NASA’s denktank schetst toekomst van ruimtevaart

Een magnetische treinbaan op de maan en planetoïden vol weelderige weiden – NASA’s dromenfabriek, NIAC, selecteert elk jaar nieuwe ideeën die de grenzen verleggen van wat mogelijk is. De beste gaan een revolutie veroorzaken in de ruimtevaart.

Een magnetische treinbaan op de maan en planetoïden vol weelderige weiden – NASA’s dromenfabriek, NIAC, selecteert elk jaar nieuwe ideeën die de grenzen verleggen van wat mogelijk is. De beste gaan een revolutie veroorzaken in de ruimtevaart.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Ingenieurs moeten groot durven denken om de ruimtevaart vooruit te helpen. Daarom beloont NASA in het kader van het NIAC-programma elk jaar innovatieve voorstellen voor toekomstige ruimtevaarttechnologieën.

NIAC is NASA’s speeltuin waar wetenschappers, bedrijven en NASA’s eigen afdelingen oplossingen mogen bedenken die tot wetenschappelijke doorbraken kunnen leiden. Hier kan sciencefiction worden omgezet in kant-en-klare technologie met een tijdspanne van één tot enkele decennia.

Ideeën kunnen gebaseerd zijn op technologieën die nog niet zijn uitgevonden, maar wetenschappers moeten hun visie wel wetenschappelijk kunnen verdedigen. De winnende inzendingen ontvangen tot 2 miljoen dollar voor verdere ontwikkeling.

Verkenning

De radioantenne PEDALS rolt zelf zijn 200 meter lange armen uit op de maan en luistert hoe de radiosignalen worden weerkaatst door de bodem.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kamerantenne moet ontstaan van maan laten zien

Tijdspanne: 10 jaar

Wanneer is de maan ontstaan en hoe heeft zij zich in miljarden jaren ontwikkeld? De reuzenantenne PEDALS (Passively Expanding Dipole Array for Lunar Sounding) kan wetenschappers daar veel over leren.

De PEDALS bestaat uit vier opgerolde banen van elk 200 meter lang. Iedere baan bevat honderden dipoolantennes, die op verschillende frequenties radiogolven naar de bodem zenden.

Een dipoolantenne is een eenvoudig type antenne, zoals van oude televisies. Door het simpele ontwerp kunnen er minder onderdelen stukgaan – een groot voordeel als je ver van de elektromonteur op aarde bent.

Door de verschillen te meten in de weerkaatste signalen vanaf verschillende diepten kunnen astronomen de bodemsamenstelling tot op kilometers diepte in kaart brengen. Het voordeel van antennes direct op de bodem is dat de resolutie van de metingen hoger is, wat wetenschappers nieuwe details over de samenstelling kan opleveren.

De missie is een uitdaging, want de PEDALS moet zonder menselijke hulp op het maanoppervlak kunnen landen. De maan heeft geen atmosfeer, dus parachutes werken hier niet. Volgens de wetenschappers kan de antenne in opgevouwen toestand landen, omsloten door een airbag die de klap op de maanbodem kan opvangen.

Antenne ontvouwt zich na de landing

Met een 400 meter lange radioantenne willen wetenschappers de maanbodem tot enkele kilometers diepte in kaart brengen. Een airbag vangt de schok op van landing van de antenne, die daarna zelf uitrolt.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Antenne landt op de maan in vrije val

Vanuit een baan om de maan suist de PEDALS-antenne in vrije val naar de bodem. De antenne is stevig ingepakt in een soort airbag, zodat hij niet beschadigd raakt door de landing op de maan.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Airbag loopt leeg

Het zwaartepunt van de airbag is zo ingesteld dat hij landt met de antenne naar beneden gericht. Na de landing wordt de lucht uit de airbag gelaten en komt de opgevouwen antenne, die uit vier armen bestaat, vrij.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

3. Antenne rolt in volle lengte uit

De ingebouwde antenne bestaat uit een materiaal met vormgeheugen en heeft dus geen motoren nodig om uit te vouwen. Zodra de antenne uit de airbag is, rollen de vier armen zich over 200 meter lengte uit.

Antennes zijn doeltreffende instrumenten voor het bestuderen van andere planeten. De ruimtesonde Mars Express, die in 2018 in een baan om Mars draaide, vond bijvoorbeeld een meer op 1,5 kilometer onder het ijs op de zuidpool van de planeet, het enige bewijs tot nu toe van vloeibaar water op Mars. En zijn antenne was met 40 meter veel kleiner dan de PEDALS.

De visrobots SWIM zoeken naar sporen van leven in de verborgen zeeën van de ijsmanen Europa en Enceladus. De robotjes komen uit een moederrobot die verbonden is met het landingsvaartuig.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robotvis zoekt leven in zee van ijsmanen

Tijdspanne: 20 jaar

De kans om buitenaards leven te vinden is behoorlijk op manen als Europa van Jupiter en Enceladus van Saturnus. Maar de eventuele microben en zeedieren leven in zeeën onder het ijs, waar moeilijk te komen is. Kleine 3D-geprinte robotvissen kunnen echter voor ons de zeeën onder het ijs verkennen.

De robots met de naam SWIM (Sensing with Independent Micro-swimmers) zijn tot 25 centimeter lang en bewegen met vinnen die door een elektromotor worden aangedreven en door batterijen worden gevoed. De visrobots kunnen alleen of in scholen op missie worden gestuurd, en communiceren met elkaar via ultrageluidssignalen.

Elke robot draagt een set sensoren. Een camera filmt en fotografeert, terwijl een spectrometer de moleculaire samenstelling van de oceaan meet om te bepalen of er leven kan zijn.

De robotvissen worden gelanceerd door een moederrobot die via een kabel verbonden is met een landingsvaartuig op het ijs. De moederrobot wordt in het water neergelaten via scheuren in het ijs.

Met zijn gemotoriseerde armen kan de ReachBot rotsen en grotten beklimmen waar gewone rovers het moeten opgeven.

© Marco Pavone

Klimrobot verkent grotten op Mars

Tijdspanne: 10 jaar

Marsrovers als Opportunity en Perseverance hebben kilometers wielsporen achtergelaten in het rode stof, maar de voertuigen moeten het opgeven als ze op moeilijk bereikbare plaatsen komen, zoals rotspartijen of grotten. De klimrobot ReachBot zal dat veranderen.

De robot heeft gemotoriseerde grijpers en armen die uit- en inschuiven als telescoopbuizen. Daarmee is de ReachBot zo flexibel en wendbaar dat hij gebieden van Mars kan uitkammen die nog niet zijn verkend.

De ReachBot zal breuken in rotsbodems onderzoeken die geologische lagen van het vroegste leven op Mars kunnen bevatten. Wetenschappers denken dat de planeet een atmosfeer en een klimaat had waarbij vloeibare zeeën aan het oppervlak mogelijk waren. Dit betekent dat Mars leven zou kunnen herbergen.

Met de grijpers kan de robot zich aan oppervlakken verankeren, voorwerpen pakken en zich afzetten. Naast Mars kan de ReachBot ook onderhoud verrichten aan het ruimtestation ISS, waar hij zonder zijn grip te verliezen overheen kan klimmen.

Mijnbouw

Magneettrein zet maanbouw in gang

Tijdspanne: 20 jaar

NASA zal halverwege dit decennium weer astronauten naar de maan sturen, wat het startschot wordt voor de permanente kolonisatie van de planeet. Maar voor de maanbases die in de jaren 2030 moeten verrijzen, zijn grondstoffen nodig, en het is efficiënter om de maanaarde, regoliet, te gebruiken in plaats van er bouwmaterialen heen te sturen.

Onderzoekers willen daarom een magnetische trein bouwen die snel regoliet en andere materialen naar de bouwplaats kan brengen. Het concept heet FLOAT (Flexible Levitation on a Track).

De baan moet worden gemaakt van flexibel materiaal, zodat hij op de maanbodem kan worden uitgerold en er dus geen grote bouwmachines nodig zijn. De baan zal worden bedekt met een dunne laag zonnecellen om het systeem van stroom te voorzien.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Treinbaan uitgerold op de maan

Zwevend op een magnetische baan zal de maantrein FLOAT tonnen bouwmaterialen over de maanbodem kunnen vervoeren.

Maanaarde dient als bouwmateriaal

Mijnrobots graven maanaarde (regoliet) op en laden die over in magnetische treinwagons. Regoliet kan worden gebruikt om maanbases te bouwen, met muren die astronauten beschermen tegen schadelijke straling uit de ruimte.

Treinwagons zweven over het spoor

Elke wagon zweeft dankzij het principe van diamagnetische levitatie, waarbij een magneetveld in het spoor het magneetveld afstoot dat van nature aanwezig is in het materiaal van de wagon. Zo zweeft de wagon net boven het spoor.

Drie spoorlagen stuwen de trein voort

Het spoor bestaat uit drie lagen. De bovenste, een zonnecelfilm, voorziet de baan van stroom. De middelste is van grafiet, de tegenpool van het materiaal van de wagons. En de onderste is een elektromagnetische laag die de wagons voortstuwt.

De kleine wagons met bouwmaterialen zweven boven het spoor dankzij een principe dat magnetische levitatie wordt genoemd en dat onder meer wordt gebruikt voor hogesnelheidstreinen in Japan en China. Hier worden hele treinstellen door krachtige elektromagneten boven het spoor gehouden, en omdat er geen wrijving is tussen trein en spoor, kunnen magnetische treinen wel 600 km/h halen.

Het transport wordt dus uitsluitend met behulp van elektromagnetisme bewerkstelligd. Bovendien zijn er geen bewegende delen zoals wielen, lagers en assen die slijten en gerepareerd moeten worden – een groot voordeel in de ruimte.

De maantrein moet meer dan 2 km/h rijden en een wagon met een oppervlakte van 1 vierkante meter kan tot 33 kilo dragen. Volgens de onderzoekers kan een volwaardig FLOAT-systeem dagelijks honderden tonnen lading over de maan vervoeren.

Mars heeft water onder het oppervlak, en de ARD3 kan ernaar boren met behulp van 1 meter lange boorrobots op een rupsband.

© Planet Enterprises/James Vaughan Illustration

Rover boort naar water diep in Mars

Tijdspanne: 10 jaar

Onderzoek uit 2018 duidt erop dat er water is op circa 1,5 kilometer onder de zuidpool van Mars. Daarom willen wetenschappers de boorrover ARD3 ontwikkelen, die naar dit water kan boren.

Het geheime wapen van de ARD3 bestaat uit zogeheten borebots: boorrobots van 1 meter lang die op en neer door het boorgat kunnen bewegen om het langzaam uit te diepen. Ter vergelijking: de Marsrover Perseverance, die in 2021 op de planeet landde, boort slechts 6 centimeter diep.

De boormachine heeft een dozijn borebots bij zich, die een voor een het boorgat in worden gestuurd. Elke robot gaat via een buis de bodem in en begint dan met graven. Hij zakt geleidelijk af door het boorgat met behulp van rubbertjes die tegen de binnenkant van het gat worden gedrukt.

De boorrobot boort per keer zo’n 15 centimeter diep en keert dan terug met de ijzige boorkern, die in het laboratorium van de rover wordt geanalyseerd. Terwijl de boorrobot oplaadt, gaat er een nieuwe naar het boorgat om het werk voort te zetten.

In plaats van maanijs en -metaal te delven kunnen ze worden gewonnen met kunstbliksem. Die maakt de moleculen elektrisch geladen, zodat ze door elektroden kunnen worden opgevangen.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kunstbliksem wint grondstoffen op de maan

Tijdspanne: 20 jaar

De maan bevat grondstoffen als ijs, ijzer, aluminium en titanium. Een van de voorstellen in de NIAC-wedstrijd is om ze te winnen met de techniek ablatie, wat veel makkelijker is dan ze te delven.

De methode houdt in dat bliksem wordt opgewekt met een vonk of elektrische ontlading tussen twee elektroden. Die slaat dan moleculen van water en metaal van de bodem los.

Daarbij veranderen de moleculen in ionen (geladen deeltjes). Een tweede stel elektroden trekt de ionen aan en leidt ze met behulp van elektromagnetische velden naar tanks. Een ablatie-installatie op de maan moet 10.000 liter water per jaar produceren om een bemande basis te kunnen onderhouden.

Ablatie wordt ook onderzocht als techniek om dreigende planetoïden uit een ramkoers met de aarde te halen of om ruimtepuin rond de aarde neer te schieten. Duitse onderzoekers vuurden in 2018 een hoogenergetische laserpuls af op een wijngum in vrije val, waarmee ze de snelheid en de baan van de wijngum wisten te veranderen door het losgekomen materiaal.

Kolonisatie

Opgevouwen ruimtebasis groeit met factor 150

Tijdspanne: 20 jaar

Raketten kunnen in hun smalle punt niet al te veel vracht vanaf de aarde meenemen.

Hoe meer lading in de neus van de raket, hoe meer vermogen de raket moet hebben. Het laadruim boven in de raket mag ook niet te groot zijn in diameter, omdat de aerodynamische druk er te hoog is wanneer de raket door de atmosfeer raast met duizenden kilometers per uur.

Daarom willen wetenschappers een inklapbaar ruimtestation ontwikkelen dat op een bestaande Falcon Heavy-raket kan worden geplaatst en uitzet met een factor 150 zodra het in de ruimte wordt losgelaten.

Volgens het voorstel zal dit ruimtestation worden gebouwd van metamaterialen, nieuwe kunststoffen met eigenschappen die in natuurlijke materialen niet voorkomen. De wetenschappers willen onder andere het bouwmateriaal van het ruimtestation auxetisch maken – dat wil zeggen dat het ook in de breedte uitzet als het in de lengte wordt uitgerekt.

Als je aan een stuk rubber trekt, wordt het langer in de richting waarin je trekt, maar korter in de andere richting. Het ruimtestation daarentegen zal bij uitrekking zowel breder als langer worden.

Terwijl het ruimtestation ISS is opgebouwd uit modules die op vele raketten worden gelanceerd, zal het nieuwe inklapbare ruimtestation op één raket passen. Toch zal het tien keer zo lang zijn als het ISS.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Inklapbaar ruimtestation

* Lengte:
Meer dan 1 km

* Zwaartekracht:
Ongeveer 1 G (zoals op aarde)

* Materialen:
Auxetische metamaterialen

* Gewicht:
Onbekend

* Omwentelingen per minuut:
1-2

© NASA

Het internationale ruimtestation

* Lengte:
109 m

* Zwaartekracht:
0 G (gewichtloos)

* Materialen:
Aluminium, staal, titanium, kevlar

* Gewicht:
440 ton

* Omwentelingen per minuut:
0

Het effect is te vergelijken met het opblazen van een ballon, maar daarbij zet het materiaal uit door de druk van binnenuit. Het auxetische materiaal zet uit door zijn eigen structuur.

Metamaterialen zijn ook geschikt voor kogelvrije vesten, waarbij kunststofvezels met auxetische eigenschappen sterker worden zodra een kogel inslaat en het materiaal zich in beide richtingen uitstrekt.

Het ruimtestation moet zeker 1 kilometer lang zijn en 1-2 keer per minuut draaien om zwaartekracht te creëren voor de astronauten. Het voordeel is dat een aantal fysiologische problemen door een lang verblijf in de ruimte – zoals verlies van spier- en botmassa, nierstenen en gezichtsproblemen – zich dan niet zullen voordoen.

In de ruimte is geen grond om voedsel te verbouwen. Maar op een planetoïde met een kunstmatige atmosfeer kunnen schimmels het gesteente omzetten in plantenaarde.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Planetoïden worden groene weiden

Tijdspanne: 50 jaar

Op ruimtemissies ver van de aarde moeten astronauten hun eigen gewassen kunnen verbouwen om zelf in hun voedsel te voorzien. Hoewel planten in water kunnen worden gekweekt volgens de hydrocultuurmethode, is grond nodig om op grote schaal gewassen te telen voor een Marskolonie.

Onderzoekers willen daarom schimmels inzetten om koolstofhoudende planetoïden te veranderen in grond waarop astronauten groenten kunnen telen. De planetoïde zelf moet worden ingesloten in een doorzichtige zak die zonlicht doorlaat en een atmosfeer vasthoudt waarin de schimmels gedijen.

De schimmels vormen lange draden, hyphae, die in de planetoïde groeien. Door de druk ervan barst het gesteente. De sporen bevatten bovendien een zuur dat het gesteente oplost.

Hier op aarde zouden schimmels een cruciale rol hebben gespeeld bij de vorming van de bodem, omdat ze complexe organische verbindingen goed afbreken – ook de giftige. Zo blijkt uit experimenten dat met olie vervuilde grond bijna volledig kan worden gereinigd door oesterzwammen te planten.

Een telescoop stuurt zonlicht naar rovers en ruimtestations, die het met behulp van zonnepanelen omzetten in energie.

© Ronald Neale

Telescoop stuurt draadloze stroom naar de maan

Tijdspanne: 20 jaar

Om andere planeten te bezetten is energie nodig voor rovers, ruimtestations en machines. De Light Bender kan stroom draadloos overbrengen als alternatief voor het leggen van stroomkabels over de maanbodem.

In een centrale toren, een heliostaat genaamd, wordt een Cassegraintelescoop geplaatst die het zonlicht opvangt en bundelt. Fresnellenzen richten het licht nu in afzonderlijke stralen op de plaats waar het vermogen nodig is.

Het licht wordt omgezet in elektrische stroom via 2 à 4 meter grote zonnepanelen op de rover of machine die de stroom nodig heeft, zoals een mijnrobot die in een maankrater werkt waar normaal geen zon komt. Een spiegel aan de rand van de krater kaatst het licht van de Light Bender de donkere krater in.

Volgens de onderzoekers is deze methode efficiënter dan bijvoorbeeld het overbrengen van stroom via een laser, waarbij zonlicht eerst in laserlicht moet worden omgezet. Met de Light Bender wordt het licht slechts eenmaal in stroom omgezet, en daarmee wordt er minder stroom verspild.