Nasas idéfabrik ritar rymdfartens framtid

En magnetisk tågbana på månen och asteroider förvandlade till frodiga marker – Nasas drömfabrik, NIAC, väljer varje år ut nya idéer som flyttar fram gränserna för vad som är möjligt. De bästa kommer att revolutionera rymdfarten.

En magnetisk tågbana på månen och asteroider förvandlade till frodiga marker – Nasas drömfabrik, NIAC, väljer varje år ut nya idéer som flyttar fram gränserna för vad som är möjligt. De bästa kommer att revolutionera rymdfarten.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ingenjörerna måste våga tänka stort för att föra rymdfarten framåt. Det vet Nasa och därför belönar rymdorganisationens NIAC-program varje år nytänkande förslag till framtidens rymdteknik.

NIAC är Nasas experimentella lekplats, där universitetsforskare, privata företag och Nasas egna avdelningar får – nästan – fria tyglar att tänka ut nya lösningar, som kanske kan skapa vetenskapliga genombrott. Det är där science fiction ska förvandlas till färdig teknik med en tidshorisont på ett till flera årtionden.

Idéerna får gärna bygga på teknik som inte har uppfunnits än, en forskarna måste kunna försvara sina visioner vetenskapligt. De vinnande förslagen får upp till två miljoner dollar till vidareutveckling.

Utforskning

Radioantennen PEDALS rullar själv ut sina 200 meter långa armar på månens yta och lyssnar på hur radiosignalerna reflekteras från berggrunden.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Inomhusantenn ska visa oss månens födelse

Tidshorisont: 10 år

När skapades månen och hur har den utvecklats genom miljardtals år? Det kan jätteantennen PEDALS (Passively Expanding Dipole Array for Lunar Sounding) lära forskarna en hel del om.

PEDALS består av fyra hoprullade banor, som alla är 200 meter långa. Varje bana innehåller hundratals så kallade dipolantenner, som sänder ned radiovågor i berggrunden på olika frekvenser.

En dipolantenn är en enkel antenntyp som även känns igen från inomhusantennerna på gamla tv-apparater. Den enkla anordningen innebär att färre delar kan gå sönder, vilket är en stor fördel när man befinner sig långt ifrån alla elektronikverkstäder på jorden.

Genom att mäta skillnader i de reflekterade signalerna från olika djup kan astronomerna kartlägga hur berggrunden är sammansatt ned till flera kilometers djup. Fördelen med att placera många antenner direkt på ytan är att upplösningen av mätningarna blir högre och därmed kan tala om nya detaljer om sammansättningen för forskarna.

Uppdraget är utmanande eftersom PEDALS ska landa på månens yta utan mänsklig inblandning. Månen har ingen atmosfär, så det går inte att använda fallskärmar. Forskarna föreställer sig i stället att antennen kan landa i hopvikt tillstånd omsluten av ett slags krockkudde, som dämpar kollisionen med månens yta.

Antennen vecklas ut efter landning

Med en 400 meter lång radioantenn ska forskare kartlägga månens berggrund flera kilometer ned. Antennens landning dämpas av en krockkudde och därefter ska den själv rulla ut sig på månens yta.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Antennen når månen i fritt fall

Från en omloppsbana runt månen kastas antennen PEDALS ned mot ytan i fritt fall. Antennen är väl inpaketerad i en krockkuddsliknande ballong, så att inte nedslaget mot månens yta skadar den.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Luften släpps ut ur krockkudden

Tyngdpunkten i krockkudden är placerad så att den helst ska landa med antennen nedåt mot ytan. Efter landningen släpps luften ut ur krockkudden, så att den hoprullade antennen friläggs. Antennen består av fyra armar.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

3. Antennen rullas ut i sin fulla längd

Antennen är inbyggd i ett material med formminne och behöver därför inga motorer för att vecklas ut. Så snart antennen är ute ur krockkudden börjar de fyra armarna rullas ut till 200 meters längd.

Antenner har redan visat sig vara ett effektivt verktyg för att studera främmande planeter. Rymdsonden Mars Express, som ligger i omlopp runt Mars, avslöjade exempelvis 2018 en sjö cirka 1,5 kilometer under istäckena på planetens sydpol, som till dags dato är det enda beviset för flytande vatten på Mars. Och sondens 40 meter långa antenn är till och med längre än PEDALS.

Robotfiskarna SWIM söker efter spår av liv i de dolda haven på ismånarna Europa och Enceladus. De små robotarna sjösätts av en moderrobot som kopplad till landningsfarkostne.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robotfiskar söker efter liv i ismånars hav

Tidshorisont: 20 år

Jupiters måne Europa och Saturns Enceladus är några av de bästa kandidaterna att hysa liv utanför jorden. Men de mikrober och havsdjur som kan leva där är i oceaner under månarnas istäcken, vilket gör det svårt att hitta dem. Små 3D-utskrivna robotfiskar är en ny metod att utforska de dolda haven.

Robotarna med namnet SWIM (Sensing with Independent Micro-swimmers) är upp till 25 centimeter långa och rör sig med elmotordrivna fenor, som förses med ström från batterier. Robotfiskarna kan antingen skickas ut ensamma på uppdrag eller i flock, då de kommunicerar med varandra via ultraljudssignaler.

Varje robot är utrustad med en uppsättning sensorer. En kamera filmar och fotograferar, medan en spektrometer mäter den molekylära sammansättningen av oceanen för att avgöra om vattenförhållandena uppfyller villkoren för liv.

Robotfiskarna sjösätts av en moderrobot som är kopplad med en vajer till en landningsfarkost på isens yta. Moderroboten firas ned till de flytande vattenmassorna via sprickor i istäcket.

Med sina motorstyrda armar kan roboten ReachBot klättra på klippor och i grottor, där vanliga Marsbilar misslyckas.

© Marco Pavone

Klätterrobot utforskar grottor på Mars

Tidshorisont: 10 år

Marsbilar som Opportunity och Perseverance har lämnat kilometervis av hjulspår i det röda dammet, men fordonen måste ge upp när de står inför svårtillgängliga områden som klippavsatser eller grottor. Det ska klätterroboten ReachBot ändra på.

Roboten har motorstyrda gripklor som skjuts ut och in som teleskopstänger. Det gör att ReachBot blir så flexibel och smidig att den kan nå områden på Mars som ännu inte har utforskats.

ReachBot ska bland annat undersöka brottytor brudflader på bergssidor som kanske döljer geologiska lager från Mars allra tidigaste period. Forskare tror att planeten har haft en atmosfär och ett klimat som möjliggjorde oceaner av flytande vatten på ytan. Det innebär att Mars kan ha hyst biologiskt liv.

Robotens gripklor kan förankra den på ytor, gripa tag i föremål och användas till att göra avstamp. Förutom Mars föreställer sig forskarna att ReachBot även kan användas som servicerobot på rymdstationen ISS, där den kan navigera runt på stationens utsida utan att tappa greppet.

Gruvdrift

Magnettåg sätter fart på månbygge

Tidshorisont: 20 år

Nasa ska skicka astronauter till månen igen i mitten av årtiondet och det blir inledningen till en permanent kolonisation av planeten. Men framtidens månbaser, som enligt planen ska uppföras under 2030-talet, kräver råmaterial och det är mer effektivt att använda månens egen jord, regolit, än att transportera byggmaterial hela vägen från jorden.

Forskare föreslår därför att man ska bygga en magnettågbana som snabbt kan transportera fram regolit och andra material till byggplatsen. Konceptet kallas FLOAT (Flexible Levitation on a Track).

Banan ska konstrueras av ett flexibelt material, så att den kan rullas ut direkt på månens yta och därför inte kräver stora anläggningsmaskiner för byggas. Spåret ska kläs med en tunn solcellsfilm som levererar el till systemet.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Tågbanan rullas ut på månen

Svävande på ett magnetiskt spår ska måntåget FLOAT kunna frakta runt tontals med byggmaterial på månens yta.

Månjord används som byggmaterial

Gruvrobotar gräver ut månjord (regolit) och lastar över det i backar på magnettågbanans vagnar. Regoliten kan bland annat användas till att bygga månbaser, i vilka väggarna skyddar astronauterna mot skadlig strålning från rymden.

Tågvagnarna svävar över banan

Varje vagn hålls svävande med en princip kallad diamagnetisk levitation, där ett magnetfält i spåret under vagnen avstöter det magnetfält som finns naturligt i vagnens material. Vagnen svävar ett par centimeter över spåret.

Tre lager i spåret pressar fram tåget

Spåret består av tre lager. Överst finns en solcellsfilm som förser banan med el. I mitten finns grafit som utgör motpolen till det material tågvagnarna är byggda av. Och nederst finns ett elektromagnetiskt lager som pressar vagnarna framåt.

De små vagnarna med byggmaterial svävar fritt i luften ovanför spåret tack vare en princip kallad magnetisk levitation, som i dag bland annat används till höghastighetståg i Japan och Kina. Där hålls hela tågset svävande över spåret av kraftiga elektromagneter och eftersom det inte är någon friktion mellan tåg och spår kan magnettågen komma upp i mycket höga hastigheter på upp till cirka 600 km/h.

Fördelen med principen är att transporten kan ske uteslutande med hjälp av elektromagnetism. Dessutom finns det inga rörliga delar som exempelvis hjul, lager och axlar som slits och måste repareras – en stor fördel i rymden.

Månbanan ska köra i mer än två km/h och en vagn med en kvadratmeter stor yta kan bära upp till 33 kilo. Forskarna föreställer sig att ett fullt utbyggt FLOAT-system varje dag ska kunna frakta runt flera hundra ton gods på månens yta.

Mars har vatten under ytan och borrbilen ARD3 kan borra ned till det med hjälp av en meter långa borrningsrobotar på larvfötter.

© Planet Enterprises/James Vaughan Illustration

Rover borrar efter vatten djupt nere i Mars

Tidshorisont: 10 år

Forskning från 2018 pekar på att det finns vatten cirka 1,5 kilometer under ytan på Mars sydpol. Därför föreslår forskare att utveckla borrningsbilen ARD3, som kan borra tillräckligt långt ned för att hitta det.

ARD3-robotens hemliga vapen är så kallade borrobotar – 1 meter långa robotar som kan röra sig upp och ned genom borrhålet och långsamt göra det djupare. Det kan jämföras med Marsbilen Perseverance, som landade på planeten 2021, som bara kan borra sex centimeter djupa prover.

Borrbilen medför ett dussin borrobotar som skickas ned i borrhålet en i taget. Varje borrobot förs ned i planetens yta via ett rör och inleder därefter utgrävningen. Den rör sig successivt ned genom borrhålet med hjälp av gummibälten som pressas mot hålets insida.

Borroboten borrar ut omkring 15 centimeter av berggrunden i taget, varpå den återvänder med den isiga kärnan, som analyseras i bilens inbyggda laboratorium. Därefter sätts borroboten på laddning och en pigg robot skickas ned i borrhålet för att fortsätta arbetet.

I stället för att gräva efter månens is och metall kan ämnena utvinnas med ett slags artificiell blixt. Blixten gör molekylerna elektriskt laddade, så att de kan fångas upp av elektroder.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Artificiella blixtar skördar råämnen på månen

Tidshorisont: 20 år

Månen rymmer råmaterial som vattenis, järn, aluminium och titan. Ett av förslagen i NIAC-tävlingen är att utvinna dem med en teknik kallad ablation, som är betydligt lättare än utgrävning.

Metoden går ut på att skapa artificiella blixtar med ett slags gnista eller elektrisk urladdning mellan två elektroder och låta blixtarna slita loss molekyler av vatten och metall från ytan.

Vid processen förvandlas molekylerna till joner, det vill säga laddade partiklar. En annan uppsättning elektroder attraherar jonerna och styr in dem i behållare med hjälp av elektromagnetiska fält. En ablationsanläggning på månens yta ska kunna producera 10 000 liter vatten om året för att stödja en bemannad bas.

Ablation utforskas i dag också som en teknik att flytta ut hotande asteroider ur kollisionskurs med jorden eller för att skjuta ned rymdskrot i omlopp runt jorden. Tyska forskare demonstrerade 2018 att de genom att avfyra en laserpuls med hög energi mot ett gelébjörn i fritt fall kunde ändra dess hastighet och bana på grund av det upplösta materialet.

Kolonisation

Hopvikt rymdbas växer 150 gånger

Tidshorisont: 20 år

Den trånga platsen i spetsen av rymdraketer sätter stora begränsningar för hur mycket gods som skickas upp från jorden åt gången.

Ju fler ton last det finns i spetsen av raketen, desto mer tryckkraft måste den kunna leverera. Lastrummet högst upp i raketen får inte heller ha för stor diameter, eftersom den då kommer att utsättas för en stor aerodynamisk press när raketen susar genom atmosfärens luft i flera tusentals kilometer i timmen.

Därför ska forskare utveckla en hopfällbar rymdstation som får plats högst upp i en befintlig Falcon Heavy-raket och utvidgas 150 gånger när den frisätts i rymden.

Rymdstationen ska enligt förslaget byggas av så kallade metamaterial, som är en ny sorts konstgjort material med egenskaper som inte finns i naturliga material. Forskarna ska bland annat göra rymdstationens byggmaterial auxetiskt, vilket betyder att materialet även utvidgas på bredden när det sträcks ut i längdriktningen.

Om man drar i en bit gummi blir gummit längre i den riktning man drar i, men kortare på andra ledden. Rymdstationen blir däremot både bredare och längre.

Medan rymdstationen ISS är byggd av moduler som har skickats upp med många raketer, ska den hopfällbara rymdstationen rymmas i toppen av en enda raket. Trots det blir den tio gånger så lång som ISS.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Hopfällbar rymdstation

* Längd:
Över en kilometer

* Gravitationskraft:
Cirka en G (som på jorden)

* Material:
Auxetiska metamaterial

* Vikt:
Okänt

* Rotationer per minut:
En–två

© Nasa

Internationella rymdstationen

* Längd:
109 meter

* Gravitationskraft:
0 G (tyngdlöshet)

* Material:
Aluminium, stål, titan, kevlar

* Vikt:
440 ton

* Rotationer per minut:
0

Effekten kan påminna om att blåsa upp något, men när man blåser upp något utvidgas och formas materialet på grund av trycket inifrån – det auxetiska materialet utvidgas på grund av dess egen uppbyggnad.

Metamaterial kan också användas i exempelvis skottsäkra västar, där plastfibrer med auxetiska egenskaper blir starkare i det ögonblick projektilen träffar och sträcker ut materialet i båda riktningar.

Rymdstationen ska vara minst en kilometer lång och rotera 1-2 gånger i minuten för att skapa artificiell gravitationskraft för astronauterna ombord. Fördelen är att astronauterna slipper några av de fysiologiska problem som uppstår under långa vistelser i rymdens tyngdlöshet – exempelvis förlust av muskel- och benmassa, njursten och problem med synen.

Rymden saknar jord att odla grödor i. Lösningen kan vara att omge en asteroid med konstgjord atmosfär och låta svampar omvandla sten till jord, där växter kan gro.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Asteroider blir astronauternas åkrar

Tidshorisont: 50 år

På rymdexpeditioner långt från jorden ska astronauterna kunna odla sina egna grödor för att bli självförsörjande. Även om växter kan odlas i vatten med metoden hydrokultur, är jord nödvändig för att producera grödor i stor skala till exempelvis en marskoloni.

Forskare föreslår därför att låta svamp omvandla kolhaltiga asteroider till jord, där astronauter kan odla grödor. Själva asteroiden ska omslutas av en genomskinlig påse, som både låter solljus passera igenom och kan bevara en atmosfär som håller svamparna vid liv.

Svamparna bildar långa trådar kallade hyfer, som växer in i asteroiden. Det skapar ett tryck som får stenen att spricka. Svampsporerna innehåller dessutom en syra som löser upp stenmaterialet.

Här på jordklotet tros svamp ha spelat en avgörande roll i bildandet av jord, eftersom de är bra på att bryta ned komplexa organiska föreningar – även dem som är giftiga för biologiskt liv. Försök har exempelvis visat att oljeförorenad jord kan renas så gott som helt genom att plantera musslingar.

Ett teleskop samlar upp och skickar vidare solljus till marsbilar och rymdstationer som omvandlar det till elektricitet med hjälp av solpaneler.

© Ronald Neale

Teleskop skickar trådlös el på månen

Tidshorisont: 20 år

Kolonisation av andra planeter kräver el till robotar, rymdstationer och maskiner. Visionen Light Bender är forskarnas förslag på trådlös överföring av el som alternativ till att lägga ut elkablar över månens yta.

I ett centralt torn kallat en heliostat placeras ett så kallat Cassegrainteleskop, som samlar upp och fokuserar solljuset. Med Fresnel-linser samlas ljuset nu ytterligare och fokuseras som enskilda strålar, som riktas mot de platser där elen ska användas.

Ljuset omvandlas till elektricitet via 2-4 meter stora solcellspaneler på den robot eller maskin som ska använda elen. Det kan exempelvis vara en gruvrobot som arbetar nere i en månkrater, dit solens strålar inte når fram. En spegel placerad lokalt vid kraterns kant reflekterar ljuset från Light Bender vidare ned i den skuggade kratern.

Metoden är enligt forskarna mer effektiv än att exempelvis överföra el med laser, där solljuset först ska omvandlas till laserljus. Med Light Bender konverteras ljuset bara till el en gång och därmed går mindre elektricitet till spillo.