Под руководством Теодора Костюка, ученого из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, усилия по разработке технологий направлены на предоставление научному сообществу компактного, воспроизводимого и относительно недорогого телескопа, который легко поместился бы внутри спутника CubeSat. Индивидуальные CubeSats измеряют четыре дюйма в ширину.
Малые спутники, в том числе CubeSats, играют все более важную роль в исследованиях, демонстрации технологий, научных исследованиях и образовательных исследованиях в НАСА. Эти миниатюрные спутники обеспечивают недорогую платформу для миссий НАСА, включая исследование планетного космоса; Наблюдения Земли; фундаментальная наука о Земле и космосе; и разработка инструментов науки-предшественников, таких как ультрасовременная лазерная связь, связь со спутника и возможности автономного передвижения.
Они также предоставляют недорогие средства для вовлечения студентов на всех этапах разработки, эксплуатации и эксплуатации спутников с помощью реальных практических исследований и разработок, связанных с возможностями запуска райдшеринговых программ, финансируемых НАСА.В рамках этого конкретного проекта RD команда Костюка стремится разработать телескоп CubeSat, который был бы чувствителен к ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному диапазонам длин волн. Он будет оснащен стандартными коммерческими спектрометрами и формирователями изображений и станет идеальным «исследовательским инструментом для быстрого просмотра, который может привести к более крупным миссиям», — пояснил Костюк. «Мы пытаемся использовать коммерчески доступные компоненты».Хотя эта концепция не получит такой же научной отдачи, как, скажем, флагманская миссия или большой наземный телескоп, она может обеспечить первоочередные научные исследования или запускаться как созвездие кубесатов, оснащенных аналогичным образом, добавил Костюк.
При финансовой поддержке программы внутренних исследований и разработок Годдарда команда создала лабораторный оптический стенд, состоящий из трех коммерчески доступных миниатюрных спектрометров, оптимизированных для работы в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Спектрометры через оптоволоконные кабели подключаются к сфокусированному лучу зеркала из углеродных нанотрубок диаметром три дюйма. Команда использует оптический стенд для тестирования всей конструкции телескопа.
Первое в истории зеркало из углеродной нанотрубкиПо общему мнению, новомодное зеркало может оказаться центральным при создании недорогого космического телескопа для ряда научных исследований CubeSat.В отличие от большинства зеркал телескопов, сделанных из стекла или алюминия, эта оптика сделана из углеродных нанотрубок, залитых эпоксидной смолой. Углеродные нанотрубки субмикронного размера цилиндрической формы обладают необычайной прочностью и уникальными электрическими свойствами, а также являются эффективными проводниками тепла.
Благодаря этим необычным свойствам этот материал представляет ценность для нанотехнологий, электроники, оптики и других областей материаловедения и, как следствие, используется в качестве добавок в различных конструкционных материалах.«Никто не смог сделать зеркало из смолы углеродных нанотрубок», — сказал Питер Чен, подрядчик Годдарда и президент Lightweight Telescopes, Inc., компании из Колумбии, штат Мэриленд, работающей с командой над созданием CubeSat- совместимый телескоп.«Это уникальная технология, которая в настоящее время доступна только в Годдарде», — продолжил он. «Эта технология слишком нова, чтобы летать в космос, и сначала она должна пройти через различные уровни технологического прогресса.
Но это то, что мои коллеги по Годдарду (Костюк, Тилак Хевагама и Джон Коласински) пытаются достичь с помощью программы CubeSat».Преимущества многочисленныИспользование оптики из углеродных нанотрубок в телескопе CubeSat дает ряд преимуществ, сказал Хевагама, который связался с Ченом после того, как узнал о программе NASA Small Business Innovative Research, предоставленной компании Чена для дальнейшего развития зеркальной технологии. Зеркала из углеродных нанотрубок не только легкие, стабильные и легко воспроизводимые, но и не требуют полировки — трудоемкого и зачастую дорогостоящего процесса, который обычно требуется для получения гладкого зеркала идеальной формы, сказал Коласински, инженер и ученый. соавтор проекта.
Чтобы сделать зеркало, техники просто заливают смесь эпоксидной смолы и углеродных нанотрубок в оправку или форму, изготовленную в соответствии с определенными оптическими предписаниями. Затем они нагревают форму для отверждения и затвердевания эпоксидной смолы. После установки зеркало покрывается отражающим материалом из алюминия и диоксида кремния.
«После изготовления определенной оправки или пресс-формы многие десятки идентичных маломассивных и очень однородных копий могут быть произведены с низкими затратами», — сказал Чен. «Таким образом можно изготавливать полные сборки телескопов, что является основным интересом команды. Для программы CubeSat эта возможность позволит оснастить многие космические корабли идентичной оптикой и разными детекторами для различных экспериментов.
Их также можно будет летать группами. и созвездия ".Другие приложенияТелескоп CubeSat — одно из возможных применений оптических технологий, добавил Чен.
Он считает, что это также подойдет для больших телескопов, особенно состоящих из нескольких зеркальных сегментов. Например, 18 зеркал шестиугольной формы образуют 21-футовое главное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба, а каждый из двойных телескопов в обсерватории Кек в Мауна-Кеа, Гавайи, содержит 36 сегментов, образующих 32-футовое зеркало.Многие сегменты зеркал в этих телескопах идентичны и поэтому могут быть изготовлены с использованием одной оправки.
Такой подход позволяет избежать шлифовки и полировки множества отдельных сегментов до одинаковой формы и фокусного расстояния, что потенциально приводит к значительной экономии времени и затрат.Более того, зеркала из углеродных нанотрубок можно превратить в «умную оптику». Например, для поддержания единого идеального фокуса в телескопах Кек каждый сегмент зеркала имеет несколько установленных снаружи приводов, которые деформируют зеркала в определенные формы, необходимые для различных ориентаций телескопа.
В случае зеркал из углеродных нанотрубок исполнительные механизмы могут быть встроены в оптику во время изготовления. Это достигается путем приложения электрических полей к смеси смол перед отверждением, что приводит к образованию цепочек и сеток углерод-нанотрубка. После отверждения техники затем подают питание на зеркало, тем самым изменяя форму оптической поверхности.
Эта концепция уже проверена в лаборатории.«Эта технология потенциально может позволить использовать технически активную оптику очень большой площади в космосе», — сказал Чен. «Приложения обращаются ко всему, от астрономии и наблюдений за Землей до связи в дальнем космосе».