Die NASA hat in den letzten Jahren dank ihres New Worlds Mission-Konzepts - auch bekannt als - viele Blicke auf sich gezogen. Sternschatten. Dieses vorgeschlagene Raumschiff besteht aus einem riesigen blütenförmigen Okkulter und soll neben einem Weltraumteleskop (höchstwahrscheinlich dem James Webb-Weltraumteleskop) eingesetzt werden. Es blockiert dann die Blendung entfernter Sterne und erzeugt eine künstliche Sonnenfinsternis, um Planeten, die sie umkreisen, leichter zu erkennen und zu untersuchen.
Das einzige Problem ist, dass dieses Konzept voraussichtlich einen hübschen Cent kosten wird - geschätzte 750 bis 3 Milliarden US-Dollar zu diesem Zeitpunkt! Aus diesem Grund schlägt Stanford-Professor Simone D’Amico (mit Hilfe des Exoplaneten-Experten Bruce Macintosh) eine verkleinerte Version des Konzepts vor, um seine Wirksamkeit zu demonstrieren. Dieser als mDot bekannte Okkulter erledigt den gleichen Job, jedoch zu einem Bruchteil der Kosten.
Der Zweck hinter einem Okkulter ist einfach. Bei der Jagd nach Exoplaneten sind Astronomen gezwungen, sich überwiegend auf indirekte Methoden zu verlassen - die häufigste ist die Transitmethode. Dies beinhaltet die Überwachung von Sternen auf Helligkeitseinbrüche, die Planeten zugeschrieben werden, die zwischen ihnen und dem Beobachter vorbeiziehen. Durch Messung der Geschwindigkeit und Häufigkeit dieser Einbrüche können Astronomen die Größe von Exoplaneten und ihre Umlaufzeiten bestimmen.
Wie Simone D’Amico, deren Labor an diesem Finsternissystem arbeitet, in einer Pressemitteilung der Stanford University erklärte:
„Mit indirekten Messungen können Sie Objekte in der Nähe eines Sterns erkennen und deren Umlaufzeit und Entfernung vom Stern ermitteln. Dies sind alles wichtige Informationen, aber mit direkter Beobachtung könnten Sie die chemische Zusammensetzung des Planeten charakterisieren und möglicherweise Anzeichen biologischer Aktivität - des Lebens - beobachten. “
Diese Methode leidet jedoch auch unter einer erheblichen Rate von Fehlalarmen und erfordert im Allgemeinen, dass ein Teil der Umlaufbahn des Planeten eine Sichtlinie zwischen dem Wirtsstern und der Erde schneidet. Das Studium der Exoplaneten selbst ist ebenfalls recht schwierig, da das vom Stern kommende Licht wahrscheinlich mehrere Milliarden Mal heller ist als das vom Planeten reflektierte Licht.
Die Fähigkeit, dieses reflektierte Licht zu untersuchen, ist von besonderem Interesse, da es wertvolle Daten über die Atmosphäre der Exoplaneten liefern würde. Daher werden verschiedene Schlüsseltechnologien entwickelt, um das störende Licht von Sternen auszublenden. Ein mit einem Okkulter ausgestattetes Raumschiff ist eine solche Technologie. In Kombination mit einem Weltraumteleskop würde dieses Raumschiff eine künstliche Sonnenfinsternis vor dem Stern erzeugen, sodass Objekte um ihn herum (d. H. Exoplaneten) klar sichtbar sind.
Neben den erheblichen Kosten für den Bau eines solchen gibt es auch das Problem der Größe und Bereitstellung. Damit eine solche Mission funktioniert, muss der Okkulter selbst etwa die Größe eines Baseball-Diamanten haben - 27,5 Meter (90 Fuß) im Durchmesser. Es müsste auch um einen Abstand von mehreren Erddurchmessern vom Teleskop getrennt sein und außerhalb der Erdumlaufbahn eingesetzt werden. All dies summiert sich zu einer ziemlich teuren Mission!
Aus diesem Grund haben D'Amico - ein Assistenzprofessor und Leiter des Space Rendezvous Laboratory (SRL) in Stanford - und Bruce Macintosh (ein Stanford-Professor für Physik) gemeinsam eine kleinere Version namens Miniaturized Distributed Occulter / Telescope ( mDOT). Der Hauptzweck von mDOT ist die Bereitstellung einer kostengünstigen Flugdemonstration der Technologie in der Hoffnung, das Vertrauen in eine umfassende Mission zu stärken.
Wie Adam Koenig, ein Doktorand der SRL, erklärte:
„Bisher wurde keine Mission mit dem Grad an Raffinesse geflogen, der für eines dieser Exoplaneten-Bildgebungsobservatorien erforderlich wäre. Wenn Sie das Hauptquartier um ein paar Milliarden Dollar bitten, um so etwas zu tun, ist es ideal zu sagen, dass wir das alles schon einmal geflogen sind. Dieser ist nur größer. "
Das aus zwei Teilen bestehende mDOT-System nutzt die jüngsten Entwicklungen in der Miniaturisierungs- und Kleinsatellitentechnologie (Smallsat). Der erste ist ein 100 kg schwerer Mikrosatellit, der mit einem Sternschatten mit 3 m Durchmesser ausgestattet ist. Der zweite ist ein 10 kg schwerer Nanosatellit mit einem Teleskop mit einem Durchmesser von 10 cm. Beide Komponenten werden in einer hohen Erdumlaufbahn mit einem nominalen Abstand von weniger als 1.000 Kilometern eingesetzt.
Mit Hilfe von Kollegen der SRL wurde die Form des Sternschirms von mDOT neu formuliert, um den Einschränkungen eines viel kleineren Raumfahrzeugs zu entsprechen. Wie Koenig erklärte, kann dieser verkleinerte und speziell entworfene Sternschirm die gleiche Aufgabe erfüllen wie die großformatige, blütenförmige Version - und das mit kleinem Budget!
"Mit dieser speziellen geometrischen Form kann das Licht, das um den Sternschatten gebeugt wird, sich selbst aufheben", sagte er. „Dann bekommst du einen sehr, sehr tiefen Schatten genau in der Mitte. Der Schatten ist tief genug, damit das Licht des Sterns die Beobachtungen eines nahe gelegenen Planeten nicht beeinträchtigt. "
Da der Schatten, der durch den Sternschatten von mDOT erzeugt wird, nur einen Durchmesser von einigen zehn Zentimetern hat, muss der Nanosatellit einige sorgfältige Manöver durchführen, um darin zu bleiben. Zu diesem Zweck entwickelten D’Amico und das SRL auch ein autonomes System für den Nanosatelliten, mit dem er Formationsmanöver mit dem Sternschatten durchführen, die Formation bei Bedarf unterbrechen und sich später erneut mit ihm treffen kann.
Eine unglückliche Einschränkung der Technologie ist die Tatsache, dass sie erdähnliche Planeten nicht auflösen kann. Insbesondere bei Sternen vom Typ M (Roter Zwerg) kreisen diese Planeten wahrscheinlich zu nahe an ihren Elternsternen, um klar beobachtet zu werden. Es wird jedoch in der Lage sein, Jupiter-große Gasriesen aufzulösen und exozodiakale Staubkonzentrationen um nahegelegene Sterne zu charakterisieren - beides Prioritäten für die NASA.
In der Zwischenzeit werden D’Amico und seine Kollegen das Testbed für Rendezvous und optische Navigation (TRON) verwenden, um ihr mDOT-Konzept zu testen. Diese Anlage wurde speziell von D’Amico gebaut, um die komplexen und einzigartigen Beleuchtungsbedingungen zu reproduzieren, denen Sensoren im Weltraum ausgesetzt sind. In den kommenden Jahren werden er und sein Team daran arbeiten, dass das System funktioniert, bevor ein möglicher Prototyp erstellt wird.
Wie D’Amico über die Arbeit sagte, die er und seine Kollegen bei der SNL leisten:
"Ich bin begeistert von meinem Forschungsprogramm in Stanford, weil wir wichtige Herausforderungen angehen. Ich möchte helfen, grundlegende Fragen zu beantworten, und wenn Sie in alle aktuellen Richtungen der Weltraumforschung und -forschung schauen - ob wir versuchen, Exoplaneten zu beobachten, etwas über die Entwicklung des Universums zu lernen, Strukturen im Weltraum aufzubauen oder unseren Planeten zu verstehen - Satellitenbildung - Fliegen ist der Schlüssel zum Erfolg. “
Andere Projekte, an denen D’Amico und die SNL derzeit beteiligt sind, umfassen die Entwicklung größerer Formationen winziger Raumfahrzeuge (auch bekannt als "Schwarmsatelliten"). In der Vergangenheit hat D'Amico auch mit der NASA bei Projekten wie GRACE zusammengearbeitet - einer Mission, die Variationen im Schwerefeld der Erde im Rahmen des ESSP-Programms (Earth System Science Pathfinder) der NASA kartierte - und TanDEM-X, einem von der SEA gesponserten Programm Mission, die 3D-Karten der Erde ergab.
Diese und andere Projekte, die die Miniaturisierung für die Erforschung des Weltraums nutzen wollen, versprechen eine neue Ära niedrigerer Kosten und besserer Zugänglichkeit. Mit Anwendungen, die von Schwärmen winziger Forschungs- und Kommunikationssatelliten bis hin zu Nanotransplantaten reichen und die Reise nach Alpha Centauri mit relativistischen Geschwindigkeiten (Breakthrough Starshot) ermöglichen, sieht die Zukunft des Weltraums vielversprechend aus!
Schauen Sie sich auch dieses Video der TRON-Einrichtung an, mit freundlicher Genehmigung der Standford University:
