Научно-фантастические идеи, которые могут изменить будущее освоения космоса

CNN

—

В прошлом году крошечный вертолет пролетел над Марсом, космический корабль НАСА врезался в астероид, а космический телескоп Джеймса Уэбба открыл новые потрясающие знания о Вселенной.

Начавшись десятилетия назад как идеи, которые казались больше похожими на научную фантастику, эти миссии потребовали многих лет исследований и испытаний, чтобы воплотиться в жизнь.

Технологические достижения и научные прорывы изменили то, как мы наблюдаем и исследуем космос. Как изменятся исследования космоса в ближайшие десятилетия и какие новые возможности появятся?

Эти вопросы лежат в основе инновационной программы передовых концепций НАСА, или NIAC, которая выделяет финансирование на концепции, которые могут стать частью будущих миссий.

“НАСА осмеливается сделать невозможное возможным”, - говорится в заявлении администратора НАСА Билла Нельсона. “Это достижимо только благодаря новаторам, мыслителям и деятелям, которые помогают нам представить и подготовиться к будущему освоения космоса. Программа NIAC помогает предоставить этим дальновидным ученым и инженерам инструменты и поддержку, необходимые им для развития технологий, которые позволят осуществлять будущие миссии НАСА ”.

В последнем конкурсе NIAC были отобраны 14 новых концепций, каждая из которых в январе получила 175 000 долларов. Теперь у этих исследователей есть девять месяцев, чтобы использовать эти средства для доработки и тестирования своих идей, чтобы понять, смогут ли они перейти ко второму этапу финансирования, который составляет 600 000 долларов, чтобы конкретизировать свои концепции и приблизить их к реальности.

Только пять проектов прошли третью фазу в рамках программы NIAC — 2 миллиона долларов, чтобы сделать что-то осуществимым.

Конкурсная программа, действующая с 2011 года, открыта для широкого круга идей, если они технически достоверны, сказал Майкл Лапуэнт, руководитель программы NIAC в НАСА.

Некоторые из последних концепций, финансируемых NIAC, включают жидкостный космический телескоп, саморастущие кирпичи, предназначенные для Марса, и самолет, который мог бы летать на спутнике Сатурна Титане, среди прочих. Многие идеи являются результатом творческого сотрудничества между экспертами в разных областях, которые бросают вызов друг другу, предлагая новые идеи.

“Это действительно сообщество новаторов”, - сказал Лапуэнт. “Мы ищем идеи, которые позволят использовать совершенно новые способы ведения дел”.

Саморастущие кирпичи для Марса

В течение последних нескольких лет Конгруй Джин и ее исследовательская группа использовали бактерии и грибы для заживления трещин в бетоне. Джин, доцент Университета Небраски-Линкольна, теперь хочет перенести свою идею в космос. Ее саморастущие кирпичи однажды могут построить среду обитания и другие сооружения для исследователей-людей на красной планете.

Концепция будет включать отправку бактериальных и грибковых спор и биореактора на Марс. Биореактор необходим для выживания микробов, потому что естественная среда Марса была бы для них слишком суровой. Но Марс обеспечит остальные необходимые ингредиенты для саморастущих кирпичей, включая пыль и почву, солнечный свет, азот, углекислый газ и воду из растаявшего льда.

В свою очередь, бактерии могут производить кислород и органический углерод для поддержки грибов. Процесс, когда все эти ингредиенты окажутся внутри биореактора, также создаст карбонат кальция, который будет служить клеем.

Бактерии, грибы и минералы свяжут марсианскую почву вместе, образуя блоки, из которых впоследствии можно будет делать полы, стены и даже мебель.

Группа Джина, в которую входят несколько студентов, проверяет наиболее подходящие виды грибов и бактерий и проверяет, какие из них лучше всего работают вместе. Команда также строит биореактор для калибровки атмосферы, давления, температуры и освещения, необходимых для выращивания кирпичей.

“Очень важной особенностью этой технологии является ее автономный характер, и она не требует никакого вмешательства человека”, - сказал Джин. “Сначала нам нужно просто предоставить небольшое количество спор, чтобы начать этот процесс, а остальное происходит автоматически”.

Полет TitanAir

Спутник Сатурна Титан давно заинтриговал астрономов своей плотной атмосферой и озерами и реками метана. Это уникальное место в нашей солнечной системе, в котором происходит химия, которая может быть похожа на то, что происходило на ранней Земле. Ожидается, что беспилотник размером с ровер под названием Dragonfly будет запущен к этой Луне в 2027 году для изучения ее мелкозернистого, более сухого органического материала.

Куинн Морли, главный исследователь Planet Enterprises в Гиг-Харборе, штат Вашингтон, и его сотрудники из Университета штата Вашингтон и других учреждений представляют дополнительную миссию Titan для исследования более влажных областей интригующей Луны. Конструкция, похожая на гидросамолет, под названием TitanAir, будет парить в атмосфере Титана и плавать по его озерам.

TitanAir может достичь Луны примерно через десять лет после Dragonfly, “чтобы помочь раскрыть ключевые секреты этой чужой планеты”, - сказал Морли.

Передняя часть крыла самолета будет “пить” жидкий метан, который образуется на поверхности крыла, когда самолет летит сквозь дождевые облака. Жидкость, собранная внутри крыла, может быть проанализирована приборами и передана обратно на Землю.

Небольшой марсоход или вертолет могут летать в места, недоступные самолету, и возвращать образцы на самолет. Начиная с осени, Морли хочет сотрудничать с проектными группами студентов-инженеров в штате Вашингтон в разработке идей для TitanAir.

“Анализ облаков, озер и береговых линий позволяет нам атаковать поиск жизни тремя уникальными способами с помощью одного космического корабля, - сказал Морли в электронном письме, - увеличивая наши шансы раскрыть эти глубокие тайны”.

Жидкостный телескоп

Крупные космические обсерватории, такие как космический телескоп Хаббла и телескоп Уэбба, являются результатом десятилетий финансирования, проектирования, сборки и тестирования. Но растет спрос на более широкий спектр телескопов, которые можно разрабатывать дешевле и быстрее.

Несколько новых концепций NIAC предлагают разнообразные способы наблюдения за космосом, как никогда раньше.

Один из проектов - FLUTE, или Жидкостный телескоп, от Эдварда Балабана, научного сотрудника Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии, и его сотрудников. Балабан в основном работал в области искусственного интеллекта и стратегического планирования для предстоящей миссии лунохода VIPER .

Беседы с коллегами из Ames и Техниона - Израильского технологического института вдохновили Балабана на разработку концепции, которая могла бы сочетать манипулирование жидкостями с установкой большого телескопа на орбите. Последний не будет ограничен размером его ракеты-носителя.

Согласно плану, два запуска отправят в космос измерительный космический корабль и каркас, который может быть заполнен жидкостью. Заполненная жидкостью рама создает массивное 50-метровое (164-футовое) зеркало, в то время как измерительный аппарат будет оставаться на определенном расстоянии от зеркала, чтобы собирать изображения и отправлять их обратно на Землю, сказал Балабан

Балабан и его команда тестируют жидкости, которые могут действовать как зеркало, в том числе ионные жидкости, называемые расплавленными солями. Исследователи будут использовать свой грант для работы над созданием каркаса для удержания жидкости и конструкции космического корабля с приборами. По его словам, такой телескоп может быть невосприимчив к ударам микрометеороидов, которые испытал телескоп Уэбба, потому что жидкости не пострадают.

Большая светосборная поверхность, такая как ФЛЕЙТА, может увидеть слабый свет ранних галактик или заглянуть в атмосферу экзопланет.

“Хотите верьте, хотите нет, но мы могли бы начать видеть особенности поверхности на ближайших экзопланетах”, - сказал Балабан. “Вместо того, чтобы видеть их как точки света, мы могли бы определить, например, есть ли у них континенты”.

В поисках другой Земли

Тем временем Хайди Джо Ньюберг, профессор физики, прикладной физики и астрономии в Политехническом институте Ренсселера, и ее сотрудники разработали концепцию телескопа, который мог бы найти “Землю 2.0”.

Идея команды состоит в том, чтобы искать близлежащие обитаемые планеты, изменяя многовековую конструкцию телескопов. Это называется DICER, или дифракционный интерференционный коронограф для определения экзопланет.

Экзопланеты размером с Землю маленькие и слабые, особенно по сравнению с яркими звездами, вокруг которых они вращаются, поэтому традиционное мышление предполагает, что для поиска таких планет потребуется телескоп, в три раза превышающий диаметр телескопа Уэбба, который на 6,5 метров (21 фут 4 дюйма) является самым большим зеркалом, когда-либо летавшим в космосе.

20-метровый (65-футовый) телескоп в настоящее время невозможен, потому что было бы трудно запустить такое большое зеркало в космос.

Но DICER будет полагаться на два маленьких зеркала, а также две 10-метровые дифракционные решетки или оптические компоненты, которые преломляют свет, которые можно легко разместить внутри ракеты. Подумайте о радуге, видимой на обратной стороне компакт—диска, когда вы подносите его к свету - это дифракционная решетка. Решетки могут собирать столько же света, сколько и 20-метровый телескоп.

“Эта идея уменьшает размер и вес того, что вам нужно отправить в космос, чтобы получить желаемое высокое разрешение такого телескопа, как Webb”, - сказал Ньюберг. “То, что мы пытаемся сделать, это использовать этот готовый дизайн, чтобы сделать возможным поиск планет, похожих на Землю”.

Команда будет работать над масштабом оптики и определять, можно ли также использовать телескоп для изучения атмосферы экзопланет.

Невидимое небо

Несмотря на достижения в области типов света, которые могут видеть телескопы, низкочастотные радиоволны остаются невидимыми для нас.

Доктор Мэри Кнапп, научный сотрудник обсерватории Хейстак Массачусетского технологического института, и ее сотрудники работают над концепцией, которая могла бы раскрыть эту часть спектра радиоволн. Волны не наблюдаются наземными радиотелескопами из-за искажающего воздействия верхних слоев атмосферы Земли.

“Еще в студенческие годы я узнал, что есть часть спектра, которую мы не можем видеть”, - сказал Кнапп. “Меня действительно поразило, что существует эта неизведанная часть Вселенной, и я хочу впервые исследовать эту часть неба”.

Великая обсерватория длинных волн, или GO-LoW, будет опираться на флот из тысяч спутников размером с обувную коробку, которые действуют согласованно, как один большой виртуальный телескоп. Небольшие спутники экономически эффективны, и их мега-созвездия могут быть запущены одновременно на одной большой ракете.

Обсерватория может измерять низкочастотное электромагнитное излучение, которое будет содержать множество данных для астрономов, которые хотят наблюдать за самыми старыми звездами и галактиками и понимать магнитные поля экзопланет и звезд. Эта информация может помочь ученым легче обнаружить обитаемые планеты. Магнитные поля помогают планетам поддерживать свою атмосферу.

Затем команда сосредоточится на дизайне антенны для спутников и потенциальной архитектуре, необходимой для спутников в космосе. Если GO-LoW будет разработан, его можно будет использовать для создания новой карты неба.

“Каждый раз, когда мы смотрим на Вселенную в новой части спектра, мы видим вещи, которых не ожидали”, - сказал Кнапп. “Я действительно взволнован тем, чего мы не знаем”.