Quest'anno ricorre il 50° anniversario del primo sbarco sulla Luna dell'Apollo. Ciò è stato possibile grazie a una straordinaria accelerazione della tecnologia spaziale. In un brevissimo lasso di tempo che precede l'evento, gli ingegneri avevano padroneggiato la propulsione a razzo, computer di bordo e operazioni spaziali, in parte grazie a un budget sostanzialmente illimitato.

Fin dai tempi di questi eroici sforzi, l'ingegneria spaziale è maturata in una serie di tecnologie interconnesse che offrono nuove entusiasmanti missioni di scienze spaziali, una manichetta antincendio di dati di osservazione della Terra e una rete globale di servizi di comunicazione e navigazione. Ora possiamo far atterrare sonde sulle comete e dare un'occhiata più indietro nel tempo che mai. Ma per quanto riguarda il futuro:quali nuove tecnologie potrebbero aiutare a trasformare il settore spaziale nei prossimi decenni e come?

Una strada promettente negli ultimi anni è stata quella di aumentare e diminuire la tecnologia spaziale. Attraverso un programma di ricerca decennale lanciato di recente e sostenuto dalla Royal Academy of Engineering, il nostro gruppo sta iniziando a esplorare ulteriori possibilità agli estremi delle scale di lunghezza dei veicoli spaziali. Riteniamo che questa sia una regione poco esplorata per la progettazione delle missioni che potrebbe generare nuove idee per il futuro.

Miniaturizzazione

La miniaturizzazione della tecnologia ha consentito una gamma di dimensioni di veicoli spaziali, come i piccoli satelliti da 100 kg utilizzati per la Costellazione di monitoraggio dei disastri, che consiste in un gruppo coordinato di singoli satelliti. Ci sono anche CubeSat compatti 30x10x10cm, satelliti del peso di pochi chilogrammi, che può trasportare una gamma di diversi carichi utili. Questi sono spesso usati per l'osservazione della Terra o per condurre esperimenti scientifici a basso costo, poiché un gran numero di essi può essere lanciato come payload secondari insieme a satelliti più grandi.

Puntiamo a ridurre la tecnologia spaziale di almeno un ordine di grandezza in scala. Questo comincerebbe con un satellite per circuiti stampati (PCB) di 3x3 cm, e poi a dispositivi ancora più compatti. Sono già state intraprese dimostrazioni in orbita di tali satelliti. Prendiamo ad esempio il dispositivo Sprite che pesa solo quattro grammi nonostante sia dotato di sensori, comunicazioni, e l'elaborazione dei dati a bordo.

Questi dispositivi sono già stati montati all'esterno della Stazione Spaziale Internazionale. E proprio di recente la missione KickSat-2 ha schierato 105 dispositivi Sprite, costano meno di $ 100 ciascuno, in orbita attorno alla Terra. I segnali sono stati ricevuti dai dispositivi il giorno dopo il dispiegamento, alimentando la speranza che un giorno tali dispositivi possano svolgere nuovi compiti nello spazio.

Il nostro obiettivo è costruire dispositivi a volo libero in grado di controllare il loro orientamento e l'orbita nello spazio. Ciò ci consentirà di distribuire grandi sciami di sensori che potrebbero essere utilizzati per reti di rilevamento distribuite, consentendo in tempo reale, raccolta di dati su larga scala, compreso il monitoraggio della meteorologia spaziale. Guardando al futuro, dispositivi ancora più piccoli potrebbero portare a soluzioni altamente integrate, satelliti prodotti in serie su un singolo wafer di silicio.

Una possibilità entusiasmante è trasformare questi minuscoli veicoli spaziali in astronavi accoppiandoli con grandi vele leggere, raggiungendo altri sistemi solari in pochi decenni per studiarli da vicino. Potrebbero anche essere usati per fornire un rilevamento pervasivo in prossimità di comete o asteroidi.

struttura massiccia

All'altra estremità dello spettro dimensionale, c'è anche il progresso. Grandi bracci mobili da 30 metri sono già in uso sulla Stazione Spaziale Internazionale per supportare i suoi pannelli solari. Qui, il nostro obiettivo è quello di aumentare di nuovo almeno un ordine di grandezza attraverso la realizzazione di grandi, strutture leggere in orbita. Questo potrebbe essere fatto adattando la tecnologia di stampa 3D per lavorare nel vuoto e nella microgravità. Riteniamo che questo approccio potrebbe consentire la fabbricazione di antenne ultra-grandi, collettori di potenza o riflettori solari.

Ma perché abbiamo bisogno di tali strutture? Prendiamo il caso del telescopio spaziale James Webb, che presto sostituirà il telescopio spaziale Hubble di grande successo. Vanta un grande specchio primario protetto dal sole da uno scudo delle dimensioni di un campo da tennis professionale. Per inserire questa tecnologia in un razzo Ariane 5, sia lo specchio primario che lo schermo solare comprendono segmenti dispiegabili. Questi richiedono quindi una sequenza complessa di singoli rilasci per sparare al momento giusto una volta nello spazio, o rischiano il fallimento della missione.

La capacità di fabbricare grandi, strutture leggere direttamente in orbita potrebbero avere un enorme impatto sulla tecnologia spaziale, aggirare il rischioso ostacolo del lancio di delicate strutture da terra. Per esempio, se il materiale di supporto strutturale può essere stampato direttamente su membrane riflettenti in un processo di produzione continuo, allora potremmo fare riflettori ultra-grandi, potenzialmente diverse centinaia di metri di diametro.

In orbita polare, tali riflettori potrebbero essere utilizzati per illuminare i futuri parchi solari terrestri all'alba e al tramonto quando la loro potenza è bassa, ma la domanda e i prezzi spot sono alti. Questa sarebbe una classe completamente nuova di servizi spaziali, dove il prodotto è energia piuttosto che informazione.

Potrebbe anche essere usato per riflettere la luce al fine di creare energia solare termica su scala industriale per elaborare materiale recuperato da asteroidi vicini alla Terra. Per esempio, un riflettore con raggio di 500 metri intercetta l'equivalente di 1 GW di potenza termica, equivalente alla potenza di una tipica centrale elettrica sulla Terra.

L'acqua di cottura degli asteroidi è una strada particolarmente promettente in quanto potrebbe aiutarci a produrre propellente nello spazio. L'elettricità generata dal sole potrebbe essere usata per rompere l'acqua in idrogeno e ossigeno e usarli come combustibile. Quando ricombinati e accesi bruceranno, producendo una spinta per far avanzare un veicolo spaziale. In futuro, la produzione di propellente in orbita potrebbe ridurre il costo delle future iniziative spaziali umane evitando la necessità di trasportare carburante dalla superficie terrestre allo spazio.

Mentre Apollo era un esempio di ingegneria su scala veramente eroica, le future avventure spaziali possono essere altrettanto eccitanti, e può fornire benefici sociali duraturi al di là di bandiere e impronte.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.