auswahlergebnisse des diesjährigen Innovative Advanced Concepts Program bekannt. Insgesamt wurden 18 Projekte ausgewählt. In diesem Artikel werden neun innovative Lösungen ausgewählt, die eng mit dem Bereich der Erforschung des Weltraums verbunden sind, und kurz beschrieben. Dabei werden unter anderem Asteroidenabwehr, In-situ-Ressourcennutzung, Lebenserhaltung, Probenrückführung, autonome Sonden usw. behandelt. In der Hoffnung, allen etwas Inspiration zu bieten.

Menschliches Terminal-Verteidigungssystem

Berichten zufolge würde ein Asteroid mit einem Durchmesser von mehr als einem Kilometer, der auf die Erde trifft, eine gewaltige Explosion und einen Tsunami auslösen und die Menschheit wäre von der Ausrottung bedroht. Vor 65 Millionen Jahren schlug ein Asteroid mit einem Durchmesser von 10 Kilometern an der Küste der Halbinsel Yucatan in Mexiko ein und führte zum Aussterben von fast 75 % der Arten auf der Erde, darunter auch Dinosaurier. Im Jahr 1908 und 2013 kam es in Tunguska und Tscheljabinsk in Sibirien (Russland) zu Meteoritenexplosionen, die 80 Millionen Bäume zerstörten und über 1.000 Menschen verletzten. Als Reaktion auf die möglichen Gefahren durch Asteroiden haben Länder auf der ganzen Welt entsprechende Untersuchungen durchgeführt und eine Reihe aktiver Verteidigungspläne vorgeschlagen. Derzeit gibt es drei Hauptmethoden zur aktiven Asteroidenabwehr: Eine besteht darin, die Umlaufbahn eines Asteroiden durch kinetische Einschläge zu verändern, wie etwa das Deep Space Impact Program der Vereinigten Staaten und das Double Asteroid Redirect Test (DART)-Programm; Eine davon besteht darin, langfristige Kräfte zu nutzen, um die Umlaufbahn eines Asteroiden zu verändern, beispielsweise mit einem Raumschlepper. und die andere besteht in der Verwendung einer nuklearen Explosion.

Philip Rubin von der University of California schlug einen planetaren Verteidigungsplan auf Grundlage vorhandener Technologie vor. Durch den Einsatz einer Reihe kleiner kinetischer Hyperschallgeschosse im Weltraum, die Asteroiden oder Kometen zerstören und zerlegen, kann die Erde vor Asteroideneinschlägen geschützt werden. Mit diesem Ansatz lassen sich Asteroiden mit einem Durchmesser von Hunderten von Metern wirksam abwehren. Die Effektivität der Abwehr hängt jedoch hauptsächlich von der zum Abfangen des Asteroiden benötigten Zeit und von der Größe des Asteroiden ab. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das letzte Verteidigungssystem der Menschheit in der Lage gewesen wäre, einen Asteroiden der gleichen Größe wie beim Tunguska-Ereignis (50 Meter Durchmesser und eine Explosionskraft von etwa 1.000 Megatonnen) nur fünf Stunden vor dem Aufprall zu zerstören. Auch größere Ziele wie Apophis (370 Meter Durchmesser) können 10 Tage vor dem Aufprall abgefangen werden. Wenn das System bereits im Orbit oder auf einer Mondbasis stationiert ist, ist die Reaktionszeit des Systems sogar noch kürzer.

Schematische Darstellung des Asteroidenabwehrplans

Der aktive Asteroidenschutz ist für den Menschen ein wirksames Mittel, um mit Planeten- und Kometeneinschlägen umzugehen. Darüber hinaus ermöglicht es dem Menschen erstmals, tatsächlich autonom mit der Bedrohung durch Asteroiden umzugehen.

Rückgabe von Atmosphären-/Wolkenpartikelproben der Venus

Astronomen des MIT haben ein neues Raumfahrzeugdesign für eine Probenrückführungsmission zur Venus vorgeschlagen, um die Bewohnbarkeit der Wolkenregionen der Atmosphäre des Planeten zu untersuchen und nach Lebenszeichen zu suchen.

Seit Jahrzehnten wird aufgrund der gemäßigten Wolkenschicht spekuliert, dass die Venus ein bewohnbarer Planet sei. Trotz des extrem niedrigen Wassergehalts und des Vorkommens konzentrierter Schwefelsäure in den Wolken der Venus stützen lange ungeklärte atmosphärische Messungen und neue Entdeckungen die Annahme, dass es auf der Venus mikrobielles Leben geben könnte. Astrobiologische Forschung steht bei diesem Projekt allerdings nicht im Mittelpunkt.

Das Flugsystem besteht in diesem Plan aus einer Orbitalsonde und einem Orbiter. Die Orbitalsonde besteht aus einem Ballon mit variabler Höhe, der in einer Höhe von 45 bis 60 Kilometern operiert. In der Gondel des Ballons befinden sich die Probenentnahmeausrüstung und das Aufstiegsfahrzeug. Nachdem die Probenentnahme an verschiedenen Stellen in der Atmosphäre abgeschlossen ist, steigt die Luftplattform auf eine Höhe von etwa 70 Kilometern auf, das Aufstiegsfahrzeug wird gestartet und trifft auf den Orbiter, und anschließend werden die Proben zurückgebracht. Das Programm unterstützt das Ziel der NASA, das menschliche Verständnis durch neue wissenschaftliche Entdeckungen zu erweitern, und ihre Mission, „Fortschritte in Wissenschaft, Technologie und Weltraumforschung voranzutreiben, um das menschliche Erkenntnisvermögen zu erweitern.“

Schematische Darstellung des Venus-Probenrückführungsplans

„Maßgeschneiderter“ Raumanzug zur Marserkundung

Der extravehiculare Raumanzug kann als humanoides „Raumschiff“ betrachtet werden, das Astronauten vor der rauen Umgebung des Weltraums schützt und ihnen eine Mikroumgebung zum Überleben bietet. Doch aus verschiedenen Gründen erfüllten nicht alle Raumanzüge ihre Funktion gut und viele Besatzungsmitglieder erlitten Probleme wie Schulterverletzungen und Nagelverlust. Daher sind maßgeschneiderte Raumanzüge eine wirksame Möglichkeit, die Probleme der verschiedenen Besatzungsmitglieder zu lösen. Doch wie lässt sich dies schnell und effizient bewerkstelligen? Forscher der Texas A&M University haben die Antwort. Sie untersuchen die Machbarkeit der Herstellung kostengünstiger, leistungsstarker, maßgeschneiderter Raumanzüge für die Marserkundung. Durch digitales Körperscannen, digitales Design/Analyse und robotergestützte Fertigung erstellen sie letztendlich ein digitales Modell, das als Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Raumanzüge dient.

Schematische Darstellung eines Raumanzugs zur Marserkundung

Das Projekt zielt darauf ab, mehrere große Probleme der Erforschung des Weltraums zu lösen: 1. Die Fähigkeit, Raumanzüge für Außenbordeinsätze schnell zu entwerfen und herzustellen, basierend auf den individuellen Unterschieden verschiedener Astronauten; 2. Die Fähigkeit, ein digitales Zwillingssystem zu etablieren und das Design von Raumanzügen auf der Grundlage von Erfahrungen und gewonnenen Erkenntnissen kontinuierlich zu optimieren und zu verbessern; 3. Forscher im Weltraum können bestimmte Komponenten von Raumanzügen für Außenbordeinsätze vor Ort auf der Grundlage digitaler Dateien herstellen oder reparieren. 4. Integrieren Sie die Digitalisierung von Raumanzügen in die gesamte Architektur und den Operationsplan der Marsmission, einschließlich Nachschub, Reparatur und Herstellung vor Ort sowie Wiederverwendung von Rohstoffen.

Mars Fest installierter, tragbarer Sauerstoffkonzentrator

Eine der größten Herausforderungen bei bemannten Missionen zum Mars ist die In-situ-Ressourcennutzungstechnologie (ISRU), um das Problem der langfristigen Marserkundung ohne unmittelbaren Zugang zu Versorgungsgütern zu lösen. Insbesondere Sauerstoff – sowohl ein Treibstoff für das Mars Ascent Vehicle (MAV) als auch eine wesentliche Ressource zur Erhaltung des Lebens. Die von der Arizona State University vorgeschlagene Lösung zur Sauerstofferzeugung nutzt hauptsächlich das sogenannte Temperaturwechseladsorptions-/-desorptionsverfahren (TSSD), um Sauerstoff unter Verwendung der Marsatmosphäre als Rohstoff zu erzeugen. Im Vergleich zur bestehenden Technologie kann der Energieverbrauch bei der Produktion der gleichen Sauerstoffmenge um das Zehnfache gesenkt werden.

Funktionsweise tragbarer Sauerstoffkonzentratoren

Im April 2021 führte die NASA das Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) auf dem Perseverance Rover durch und produzierte dabei erstmals erfolgreich 5,37 Gramm Sauerstoff. Dies entspricht der Sauerstoffmenge, die Astronauten auf dem Mars benötigen, um 10 Minuten lang zu atmen. Schätzungen zufolge kann diese Technologie weniger als 10 Gramm Sauerstoff pro Stunde produzieren, theoretisch sind jedoch maximal 12 Gramm Sauerstoff pro Stunde möglich. MOXIE funktioniert, indem es Sauerstoffatome von Kohlendioxidmolekülen abtrennt. Der nach der Trennung entstehende Abfall – Kohlenmonoxid – wird in die Marsatmosphäre freigesetzt.

Im Vergleich zur MOXIE-Technologie bietet die TSSD-Technologie Vorteile hinsichtlich Effizienz, Energieverbrauch, Robustheit, Flexibilität usw. Was die Effizienz betrifft, so wird erwartet, dass die Effizienz der Sauerstofferzeugung mithilfe der TSSD-Technologie zehnmal höher ist als die der MOXIE-Technologie. Bei der MOXIE-Technologie beträgt die zur Erzeugung des Sauerstofftreibstoffs erforderliche Leistung mindestens 30 kW, während bei TSSD nur 4 kW erforderlich sind. In Bezug auf die Flexibilität benötigt TSSD nur wenige Minuten zum Starten (im Vergleich zu einigen Stunden bei MOXIE) und kann mit intermittierenden Situationen und Neustarts umgehen. In Bezug auf die Robustheit ist die TSSD-Technologie einfach, kostengünstig, hat keine rotierenden Teile, hat eine lange Lebensdauer und ist nicht anfällig für Kohlenstoffablagerungen. Beide Technologien erfordern eine Energieumwandlung, um die Sauerstoffproduktion zu erreichen. Die Umwandlungstemperatur der TSSD-Technologie beträgt etwa 260 °C, und die für die Umwandlung der MOXIE-Technologie erforderliche Temperatur beträgt etwa 800 °C, was höhere Anforderungen an die hitzebeständigen Materialien des Instruments stellt. Wenn der Plan durchführbar ist, wird TSSD die Fähigkeit, Ressourcen auf dem Mars vor Ort zu nutzen, erheblich verbessern, die Risiken der menschlichen Erkundung des Mars deutlich reduzieren und mehr Flexibilität bei der Auswahl von Landeplätzen für Marsmissionen ermöglichen.

Wissenschaftliches Programm zur Erforschung von Exoplaneten

Aufgrund der hohen Kosten und technischen Schwierigkeiten ist die menschliche Erforschung des äußeren Sonnensystems äußerst begrenzt: In den letzten 60 Jahren der Weltraumforschung wurden Himmelskörper jenseits des Saturn nur einmal besucht. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass mit einem Solarsegelantrieb eine Reichweite von 10 AE pro Jahr erreicht werden kann. Mithilfe eines Sonnensegelantriebs könnten Menschen Neptun in weniger als zwei Jahren und Pluto in weniger als drei Jahren erreichen, was in der heutigen Antriebstechnologie beispiellos ist.

Sonnensegel bieten einen völlig neuen Ansatz für die Erforschung des Weltraums und ebnen den Weg für kostengünstige und schnelle Transportmissionen. Basierend auf der Idee des Sonnensegelantriebs schlug das Goddard Space Flight Center der NASA eine bahnbrechende Raumfahrzeugarchitektur vor, die wissenschaftliche Instrumente und Raumfahrzeuge integriert. Durch den Druck eines auf Quantenpunkten basierenden Spektrometers direkt auf das Material des Sonnensegels werden die Nutzlastfunktionen gelöst, die in der Vergangenheit aufgrund von Massenbeschränkungen nicht erreicht werden konnten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sonnensegeln, die nur zum Antrieb kleiner Würfelsatelliten verwendet werden, nutzt dieses Raumfahrzeug-Architekturschema seine riesige Fläche für die Spektroskopie. Das synchrone Arbeiten mehrerer Raumfahrzeugarchitekturen wird die Flugzeit erheblich verkürzen und die Grenzen der wissenschaftlichen Erforschung des äußeren Sonnensystems erweitern.

Schematische Darstellung des Plans zur Erforschung der äußeren Planeten

Bionische Strahlen zur Erkundung extremer Umgebungen und Gebiete

Das Projekt Bionic Ray for Extreme Environments and Regions Exploration (BREEZE) wurde von Forschern der University at Buffalo im Rahmen des NASA-Innovationsprogramms 2019 vorgeschlagen, um ein vielseitiges Raumfahrzeug zur atmosphärischen Erforschung der Venus zu entwerfen und zu bauen.

Das Fluggerät kombiniert eine aufblasbare Struktur mit biomimetischer Kinematik und verfügt über Flügel, die wie die Brustflossen eines Rochens schlagen, um Auftrieb zu erzeugen. Dieses Design kann die starken Winde in der Atmosphäre des Planeten effektiv nutzen und verleiht dem Flugzeug gleichzeitig bessere Steuermöglichkeiten. BREEZE wird in einer Höhe von 50 bis 60 Kilometern in der Atmosphäre fliegen, alle 4 bis 6 Tage die Venus umkreisen und Sonnenenergie als Antriebskraft nutzen, um die Wettermuster und die Zusammensetzung der Atmosphäre der Venus zu erforschen und das Magnetfeld der Venus zu kartieren.

Konzeptbild der bionischen Manta-Rochen-Lösung

In der ersten Phase des Projekts wurden vorläufige rechnerische Studien zur Struktur, Aerodynamik, Stabilität und Inflation von BREEZE durchgeführt, wodurch der Technologiereifegrad (TRL) von Stufe 1 (Phase der grundlegenden theoretischen Forschung) auf Stufe 2 (Anfangsphase der Anwendung technischer Lösungen) angehoben wurde. In der zweiten Phase der Mission wird ihre Durchführbarkeit überprüft und die Technologiereife wird Stufe 4 erreichen (Musterproduktions- und Testphase in Laborumgebung). Beim ersten Test wird eine fortschrittliche Motion-Capture-Technologie eingesetzt, um den Bewegungsbereich und die Schlaggeschwindigkeit des Flügels zu beurteilen, die Manövrierfähigkeit von BREEZE zu bestimmen und den Grundstein für Tests im Windkanal zu legen. Anschließend werden auf Basis der physikalischen Daten Experimente durchgeführt, um aerodynamische Kräfte und Momente zu ermitteln, die zur Kalibrierung und Verifizierung der Ergebnisse der numerischen Strömungsmechanik und damit zur Überprüfung der Antriebs- und Steuerungsfähigkeiten des Systems verwendet werden.

Abschließend wird die aktive Steuerungsfähigkeit von BREEZE durch maßstabsgetreue Modelltests bewertet. Neben der Venus kann BREEZE auch andere Himmelskörper mit dichter Atmosphäre (wie Titan) erforschen und bietet der NASA damit eine kostengünstige und risikoarme Lösung für die spätere Planetenerkundung.

Faltbare Weltraumstruktur im Kilometermaßstab

Langzeit-Raumflüge stellen für den menschlichen Körper eine große Herausforderung dar, die von Knochenabbau über Muskelschwund bis hin zu Veränderungen der Gehirnstruktur reicht und allesamt mit der fehlenden Schwerkraft zusammenhängen. Wenn die Menschheit also für längere Zeit im Weltraum leben möchte, muss sie eine Umgebung mit künstlicher Schwerkraft schaffen.

Im Jahr 2021 schlug die Carnegie Mellon University im Rahmen des Innovative Advanced Concepts-Programms der NASA ein Konzept vor, um künstliche Schwerkraft durch die Erzeugung von Zentrifugalkraft durch die Rotation kilometergroßer Weltraumstrukturen zu erreichen. Dieser Plan verwendet das Mondorbital-Gateway im Rahmen des Artemis-Programms als Anwendungshintergrund. Dabei werden leichte Metamaterialien mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften verwendet, um eine Strukturfalttechnologie mit einem Teleskopverhältnis von 150 oder mehr zu erreichen, sodass dieses kilometergroße Strukturbauteil erfolgreich in die Raketenverkleidung für den Start eingebaut werden kann.

Die Carnegie Mellon University hat in der ersten Forschungsphase die Machbarkeit dieses Ansatzes nachgewiesen. Die zweite Phase konzentriert sich auf die folgenden vier spezifischen Richtungen: 1. Modellierung der „dynamischen Eigenschaften“ der Struktur. 2. Verwenden Sie Simulationsmethoden und Designoptimierung, um eine Reihe von Problemen zu lösen, die bei der Strukturbereitstellung auftreten, wenn Herstellungsfehler und externe Störungen vorliegen. 3. Modellkalibrierung und Bewertung von Subsystemkomponenten durch Rapid Prototyping und kontinuierliche Iteration. 4. Experimentieren Sie mit metergroßen Prototypen mit Tausenden von Links, um eine störungsfreie Bereitstellung und hohe Ausbauraten zu überprüfen. Die zweite Arbeitsphase wird zwei Jahre dauern. Wenn die Idee verwirklicht werden kann, wird sie unmittelbare und langfristige Auswirkungen auf die zukünftige interstellare Erforschung der NASA haben. In naher Zukunft werden kilometergroße Weltraumstrukturen eine dauerhafte menschliche Besiedlung des Mondraums ermöglichen. Mittel- und langfristig ist diese Struktur entscheidend dafür, dass der Mensch im Weltraum lange überleben kann.

Kleiner Kletterroboter

Angesichts der komplexen Oberflächenphänomene auf dem Mars verfügen herkömmliche Sonden mit Rädern über eine begrenzte Erfassungsreichweite und können einige Bereiche nicht erreichen. Daher begann die NASA darüber nachzudenken, wie man unzugängliche Gebiete wie Klippen erkunden könnte. Forscher der Stanford University versuchen, die Fragen der NASA zu beantworten. Sie entwickeln eine Missionsarchitektur, die einen teleskopischen Roboter umfasst, einen Roboter mit verankerter Position, der einen ausgefahrenen Ausleger für mobile Operationen nutzen und das komplexe Gelände der Marshöhlen erkunden und Proben nehmen kann.

Beim Klettern unter der Schwerkraft des Mars oder des Mondes muss ein Krabbelroboter Ankerpunkte greifen, um Objekte zu bewegen und zu manipulieren, ohne wegzuschweben oder zu fallen. Der Roboter ist ein hochgradig rekonfigurierbares mechanisches Gerät, das die Weisheit eines interdisziplinären Expertenteams aus den Bereichen autonome Robotik, Robotermanipulation, mechanisches Design, bioinspiriertes Greifen sowie Geologie und Planetenwissenschaften vereint.

Schematische Darstellung eines kleinen Kletterroboters

In der ersten Phase des Projekts untersuchte das Expertenteam die Durchführbarkeit von Höhlenerkundungsmissionen für kleine Kletterroboter und stellte fest, dass dieser Höhlenroboter über eine größere Reichweite und einen größeren Arbeitsbereich für Schraubenschlüssel verfügt. Die Lösung mit dem Mehrklauen-Greifer in Leichtbauweise ermöglicht ein erfolgreiches Greifen von Felsoberflächen. Darüber hinaus können durch die starke Mobilität und Manövrierfähigkeit des Kletterroboters wichtige wissenschaftliche Ziele erreicht werden. In der zweiten Phase wird sich das Expertenteam auf die Lösung von Problemen der Systemrobustheit und der End-to-End-Lösungsüberprüfung auf der Grundlage der Machbarkeitsstudie der ersten Phase konzentrieren, einschließlich der Erweiterung des Arbeitsbereichs des Kletterroboters; Bestimmen der Standorte von Höhlen, an denen der Greifer leicht und erfolgreich greifen kann, und Lösen der Navigationseinschränkungen, auf die andere Roboter bei der Erkundung von Höhlen stoßen; Untersuchung von Möglichkeiten zur Reduzierung von Missionsrisiken, beispielsweise durch die Entwicklung eines Controllers zur Reduzierung der Auswirkungen von Vibrationen, die durch Greiffehler des Roboters verursacht werden; und die Leistung des Roboters in realen Einsatzumgebungen zu untersuchen.

Unabhängiger Mikroschwimmroboter zur Erforschung von Ozeanplaneten

Der flüssige Ozean liegt unter Tausenden von Metern Eiskruste und ist der Ort im Sonnensystem, an dem am wahrscheinlichsten Leben entsteht. Der Zugang zu diesen Wasserumgebungen und ihre Erforschung stehen seit langem im Fokus der Wissenschaft. Im Jahr 2021 schlug das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der Vereinigten Staaten vor, das System „Independent Swimming Micro Robot Exploration“ (SWIM) zur Ausweitung der Erforschung von Ozeanplaneten einzusetzen. Dabei sollen mehrere zentimetergroße, 3D-gedruckte Mikroroboter Erkundungen tief unter dem Ozeaneis durchführen. Die Roboter sind mit Sensoren ausgestattet, werden durch Mikroaktoren angetrieben, kommunizieren drahtlos über Ultraschall und können einzeln oder in Clustern eingesetzt werden.

Schematische Darstellung eines unabhängigen Mikroschwimmroboters, der einen Ozeanplaneten erkundet

In der ersten Phase des Projekts legte JPL den Prototypentwurf des Mikroschwimmroboters fest. Im Jahr 2022 wurde das Projekt erfolgreich für die zweite Förderphase ausgewählt und der Forschungsschwerpunkt wird auf den folgenden fünf Aspekten liegen: Durchführung von drei Runden Prototypentests und kontinuierliche Iteration des Systemdesigns; durch Simulation die Arbeitsstrategien von Schwimmrobotern ermitteln, die eine hohe Zuverlässigkeit und minimale Hardwareanforderungen erfüllen; Verwenden Sie handelsübliche Produkte, um Design, Herstellung und Prüfung von Sensornutzlasten zu realisieren. Entwicklung von Ultraschallwandlerknoten zum Testen der Zweiwege-Kommunikationsfähigkeiten im Wasser; und überprüfen Sie die Unterwassermanövrierfähigkeit, die Zustandsbewertung und die Regelung durch Forschung und Entwicklung zur Manövrierfähigkeit/Regelleistung.

Als aufstrebendes, bedeutendes wissenschaftliches und technologisches Innovationsfeld, das die grundlegenden Innovationsfähigkeiten des Landes stärkt, das menschliche Wissen bereichert und den Lebensraum der Menschheit erweitert, erfährt der Weltraum weiterhin große Aufmerksamkeit seitens der großen Raumfahrtnationen und hat sich zu einem Brennpunkt internationaler Weltraumaktivitäten entwickelt. Viele neue Konzepte und neue technologische Vorschläge drehen sich um die Erforschung des Weltraums. Diese Vorschläge werden zwangsläufig die Entstehung neuer Theorien und neuer Technologien fördern, indem sie bahnbrechende innovative Konzepte und Ideen in das Feld der Erforschung des Weltraums integrieren und dadurch die Grenzen der menschlichen Wahrnehmung erweitern und den Fortschritt von Wissenschaft und Technologie fördern.