Oświetlając ciemne epoki kosmiczne

Wczesny etap NASA Koncepcja polegała na tym, że roboty przypinały drucianą siatkę w kraterze po drugiej stronie Księżyca, tworząc radioteleskop, który pomoże zbadać świt wszechświata.

Po latach rozwoju, projekt Lunar Crater Radio Telescope (LCRT) otrzymał 500 000 dolarów na wsparcie nadgodzin w drugiej fazie programu NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Chociaż LCRT nie jest jeszcze misją NASA, opisuje koncepcję misji, która może zmienić spojrzenie ludzkości na wszechświat.

Głównym celem LCRT będzie pomiar długofalowych fal radiowych wytwarzanych przez kosmiczne ciemne wieki – okres, który trwał kilkaset milionów lat po wielka eksplozja, Ale zanim pojawiły się pierwsze gwiazdy. Kosmolodzy niewiele wiedzą o tym okresie, ale znaleźli odpowiedzi na niektóre z największych tajemnic nauki, które mogą ograniczać się do długofalowych emisji radiowych wytwarzanych przez gaz, który wypełniłby wszechświat w tym okresie.

Powiedział Joseph Lazio, radioastronom z Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA w południowej Kalifornii i członek zespołu LCRT. „Mając radioteleskop wystarczająco duży od Ziemi, możemy śledzić procesy, które doprowadziłyby do powstania pierwszych gwiazd, a może nawet znaleźć wskazówki dotyczące natury ciemnej materii”.

Powierzchnia Księżyca pokryta jest kraterami, a naturalne zagłębienie może stanowić konstrukcję wsporczą dla czaszy radioteleskopu. Jak pokazano na tej ilustracji, wózki Doxel mogą zakotwiczyć siatkę drucianą od krawędzi wylewki. Kredyt: Vladimir Vostiansky

Teleskopy radiowe na Ziemi nie mogą zbadać tego tajemniczego okresu, ponieważ długofalowe fale radiowe z tamtego czasu odbijane są przez warstwę jonów i elektronów w górnej części naszej atmosfery, w regionie zwanym jonosferą. Losowe emisje radiowe z naszej hałaśliwej cywilizacji mogą również zakłócać radioastronomię, zalewając najsłabsze sygnały.

Ale po drugiej stronie księżyca nie ma atmosfery, która odzwierciedlałaby te sygnały, a sam księżyc będzie przeszkadzał w rozmowie radiowej Ziemi. Daleka strona Księżyca może być głównym lekiem do bezprecedensowych badań wczesnego wszechświata.

Teleskopy radiowe na Ziemi nie widzą kosmicznych fal radiowych z odległości około 33 stóp [10 meters] Saptarchi Bandiupadhyay, technolog robotyki w Laboratorium Napędów Odrzutowych I główny badacz projektu LCRT. „Jednak poprzednie pomysły budowy anteny radiowej na Księżycu wymagały dużych nakładów i były skomplikowane, więc musieliśmy wymyślić coś innego”.

Budowa teleskopów z robotami

Aby być wrażliwym na długie fale radiowe, LCRT musi być masywny. Pomysł polega na stworzeniu anteny o szerokości ponad pół mili (1 km) w kraterze o szerokości większej niż 2 mile (3 km). Największe jednopłytowe teleskopy radiowe na Ziemi – takie jak teleskop sferyczny o aperturze 500 metrów (1600 stóp) (500 metrów) (FAST) w Chinach i teleskop sferyczny o szerokości 1000 stóp (szerokość 305 metrów), który jest obecnie nie działa. Obserwatorium Arecibo w Puerto Rico zostało zbudowane – w naturalnych zagłębieniach przypominających misy w krajobrazie, aby zapewnić konstrukcję wsporczą.

Koncepcyjny radioteleskop można zbudować z drucianej czaszy wewnątrz krateru. Na tej ilustracji odbiornik można zobaczyć zawieszony nad czaszą za pomocą systemu lin zakotwiczonych na krawędzi lufy. Kredyt: Vladimir Vostiansky

Ta kategoria radioteleskopów wykorzystuje tysiące odblaskowych paneli zawieszonych w zagłębieniu, aby cała powierzchnia czaszy odbijała fale radiowe. Następnie odbiornik wisi na systemie kabli w centralnym punkcie nad anteną, zakotwiczonych przez wieże wokół obwodu anteny, aby zmierzyć fale radiowe odbijające się od zakrzywionej powierzchni poniżej. Jednak pomimo swojej wielkości i złożoności, nawet FAST nie jest czuły na fale radiowe o długości powyżej 14 stóp (4,3 metra).

Bandiopadhyay, wraz ze swoim zespołem inżynierów, naukowców zajmujących się robotyką i naukowcami z Jet Propulsion Laboratory, skondensował tę klasę radioteleskopów do jej najprostszej postaci. Ich koncepcja eliminuje konieczność transportu ciężkich materiałów na Księżyc i wykorzystuje roboty do automatyzacji procesu budowy. Zamiast używać tysięcy paneli odblaskowych do skupiania nadchodzących fal radiowych, LCRT zostanie zbudowany z cienkiej siatki drucianej pośrodku otworu. Jeden statek kosmiczny połączy sieć, a oddzielny lądownik zdeponuje łaziki DuAxel, aby zbudować antenę w ciągu kilku dni lub tygodni.

DuAxel, zautomatyzowana koncepcja opracowywana w JPL, składa się z dwóch jednoosiowych pojazdów turystycznych (zwanych Axel), które mogą się od siebie oddzielić, ale pozostają połączone liną. Połowa będzie działać jako kotwica na skraju wykopu, podczas gdy pozostali schodzą, aby wykonać budowę.

„DuAxel rozwiązuje wiele problemów związanych z zawieszeniem tak dużej anteny w kraterze na Księżycu” – powiedział Patrick McGarry, technolog robotyki w JPL i członek zespołu projektowego LCRT i DuAxel. „Axel Rovers może wnikać do krateru, gdy jest przymocowany do przewodów, ściskać przewody i podnosić je, aby zawiesić antenę”.

Zidentyfikuj wyzwania

Aby przenieść projekt na wyższy poziom, wykorzystają finansowanie drugiego etapu NIAC, aby poprawić możliwości teleskopu i różne metody misji, jednocześnie identyfikując wyzwania po drodze.

Jednym z największych wyzwań stojących przed zespołem w tej fazie jest projektowanie sieci przewodowej. Aby zachować kształt paraboli i precyzyjne odstępy między drutami, siatka musi być mocna i elastyczna, a jednocześnie wystarczająco lekka, aby można ją było przesuwać. Siatka musi być również odporna na zmiany dzikich temperatur na powierzchni Księżyca – począwszy od minus 280 stopni Fahrenheit (Minus 173 stopnie Celsjusz) Do 127 ° C (260 ° F) – bez skręcania lub uszkodzenia.

Innym wyzwaniem jest ustalenie, czy związki Doxl powinny być w pełni zautomatyzowane, czy też powinny uwzględniać czynnik ludzki w procesie decyzyjnym. Czy budowanie DuAxels można uzupełnić również innymi technologiami budowlanymi? Na przykład wystrzelenie harpunów na powierzchnię księżyca może lepiej ustabilizować sieć LCRT, wymagając mniejszej liczby robotów.

Ponadto, chociaż po drugiej stronie księżyca jest w tej chwili „radio cicho”, to może się zmienić w przyszłości. W końcu Chińska Agencja Kosmiczna ma obecnie misję zbadania odległej strony Księżyca, a dalszy rozwój powierzchni Księżyca może wpłynąć na potencjalne projekty radioastronomiczne.

Przez następne dwa lata zespół LCRT będzie pracował nad zidentyfikowaniem innych wyzwań i pytań. Jeśli się powiedzie, mogą zostać wybrani do dalszego rozwoju, iteracyjnego procesu, który inspiruje Bandyopadhyay.

„Rozwój tej koncepcji może zaowocować po drodze znaczącymi przełomami, szczególnie w odniesieniu do technologii rozmieszczania i wykorzystania robotów do budowy gigantycznych konstrukcji poza Ziemią” – powiedział. „Jestem dumny, że pracuję z tym zróżnicowanym zespołem ekspertów, którzy inspirują świat do myślenia o wielkich pomysłach, które mogą doprowadzić do przełomowych odkryć dotyczących wszechświata, w którym żyjemy”.

NIAC jest finansowany przez Dyrekcję ds. Misji Technologii Kosmicznych NASA, która jest odpowiedzialna za rozwój nowych, kompleksowych technologii i możliwości, których potrzebuje agencja.