Quando i satelliti si rompono, che è sorprendentemente spesso, non c'è molto che puoi fare per loro.

Diventano relitti costosi e pericolosi, orbitano attorno alla Terra per anni o generazioni fino a quando la gravità alla fine li attira verso una morte infuocata nell'atmosfera.

Il professore dell'Università di Cincinnati Ou Ma sta progettando la tecnologia robotica per riparare i satelliti orbitanti nel suo laboratorio di robotica intelligente e sistemi autonomi. Immagina satelliti robotici che possono attraccare con altri satelliti per riparazioni o rifornimento.

Ma' ha detto che un milione di cose possono andare storte con ogni lancio di un satellite. Ma per la maggior parte di questi difetti, nulla può essere fatto una volta che il satellite è stato schierato.

Un satellite Intelsat da 400 milioni di dollari delle dimensioni di un piccolo scuolabus ha avuto un malfunzionamento quest'anno dopo aver raggiunto un'orbita ellittica elevata, secondo SpaceNews. Anche alcuni dei primi 60 satelliti Starlink lanciati da SpaceX hanno funzionato male quest'anno, ma la loro orbita terrestre bassa è progettata per decadere nell'oblio in pochi anni.

Forse il più famoso glitch satellitare di tutti i tempi si è verificato nel 1990, quando il telescopio spaziale Hubble è stato utilizzato solo per consentire alla NASA di apprendere che il suo costoso specchio era deformato. Una successiva missione di riparazione a bordo della navetta spaziale Endeavour nel 1993 ha sostituito lo specchio per fornire immagini sorprendenti dell'universo.

L'invio di esseri umani nello spazio per la riparazione dei satelliti è proibitivo, ha detto la mamma. Quattro successive missioni di servizio Hubble che costano miliardi di dollari combinate sono state eseguite dagli astronauti dello space shuttle.

I satelliti difettosi hanno perseguitato la maggior parte dei programmi spaziali internazionali dal Giappone alla Russia. Il problema non è limitato all'orbita terrestre. Nel 1999, un orbiter della NASA si è schiantato su Marte perché gli ingegneri hanno usato libbre invece di newton metrici nel software del propulsore. I propulsori hanno sparato con una forza quattro volte inferiore a quella prevista e l'orbita del veicolo spaziale era criticamente bassa.

L'incapacità di riparare i satelliti diventa una preoccupazione sempre più pressante ad ogni lancio, ha detto la mamma.

"I grandi satelliti commerciali sono costosi. Sono a corto di carburante o si guastano o si guastano, "Ma ha detto. "Vorrebbero poter andare lassù e aggiustarlo, ma al giorno d'oggi è impossibile."

La NASA spera di cambiarlo. Nel 2022, l'agenzia lancerà un satellite in grado di rifornire altri satelliti in orbita terrestre bassa. L'obiettivo è intercettare e rifornire un satellite del governo degli Stati Uniti. Il progetto denominato Restore-L dovrebbe fornire una prova di concetto per le riparazioni di satelliti autonomi, ha detto la Nasa.

Una società del Colorado chiamata Maxar fornisce l'infrastruttura del veicolo spaziale e i bracci robotici per il progetto.

La maggior parte dei satelliti cade in disuso perché esaurisce la propria scorta di carburante, non a causa di un malfunzionamento critico, disse John Lymer, capo robotico per Maxar. Il solo rifornimento sarebbe un vantaggio per l'industria, Egli ha detto.

"Stai ritirando un satellite perfettamente funzionante perché ha finito la benzina, " Egli ha detto.

Lymer ha affermato di avere familiarità con il lavoro che Ma sta svolgendo nel suo laboratorio di robotica intelligente e sistemi autonomi.

"Oh mamma, con cui ho lavorato per molti anni, lavora sull'organizzazione degli appuntamenti e della prossimità. Ci sono tutti i tipi di soluzioni tecniche là fuori. Alcuni saranno migliori di altri. Si tratta di acquisire esperienza operativa per scoprire quali algoritmi sono migliori e cosa riduce maggiormente il rischio operativo".

Lymer ha detto che l'industria è pronta a decollare, creando un vantaggio per gli studenti di ingegneria aerospaziale come quelli della UC.

"Penso che sia il futuro. Ci infileremo dentro, non salteremo, " Egli ha detto.

Nel laboratorio di mamma, gli studenti stanno lavorando alla navigazione automatizzata di cui i satelliti avranno bisogno per attraccare con altri satelliti nello spazio. È una faccenda complicata poiché un urto involontario a gravità zero può far cadere uno o entrambi i veicoli.

"È facile farlo precipitare nello spazio perché nulla lo trattiene. Allora il satellite diventa ancora più difficile da afferrare. Se inizia a precipitare, può cadere per sempre in pratica. Non si fermerà da solo, " disse la mamma.

Le simulazioni ingegneristiche possono prevedere il comportamento dinamico di un satellite bersaglio in modo che un satellite in avvicinamento possa arrestarlo in sicurezza, Egli ha detto.

"Abbiamo strumenti di simulazione in modo da poter prevedere con precisione il suo comportamento, " Egli ha detto.

"Afferrare qualcosa nello spazio è davvero difficile. E afferrare qualcosa che sta rotolando nello spazio è ancora più difficile, "Ma ha detto. "Devi stare molto attento a prevedere il comportamento dinamico ed eseguire controlli precisi in modo da poter 'de-ruotare' il satellite e afferrarlo delicatamente."

Ma ha confrontato la navigazione satellitare remota con la più recente tecnologia per auto senza conducente. Nel suo laboratorio, gli studenti testano questi algoritmi utilizzando un robot delle dimensioni di una scatola da scarpe che si muove su quello che sembra un tavolo da air hockey. Ma è il robot che fornisce il cuscino d'aria come un hovercraft in miniatura per imitare l'ambiente di microgravità dello spazio.

Il dottorando Andrew Barth ha spiegato come funziona.

"In questo momento è solo un banco di prova fondamentalmente. Ha sensori di portata, telecamere e un'unità di misura inerziale che non si vede sotto, " ha detto. "Si muove con attuatori e otto propulsori direzionali per spingerlo intorno al tavolo."

Sebbene sia limitato allo spostamento su un asse X e Y, i concetti di navigazione possono essere applicati a tre dimensioni, disse Barth.

Ma sta anche lavorando alla complicata robotica necessaria a un satellite per effettuare riparazioni a distanza. Il suo laboratorio ha diversi bracci robotici di dimensioni industriali con sette articolazioni che danno loro una gamma completa di movimento.

Il satellite di riparazione più utile sarà in grado di completare più attività, ha detto la mamma. Durante la sua carriera, ha lavorato a vari progetti relativi ai bracci robotici a bordo della Stazione Spaziale Internazionale e all'ex programma dello space shuttle. La sua firma fluttua in orbita su un pezzo di equipaggiamento a bordo della stazione spaziale.

"Questo robot effettuerà alcuni test di controllo di algoritmi e tecnologia dei sensori, "Mamma ha detto, indicando un braccio robotico di dimensioni umane nel suo laboratorio. "Non stiamo simulando una missione specifica, ma la nuova tecnologia testata che può essere utilizzata nelle missioni future".

Nel suo laboratorio, Ma e Anoop Sathyan, ricercatore senior di UC, stanno sviluppando reti robotiche che possono lavorare in modo indipendente ma collaborativo su un compito comune.

Per il loro ultimo studio, Ma e Sathyan mettono alla prova un gruppo di robot con un nuovo gioco che utilizza le stringhe per spostare un token attaccato in un punto designato su un tavolo. Poiché i robot controllano ciascuno una sola stringa, hanno bisogno della cooperazione degli altri robot per spostare il token nel punto giusto aumentando o allentando la tensione sulla corda in risposta alle azioni di ciascun robot.

Usando un'intelligenza artificiale chiamata logica fuzzy genetica, i ricercatori sono stati in grado di ottenere tre robot e poi cinque robot per spostare il token dove volevano i ricercatori.

I loro risultati sono stati pubblicati questo mese sulla rivista Robotica .

I ricercatori hanno scoperto che utilizzando cinque robot, il collettivo potrebbe portare a termine il compito anche in caso di malfunzionamento di uno dei robot.

"Ciò sarà particolarmente vero per i problemi con un numero maggiore di robot in cui la responsabilità di un singolo robot sarà bassa, " hanno concluso i ricercatori.

Ma ha avuto un costante interesse per lo spazio per la maggior parte della sua carriera. Alla New Mexico State University, progettò un'imbracatura meccanica che imitava la bassa gravità. Gli studenti che indossano l'imbracatura potrebbero "rimbalzare la luna" su un tapis roulant con un sesto della gravità della Terra o fare schiacciate altissime su un canestro da basket.

Ma ha detto che riparare i satelliti nello spazio sta diventando una priorità crescente nell'industria aerospaziale a causa dell'alto costo del guasto.

"Non è ancora molto pratico. La tecnologia è ancora in fase di sviluppo, "Ma ha detto. "Ma immagino in cinque o 10 anni quando la tecnologia sarà matura, inizieranno a commercializzarlo per uscire e riparare i satelliti".

Gordon Roesler, ex program manager presso la Defense Advanced Research Projects Agency degli Stati Uniti, ha detto a Astronomy Magazine che l'impossibilità di riparare o modificare i satelliti una volta lanciati non ha alcun senso economico.

"Non c'è nessun altro [esempio] in cui costruiamo qualcosa che vale mezzo miliardo di dollari o un miliardo di dollari e non lo guardiamo mai più, " Egli ha detto.

Companies will have to build satellites with remote repair or service in mind. Most satellites today are too fragile even to grasp remotely without risking damage.

"So many satellites couldn't be serviced today even if you wanted to. New satellites will need access doors to accommodate basic repairs and docking targets to help with the approach, " student Barth said.

Time is of the essence. With every launch and every failed satellite, low Earth orbit is approaching the Kessler effect, the theory by Donald Kessler that satellite collisions could create a cascade of debris hampering the safety of future launches as depicted in the fictional 2013 Oscar-winning film "Gravity."

"Think of the speed of these objects. We're not talking about highway speed or even aircraft speed. They're traveling at 17, 000 miglia orarie, " disse la mamma.

Ma said space is a field dominated by government agencies for the purposes of exploration and discovery. But the field is at the cusp of commercialization, which promises a wealth of aerospace engineering jobs for graduates who want to pursue them.

"Infine, the commercialization of space will be a big industry, " Egli ha detto.

His research is helping to push the frontiers of knowledge that will pave the way for future space projects.

"We're not developing an entire mission. We're developing the underlying technology, " Ma said. "Once the technology is proven, NASA or a commercial company would take it to the next step."

At a university where Neil Armstrong worked as an aerospace engineering professor, first steps can be big ones.