Nasas idéfabrikk tegner romfartens framtid

En magnetisk togbane på månen og asteroider forvandlet til frodige åkre – Nasas drømmefabrikk, NIAC, velger hvert år ut nye ideer som utfordrer grensene for hva som er mulig. De beste av dem vil revolusjonere romfarten.

En magnetisk togbane på månen og asteroider forvandlet til frodige åkre – Nasas drømmefabrikk, NIAC, velger hvert år ut nye ideer som utfordrer grensene for hva som er mulig. De beste av dem vil revolusjonere romfarten.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ingeniørene må tørre å tenke stort for å skape framdrift i romfarten. Det vet Nasa, og derfor belønner romfartsorganisasjonens NIAC-program hvert år nytenkende forslag til framtidens romteknologier.

NIAC er Nasas eksperimentelle lekeplass, der universitetsforskere, private selskaper og Nasas egne avdelinger får – nesten – frie tøyler til å tenke ut nye løsninger som kanskje kan skape vitenskapelige gjennombrudd. Det er her science fiction skal forvandles til ferdig teknologi med en tidshorisont på et par tiår.

Ideene kan gjerne bygge på teknologi som fortsatt ikke er oppfunnet, men forskerne må kunne forsvare visjonene sine vitenskapelig. De beste forslagene får opptil 2 millioner dollar til videreutvikling.

Utforskning

Radioantennen PEDALS ruller ut sine 200 meter lange armer på månens overflate og lytter til hvordan radiosignalene reflekteres fra bakken.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Romantenne skal vise oss månens fødsel

Tidshorisont: 10 år

Når ble månen skapt, og hvordan har den utviklet seg gjennom milliarder av år? Det kan kjempeantennen PEDALS(Passively Expanding Dipole Array for Lunar Sounding) gi forskerne mye mer informasjon om.

PEDALS består av fire sammenrullede remser som hver er 200 meter lange. Hver remse inneholder flere hundre såkalte dipolantenner som sender radiobølger ned i bakken ved ulike frekvenser.

Dipolantenner er enkle: Det er de samme som sto på oppå TV-apparatet tidligere. Den enkle oppbygningen betyr at færre deler kan gå i stykker – en stor fordel når man er langt fra elektronikkverksteder på jorden.

Ved å måle forskjeller i de reflekterte signalene fra ulike dybder kan astronomene kartlegge hvordan undergrunnen er sammensatt ned til flere kilometers dybde. Fordelen med å plassere mange antenner rett på overflaten er at oppløsningen til målingene blir høyere og dermed kan gi forskerne nye detaljer om sammensetningen.

Prosjektet er utfordrende, for PEDALS må lande på månens overflate uten menneskelig hjelp. Månen har ikke noen atmosfære, så fallskjermer virker ikke. Forskerne forestiller seg i stedet at antennen kan lande i sammenfoldet tilstand omsluttet av en kollisjonspute som demper sammenstøtet med månens overflate.

Antennen folder seg ut etter landing

Med en 400 meter lang radioantenne vil forskere kartlegge bergartene flere kilometer under måneoverflaten. Landingen dempes av en kollisjonspute, og så ruller antennen seg ut av seg selv.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Antennen treffer månen i fritt fall

Fra en bane rundt månen blir antennen PEDALS kastet ned mot overflaten i fritt fall. Antennen er forsvarlig pakket inn i en kollisjonsputelignende ballong, slik at sammenstøtet med overflaten forhåpentligvis ikke skader den.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Luften slippes ut av luftputen

Tyngdepunktet i luftputen er valgt slik at den helst vil lande med bunnen først, med antennen mot overflaten. Etter landingen slippes luften ut av kollisjonsputen slik at den sammenrullede antennen blir frigjort. Antennen består av fire armer.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

3. Antennen ruller seg ut i full lengde

Antennen er bygd inn i et materiale med formhukommelse og trenger derfor ikke motorer for å rulle seg ut. Så snart antennen er ute av kollisjonsputen, begynner de fire armene å rulle seg ut i 200 meters lengde.

Antenner har allerede vist seg som et effektivt verktøy til å studere fremmede kloder. Romsonden Mars Express, som går i bane rundt Mars, avslørte for eksempel i 2018 en sjø om lag 1,5 kilometer under isdekket på planetens sørpol. Dette er til nå det eneste sporet av flytende vann på Mars. Og den 40 meter lange antennen til sonden er mye mindre enn PEDALS-antennen.

Fiskerobotene SWIM leter etter liv i de skjulte havene på ismånene Europa og Enceladus. De små robotene sjøsettes av en mor-robot som er knyttet sammen med landingsfartøyet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robotfisk leter etter liv i havene på ismåner

Tidshorisont: 20 år

Jupiters måne Europa og Saturns måne Enceladus er noen av de beste kandidatene til å ha liv utenfor jorden. Men de mulige mikrobene og havdyrene lever i hav under månenes isdekke, og det gjør det vanskelig å finne dem. Små 3D-printede robotfisk er en ny idé til en metode for å utforske de skjulte havene.

Robotene, som kalles SWIM(Sensing with Independent Micro-swimmers), er opptil 25 centimeter lange og beveger seg med finner som får strøm fra batterier. Fiskerobotene kan sendes på oppdrag alene eller i flokk. Da vil de kommunisere med hverandre via ultralydsignaler.

Hver robot tar med et sett sensorer. Et kamera filmer og fotograferer, mens et spektrometer måler den molekylære sammensetningen av havet for å avgjøre om vannforholdene oppfyller betingelsene for biologisk liv.

Robotfiskene sjøsettes av en mor-robot som er koblet til et landingsfartøy på overflaten av isen. Mor-roboten fires ned til de flytende vannmassene via sprekker i isdekket.

Med sine motorstyrte armer kan roboten ReachBot klatre på steiner og i huler der vanlige rovere må gi opp.

© Marco Pavone

Klatrerobot utforsker huler på Mars

Tidshorisont: 10 år

Marsrovere som Opportunity og Perseverance har etterlatt seg kilometervis av hjulspor i det røde støvet, men kjøretøyene må gi opp når de møter vanskelig tilgjengelige steder som kampesteiner eller huler. Det skal klatreroboten ReachBot gjøre noe med.

Roboten har motorstyrte gripeklør og armer som skyves ut og inn som teleskopstenger. Dermed blir ReachBot så bøyelig og smidig at den kan komme seg til områder av Mars som ikke har blitt utforsket enda.

ReachBot skal blant annet undersøke bruddflater i fjellsider som kanskje skjuler geologiske lag fra planetens barndom. Forskere mener at Mars har hatt en atmosfære og et klima som gjorde hav av flytende vann på overflaten mulig. Dermed kan Mars ha hatt biologisk liv.

Robotens gripeklør kan forankre den til overflater, gripe gjenstander og brukes til å skyve fra med. Forskerne forestiller seg at ReachBot også kan brukes som vedlikeholdsrobot på Den internasjonale romstasjonen, der den kan bevege seg rundt på stasjonens utside uten å miste grepet.

Gruvedrift

Magnettog setter fart på månebygg

Tidshorisont: 20 år

Nasa vil sende astronauter til månen igjen ved midten av tiåret, og det blir begynnelsen på en permanent kolonisering av kloden. Men framtidens månebaser, som etter planen skal oppføres på 2030-tallet, krever råmaterialer, og det er mer effektivt å bruke månens egen jord, regolitt, i stedet for å transportere materialer hele veien fra jorden.

Forskere foreslår derfor å bygge en magnettogbane som raskt kan transportere regolitt og andre materialer fram til byggeplassen. Konseptet kalles FLOAT(Flexible Levitation on a Track).

Banen skal lages av et bøyelig materiale slik at den kan rulles ut rett på månens overflate. Dermed blir det ikke nødvendig med gravemaskiner og bulldosere. Sporet kles med en tynn solcellefilm som leverer strøm til systemet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Togbanen rulles ut på månen

Svevende på et magnetisk spor skal månetoget FLOAT kunne frakte tonnevis av byggematerialer rundt på månens overflate.

Månejord brukes som byggemateriale

Gruveroboter graver ut månejord (regolitt) og laster det over på vognene på magnettogbanen. Regolitten kan blant annet brukes til å bygge månebaser av: Veggene beskytter astronautene mot farlig stråling fra verdensrommet.

Togvognene svever over banen

Hver vogn holdes svevende ved hjelp av såkalt diamagnetisk levitasjon. Et magnetfelt i sporet under vognen frastøter seg magnetfeltet som finnes naturlig i materialet vognen er lagd av. Vognen svever noen få centimeter over sporet.

Tre lag i sporet skyver toget fram

Sporet består av tre lag. Øverst en solcellefilm som forsyner banen med strøm. I midten grafitt som utgjør motpolen til det materialet togvognene er bygd av. Og nederst et elektromagnetisk lag som skyver vognene framover.

De små vognene med byggematerialer svever fritt over sporet takket være såkalt magnetisk levitasjon, som i dag blant annet brukes til høyhastighetstog i Japan og Kina. Hele togsett blir holdt svevende over sporet av kraftige elektromagneter, og siden det ikke er noen friksjon mellom tog og spor, kan magnettogene oppnå veldig høye hastigheter, opp til om lag 600 km/t.

Fordelen med prinsippet er at transporten kan skje utelukkende ved bruk av elektromagnetisme. Dessuten er det ingen bevegelige deler som for eksempel hjul og akslinger som blir slitt og må repareres – en stor fordel i verdensrommet.

Månebanen skal kjøre i rundt 2 km/t, og en vogn med en overflate på en kvadratmeter kan bære opptil 33 kilo. Forskerne forestiller seg at et fullt utbygd FLOAT-system vil kunne frakte flere hundre tonn gods på månens overflate hver dag.

Mars har vann under overflaten, og roveren ARD3 kan bore ned til det ved hjelp av meterlange boreroboter på larveføtter.

© Planet Enterprises/James Vaughan Illustration

Rover borer etter vann på Mars

Tidshorisont: 10 år

Forskning fra 2018 tyder på at det er vann omkring 1,5 kilometer under overflaten på sørpolen til Mars. Derfor foreslår forskere å utvikle boreroveren ARD3, som kan bore ned for å finne det.

ARD3-roverens hemmelige våpen er såkalte boreroboter – 1 meter lange maskiner som kan bevege seg opp og ned i borehullet og langsomt gjøre det dypere. Marsroveren Perseverance, som landet på planeten i 2021, kan til sammenligning bare ta 6 centimeter dype prøver.

Boreroveren tar med seg et dusin boreroboter, som blir sendt ned i borehullet en om gangen. Hver borerobot føres ned i planetens overflate via et rør og begynner deretter utgravingen. Den beveger seg gradvis ned gjennom borehullet ved bruk av gummibelter som presses mot hullets innside.

Boreroboten borer ut omkring 15 centimeter om gangen før den klatrer opp igjen med iskjernen, som analyseres i roverens innebygde laboratorium. Deretter blir boreroboten satt til oppladning, og en annen robot sendes ned i borehullet for å fortsette arbeidet.

I stedet for å grave kan man utvinne is og metall på månen med en slags kunstige lyn. Lynet gir molekylene elektrisk ladning, slik at de kan fanges opp av elektroder.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kunstige lyn høster råstoffer på månen

Tidshorisont: 20 år

Månen inneholder råmaterialer som is, jern, aluminium og titan. Et av forslagene i NIAC-konkurransen er å utvinne dem med en teknikk som kalles ablasjon, og som er mye enklere enn graving.

Metoden går ut på å skape kunstige lyn med en slags gnist eller elektrisk utladning mellom to elektroder og la lynene løsrive molekyler av vann og metall fra overflaten.

Ved prosessen forvandles molekylene til ioner, altså partikler med ladning. Et annet sett elektroder tiltrekker seg ionene og styrer dem inn i beholdere ved hjelp av elektromagnetiske felter. Et ablasjonsanlegg på månens overflate skal kunne produsere 10 000 liter vann i året, til nytte for en bemannet base.

Ablasjon blir i dag også utforsket som en teknikk til å flytte truende asteroider ut av kollisjonskurs med jorden eller til nedskyting av romskrot i bane rundt jorden. Tyske forskere viste i 2018 at de ved å avfyre en laserpuls med høy energi mot en vingummibamse i fritt fall kunne endre hastigheten og banen på grunn av materialet som løsnet.

Kolonisering

Sammenfoldet rombase vokser 150 ganger

Tidshorisont: 20 år

Den trange plassen i spissen av romraketter setter sterke begrensninger for hvor mye gods som kan sendes opp fra jorden om gangen.

Jo flere tonn last en rakett har med seg, jo mer skyvekraft må den kunne levere. Lasterommet på toppen av raketten kan heller ikke få for stor diameter, for da vil den bli utsatt for et for stort aerodynamisk press når raketten suser gjennom atmosfæren i flere tusen kilometer i timen.

Derfor vil forskere utvikle en sammenleggbar romstasjon som får plass på toppen av en Falcon Heavy-rakett og utvider seg 150 ganger når den ankommer reisemålet i verdensrommet.

Romstasjonen skal ifølge forslaget bygges av såkalte metamaterialer, som er en ny type kunstige materialer med egenskaper som ikke finnes i naturlige materialer. Forskerne vil blant annet gjøre romstasjonens byggemateriale auksetisk – det betyr at materialet også utvider seg i bredden når det blir strukket ut i lengderetningen.

Hvis man trekker i en bit gummi, blir den lengre i den retningen man trekker i, men kortere i den andre retningen. Romstasjonen blir derimot både bredere og lengre.

Mens romstasjonen ISS er bygd av moduler som er sendt opp med mange raketter, skal den nye sammenleggbare romstasjonen få plass i toppen av én rakett. Likevel blir den ti ganger så lang som ISS.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Sammenleggbar romstasjon

* Lengde:
over 1 km

* Tyngdekraft:
om lag 1 G (som på jorden)

* Materialer:
auksetiske metamaterialer

* Vekt:
ukjent

* Rotasjoner per minutt:
1–2

© NASA

Den internasjonale romstasjonen

* Lengde:
109 meter

* Tyngdekraft:
0 G (vektløshet)

* Materialer:
aluminium, stål, titan, kevlar

* Vekt:
440 tonn

* Rotasjoner per minutt:
0

Effekten kan minne om det å blåse opp noe, men ved oppblåsing utvides og formes materialet på grunn av trykket innefra – det auksetiske materialet utvides på grunn av sin egen oppbygning.

Metamaterialer kan også brukes i for eksempel skuddsikre vester, der plastfibre med auksetiske egenskaper vil bli sterkere i det øyeblikket prosjektilet treffer, og strekker ut materialet i begge retninger.

Romstasjonen skal være minst 1 kilometer lang og rotere 1–2 ganger i minuttet for å skape kunstig tyngdekraft for astronautene om bord. Fordelen er at astronautene slipper noen av de fysiologiske problemene som oppstår ved lange opphold i vektløshet – for eksempel tap av muskel- og beinmasse, nyrestein og problemer med synet.

I verdensrommet er det ikke jord å dyrke matvarer i. Løsningen kan være å omgi en asteroide med en kunstig atmosfære og la sopp gjøre om stein til jord.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Asteroider blir astronautenes åkre

Tidshorisont: 50 år

På romferder langt fra jorden må astronautene kunne dyrke sin egen mat for å bli selvforsynt. Selv om planter kan dyrkes i vann med metoden hydroponi, er jord nødvendig for å produsere avlinger i stor skala til for eksempel en Mars-koloni.

Forskere foreslår derfor å la sopp gjøre om karbonholdige asteroider til jord der astronauter kan dyrke mat. Selve asteroiden skal omsluttes av en gjennomsiktig pose som både lar sollys passere, og som kan bevare en atmosfære som holder soppen i live.

Soppen danner lange tråder som kalles hyfer, og som vokser inn i asteroiden. Det skaper et trykk som får bergartene til å sprekke. Soppsporene inneholder dessuten en syre som oppløser steinmaterialet.

Her på jorden har sopp trolig spilt en avgjørende rolle i jorddanning, siden de er flinke til å bryte ned komplekse organiske forbindelser – også de som er giftige for biologisk liv. Forsøk har for eksempel vist at jord som er forurenset med olje, kan renses nesten helt ved å plante østerssopp.

Et teleskop samler opp og videresender sollys til rovere og romstasjoner, som gjør det om til strøm ved hjelp av solpaneler.

© Ronald Neale

Teleskop sender trådløs strøm på månen

Tidshorisont: 20 år

Kolonisering av andre kloder krever strøm til rovere, romstasjoner og maskiner. Visjonen Light Bender skal sørge for trådløs overføring av strøm som alternativ til å legge strømkabler utover månens overflate.

I et sentralt tårn kalt en heliostat plasseres et såkalt cassegrainteleskop som fanger inn og fokuserer sollyset. Med fresnellinser blir lyset så fordelt til enkeltstråler som rettes mot de stedene der det er behov for strøm.

Lyset gjøres om til elektrisk strøm via 2–4 meter store solcellepaneler på den roveren eller maskinen som trenger strømmen. Det kan for eksempel være en gruverobot som arbeider nede i et månekrater der sollyset ikke kommer ned. Et speil ved kraterkanten reflekterer lyset fra Light Bender videre ned i skyggen i krateret.

Metoden er ifølge forskerne mer effektiv enn for eksempel å overføre strøm med laser. Med Light Bender konverteres lyset bare til strøm én gang, og dermed går mindre strøm tapt.