Los futuros telescopios espaciales podrían tener 100 metros de diámetro, construirse en el espacio y doblarse en una forma precisa.

Este es un momento emocionante para los astrónomos y cosmólogos. Desde el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los astrónomos disfrutaron de las imágenes más vívidas y detalladas del universo jamás tomadas. Los potentes generadores de imágenes, espectrómetros y coronógrafos infrarrojos de Webb permitirán aún más en el futuro cercano, incluyendo todo, desde investigaciones del universo primitivo hasta estudios de imágenes directas de exoplanetas. Además, varios telescopios de próxima generación estarán operativos en los próximos años con espejos primarios de 30 metros (~98,5 pies), óptica adaptativa, espectrómetros y coronógrafos.

Incluso con estos impresionantes instrumentos, los astrónomos y cosmólogos esperan ansiosamente una era en la que estén disponibles telescopios aún más sofisticados y potentes. Por ejemplo, Zachary Cordero del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) propuso recientemente un telescopio con un espejo primario de 100 metros (328 pies) que sería construido de forma autónoma en el espacio y moldeado por actuadores electrostáticos. Su propuesta fue uno de varios conceptos seleccionados este año por el programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA para el desarrollo de la Fase I.

Corder es profesor de Aeronáutica y Astronáutica de Boeing Career Development en el MIT y miembro del Laboratorio de Estructuras y Materiales Aeroespaciales (AMSL) y del Centro de Satélites Pequeños. Su investigación integra su experiencia en ciencia de procesos, mecánica y diseño para desarrollar nuevos materiales y estructuras para aplicaciones aeroespaciales emergentes. Su propuesta es el resultado de una colaboración con el profesor Jeffrey Lang (de los Laboratorios de Electrónica y Tecnología de Microsistemas del MIT) y un equipo de tres estudiantes de AMSL, incluido un doctorado. estudiante Harsh Girishbhai Bhundiya.

Su telescopio propuesto resuelve un problema clave con los telescopios espaciales y otras grandes cargas útiles que se empaquetan para el lanzamiento y luego se despliegan en órbita. En resumen, las compensaciones en tamaño y precisión superficial limitan el diámetro de los telescopios espaciales desplegables a decenas de metros. Considere el telescopio espacial James Webb (JWST) recientemente lanzado, el telescopio más grande y poderoso jamás enviado al espacio. Para encajar en su carenado de carga útil (en la parte superior de un cohete Ariane 5), el telescopio fue diseñado para que pudiera plegarse en una forma más compacta.

Esto incluía su espejo primario, su espejo secundario y su parasol, todos los cuales se desplegaron una vez que el telescopio espacial estuvo en órbita. Mientras tanto, el espejo principal (el más complejo y poderoso jamás desplegado) tiene 6,5 metros (21 pies) de diámetro. Su sucesor, el Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), tendrá un ensamblaje plegable similar y un espejo principal midiendo de 8 a 15 metros (26.5 a 49 pies) de diámetro dependiendo del diseño elegido (LUVOIR-A o -B). Como explicó Bhundiya a Universe Today por correo electrónico:

“Hoy en día, la mayoría de las antenas de naves espaciales están desplegadas en órbita (por ejemplo, la antena Astromesh de Northrop Grumman) y han sido optimizadas para un alto rendimiento y ganancia. Sin embargo, tienen limitaciones: 1) Son sistemas desplegables pasivos. Cambian la forma de la antena de forma adaptativa. 2) Se vuelven difíciles de rotar a medida que aumentan de tamaño. 3) Tienen un compromiso entre el diámetro y la precisión. Dicen que su precisión disminuye a medida que aumenta su tamaño, lo cual es un desafío para realizar aplicaciones de astronomía y detección que requieren ambos diámetros grandes. y alta precisión (por ejemplo, JWST).”

Si bien se han propuesto muchos métodos de construcción en el espacio para superar estas limitaciones, faltan análisis detallados de su desempeño para la construcción de estructuras de precisión (como reflectores de gran diámetro). En interés de su propuesta, Cordero y sus colegas realizaron una comparación cuantitativa a nivel de sistema de materiales y procesos de fabricación en el espacio. Finalmente, determinaron que esta limitación podría superarse utilizando materiales avanzados y un nuevo método de fabricación en el espacio llamado formación de curvas.

Esta técnica, inventada por investigadores de AMSL y descrita en un artículo reciente en coautoría de Bhundiya y Cordero, se basa en una combinación de procesamiento de deformación de control numérico por computadora (CNC) y alto rendimiento materiales Como explicó Harsh:

“La flexión es un proceso de fabricación de estructuras de alambre en 3D a partir de alambre de metal. Funciona doblando una sola hebra de alambre en nodos específicos y con ángulos específicos, y agregando juntas en los nodos para crear una estructura rígida. Entonces, para fabricar una estructura determinada, lo convierte en instrucciones de doblado que se pueden implementar en una máquina como una dobladora de alambre CNC para fabricarlo a partir de una sola hebra de materia prima.La aplicación clave de la formación por doblado es fabricar la estructura de soporte para una gran antena en órbita.El proceso es muy adecuado para esta aplicación porque es batería bajapuede fabricar estructuras con altas tasas de compactación y prácticamente no tiene limitaciones de tamaño”.

A diferencia de otros enfoques de ensamblaje y fabricación en el espacio, la formación de curvas requiere poca energía y solo es posible gracias al entorno de muy baja temperatura del espacio. Además, esta técnica permite estructuras inteligentes que explotan materiales multifuncionales para lograr nuevas combinaciones de tamaño, masa, rigidez y precisión. Además, las estructuras inteligentes resultantes aprovechan los materiales multifuncionales para lograr combinaciones sin precedentes de tamaño, masa, rigidez y precisión, rompiendo los paradigmas de diseño que limitan las armaduras convencionales o las estructuras espaciales alineadas por tensión.

Además de su precisión nativa, las grandes estructuras dobladas pueden usar sus actuadores electrostáticos para eludir una superficie reflectora con una precisión submilimétrica. Esto, dijo Harsh, aumentará la precisión de su antena fabricada en órbita:

“El método de control activo se llama actuación electrostática y utiliza las fuerzas generadas por la atracción electrostática para dar forma precisa a una malla metálica en una forma curva que actúa como un reflector de antena. Hacemos esto aplicando un voltaje entre la malla y una ‘superficie de control’ que consiste en la estructura de soporte en forma de curvatura y los electrodos desplegables. Al ajustar este voltaje, podemos moldear con precisión la superficie del reflector y obtener una antena parabólica de alta ganancia.

Harsh y sus colegas deducen que esta técnica permitirá un espejo desplegable de más de 100 metros (328 pies) de diámetro que podría alcanzar una precisión superficial de 100 m/m y un área específica de más de 10 m.²/kg. Esta capacidad superaría la tecnología de radiometría de microondas existente y podría generar mejoras significativas en el pronóstico de tormentas y una mejor comprensión de los procesos atmosféricos como el ciclo hidrológico. Esto tendría implicaciones importantes para la observación de la Tierra y los estudios de exoplanetas.

El equipo demostró recientemente un prototipo de 1 metro (3,3 pies) de un reflector accionado electrostáticamente con una estructura de soporte similar a una curvatura en la conferencia SciTech 2023 del Instituto Estadounidense de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), que tuvo lugar del 23 al 27 de enero. en Puerto Nacional, Maryland. Con esta subvención de la Fase I de NIAC, el equipo planea madurar la tecnología con el objetivo final de crear un reflector de radiometría de microondas.

De cara al futuro, el equipo planea investigar cómo se puede utilizar la formación de curvaturas en la órbita geoestacionaria (GEO) para crear un reflector de radiometría de microondas con un campo de visión de 15 km (9,3 millas), una resolución terrestre de 35 km (21,75 millas) y un rango de frecuencia propuesto de 50 a 56 GHz: el rango de frecuencia súper alta y extremadamente alta (SHF/EHF). Esto permitirá que el telescopio recupere los perfiles de temperatura de las atmósferas de los exoplanetas, una característica clave que permite a los astrobiólogos medir la habitabilidad.

“Nuestro objetivo con NIAC ahora es trabajar en la implementación de nuestra tecnología Bend-Forming y actuación electrostática en el espacio”, dijo Harsh. “Prevemos fabricar antenas de 100 m de diámetro en órbita geoestacionaria con una estructura de soporte plegada y superficies reflectoras accionadas electrostáticamente. Estas antenas permitirán una nueva generación de naves espaciales con capacidades de detección, comunicación y potencia incrementadas”.