可行、不可行?NASA 宣布资助 18 项潜在太空新技术研究

可行、不可行?NASA 宣布资助 18 项潜在太空新技术研究

许多太空技术有如科幻小说中天马行空的点子,但却有实现的可能性,美国太空总署的 NIAC 计画近期将大举投资 18 项潜在太空技术研究,比如一种开採月球极地大量冰且具经济效益的新方法、或者可以自我修补的太空服等。

NASA 的 NIAC(NASA Innovative Advanced Concepts)计画旨在培养具有远见的太空技术,不管你的想法有多大胆,彷彿只存在于科幻小说,只要概念可靠、可行、有改变未来太空探索的可能性,就有机会获得 NIAC 投资。

NIAC 计画又按照提案、第一阶段、第二阶段和第三阶段循序渐进。每年会有提案截止日,参加者向 NASA 提交研究提案,然后等候第一阶段入围公告。如果提案通过并进入第一阶段,就可以获得 12.5 万美元奖金并展开为期 9 个月的基础研究,以构建整体计画可行性与提高技术就绪指数(Technology Readiness Level,TRL,注)为目标。

第一阶段团队如果再通过徵选,可以获得高达 50 万美元奖金并进入第二阶段,进行为期 2 年的开发研究,制定出更完善的技术路径图,但还不会全面推进 NASA 或进入商转。

而第三阶段目前还没展开过徵选,因为 NIAC 计画底下的研究都还处于早期开发阶段,多数需要 10 年或更长时间才能趋于成熟,不过 NIAC 已準备在今年夏天公布第一个进入第三阶段的终极研究,有机会带来探索宇宙的重大技术突破。

本月,NASA 公布了今年入围第一阶段(12 个)与第二阶段(6 个)的 18 项创新研究,以下一一介绍。

第一阶段入围研究可行、不可行?NASA 宣布资助 18 项潜在太空新技术研究

BREEZE(Bioinspired Ray for Extreme Environments and Zonal Exploration)太空船,由纽约州立大学水牛城分校 Javid Bayandor 领导,是一种结合充气结构与仿生科技的高效飞行器,目标是探索金星大气,可以在离地约 60 公里处漂浮飞行。太空船採用太阳能电池供电,携带的仪器可能包括质谱仪、云量计(nephelometer)、可见光与近红外光高分辨率相机、磁量计(magnetometer)、风速计(anemometer)、以及测量大气压力 / 温度 / 密度的感测器。

除了金星,BREEZE 太空船也能应用其他大气密度够高的天体上,比如土卫六和地球;再看看它的外型,没错,研究人员就是受到了鱼鳍的启发设计出这架飞船,翘曲的机翼可提供推力、控制力、稳定力和额外升力。

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金星地表长寿命功率传输系统(Power Beaming for Long Life Venus Surface Missions),由 NASA 喷射推进实验室(JPL)Erik Brandon 领导,目标是解决金星极端地表环境的地面型发电挑战。

功率传输还有另一个较亲民的通称,就是无线供电、无线电力传输(wireless energy transfer),若是辐射技术类别,则指能量藉由定向能波束在介质(空气、水等)中传送,接收器接收后再转换回电能。

在金星地表长寿命功率传输系统中,发射器就像载浮载沉的高空气球飘在金星大气,以微波、射频(Radio frequency,RF)传输功率给地面上的接收器,能量经由整流天线转换为直流电后进入储能装置,有高温熔盐电池、固体电解质电池、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)等选择。

而这个高空气球除了有发射器外,还有太阳能电池板跟电池,如果没电了,就会上升到大气上方照太阳充电,等电池充满后再次降到金星大气下层,将能量传输到着陆器,如此不断重複。

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智慧型太空服 SmartSuit,具有自我修补和收集数据功能,能让太空人在极端环境中进行舱外活动,穿起来也会比目前的太空服还要舒适。

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两用系外行星望远镜(Dual Use Exoplanet Telescope,DUET)可以同时以「间接方法(比如径向速度法、天体测量法)」和「直接方法」探测系外行星,后者是採用牛顿着名稜镜实验中的色散技术,让 DUET 分离出来自系外行星或母恆星的不同光波长,直接判定是否发现一颗系外行星;此外,DUET 的成像收集面积是地面望远镜 4 倍之大,但整体重量轻到可以在一次火箭有效载荷中运完。

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微型探针 MP4AE (Micro-Probes Propelled and Powered by Planetary Atmospheric Electricity)由美国西维吉尼亚大学 Yu Gu 领导,研究人员受到蜘蛛空飘(ballooning)能力的启发,设想出可以布署数千个仰赖大气电学飞行的微型探针,来研究系外行星大气层。

每个微型探针总质量约 50 毫克,上面携带小型有效载荷,包括能量存储与转换装置、致动器、微处理器、感测器等,探针两侧各伸出长约 2.5 公尺的「手臂」感应大气电位梯度(APG),整体由一个 200 公尺长的线环串着,看起来就像一条项鍊。线环主要作用是提供大气阻力(atmospheric drag)和静电升力(electrostatic lifts),届时微型探针的水平运动方向虽然不受控制,但垂直运动方向可以受到调节。

对蜘蛛空飘能力有兴趣的读者,也可以看看去年一篇相关报导:蜘蛛仰赖全球电场起飞。

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SPEAR(Swarm-Probe Enabled ATEG Reactor)探测器是一种用于深空任务的超轻型核电推进(Nuclear electric propulsion,NEP)探测器,採用新的反应炉减速剂和先进热电发电系统(advanced thermoelectric generators,ATEGs),大幅降低整体质量,虽然变成无法一次提供太多电力,但能以减少成本、增加任务次数取胜。

该探测器一个重要的分析目标是木卫二欧罗巴(Europa)。

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开伞索创新动力系统(Ripcord Innovative Power System,RIPS)由约翰霍普金斯大学 Noam Izenberg 领导,该系统利用下降过程中的大气阻力来产生电力,可以在短时间内提供高功率(以千瓦计)给有此需求的探测器。

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如标,该微型探测器计画名为 Power for Interstellar Fly-by,使用雷射推进帆系统来进行星际旅行飞行,当探测器飞过新的恆星系统时,就可以收穫一次能量,类似的飞行器比如由突破摄星(Breakthrough Starshot)计画正在专注研发的「星片」(StarChip)光帆飞行器。

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这架月球极地採矿飞船(Lunar-polar Propellant Mining Outpost,LPMO)是一个极具经济效益的突破性研究,有望大幅降低人类探索月球的成本。LPMO 两大解决月球极区採矿障碍的创新点在于:第一,对月球地形有新的见解。

该团队分析发现,在一个靠近极地的小型陨石坑(0.5~1.5 公里)中,有块区域非常适合飞船着陆,因为该地表面永冻,但是上方 100 公尺处的位置却可以永久接收到阳光照射,因此团队可以设计一根桅杆,将太阳能电池阵列放在 100 公尺高处为採矿的月球车提供电力,几乎不用害怕断电问题。

第二个创新为团队 TransAstra 公司发明且申请专利的 Radiant Gas Dynamic(RGD)採矿作业,该技术不是直接挖出冰,而是使用射频、微波、红外辐射组合来加热永冻土和冰沉积物使之昇华,然后收集在低温冷阱中,将气体转为液体形式。

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截至 2018 年 1 月,估计有 8,100 吨太空垃圾累积在低地轨道上高速绕行地球,包括用过的火箭弹、爆炸碎片等,不只可能损害新发射的昂贵设备,也可能危及国际太空站人员的安全;1979 年时,NASA 就曾指出太空垃圾将呈指数增长,后代人恐无法进入太空。

远地轨道导航仪 CHARON(Crosscutting High Apogee Refueling Orbital Navigator)概念便是清理太空垃圾。该飞行器採用无极劳侖兹力推进器(超轻型离子发动机),燃料来自低地轨道~高椭圆轨道间的氧气、氮气,不断自我补充燃料加上飞行器本身耗能极低,使它的寿命年限长达 10 年,可以自由改变轨道高度追捕垃圾目标物。

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冷太阳能系统(Thermal Mining of Ices on Cold Solar System Bodies)由美国科罗拉多矿业学院团队 George Sowers 领导,也跟月球採矿任务有关,有趣的是该系统并非打洞挖矿,而是利用「人工太阳」加热冰表面使其蒸发,挥发物再于「帐篷」中重新收集与处理。团队估计,这种技术足以从月球提取出用于推进剂燃料的水,但耗能比挖矿设备少 60%。

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直至今日,我们只有新视野号(New Horizons)、航海家 1 号与 2 号(Voyager 1、Voyager 2)、先锋 10 号与 11 号(Pioneer 10、Pioneer 11)探测器飞过土星轨道,探索外太阳系的风景,每一个探测器重量都大于 250 公斤,背后团队人数高达 10 人。

NASA 喷射推进实验室 Robert Staehle 团队想推出一种探索太阳系边疆的低成本小卫星(Low-Cost SmallSats to Explore to Our Solar System’s Boundaries),无论是成本还是质量都只有上述探测器的十分之一,但能探索的太阳圈範围远达 125 天文单位。

第二阶段入围研究可行、不可行?NASA 宣布资助 18 项潜在太空新技术研究

由 3DeWitt LLC 公司设计的高聚光多目标分光望远镜(暂译,原名 The High Étendue Multiple Object Spectrographic Telescope,缩写 THE MOST)是种新型、灵活的扁平紧凑望远镜,可以捲成圆筒,上太空后再展开,并且克服目前多数天文望远镜的难题:观测视野小、只有小部分物体可获得高分辨率光谱、望远镜尺寸增大后结构会变得很複杂等。

该团队已经在 NIAC 第一阶段证明,THE MOST 比过去任何天文望远镜还大 100 倍,且可以获得视场中每个物体的高分辨率光谱,方法与掠射角(grazing angle)有关,当光波以非常靠近绕射光栅(diffraction grating)表面的角度入射后,光聚焦在无限长无限窄的狭缝上,接着像牛顿的稜镜实验一样散去。

第二阶段中,团队将在实验室打造出 THE MOST 模型并进行测试。

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由 Leidos 公司设计的 R-MXAS(Rotary-Motion-Extended Array Synthesis),为一种具备旋转繫连天线(rotating tethered antenna)的合成孔径成像辐射计(synthetic aperture imaging radiometer,SAIR),可以应用在气候与天气建模,或者描绘来自太阳绕极轨道的日冕物质抛射(CME),推动行星际旅行。

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我们想派探测器出门探索太阳系边疆、甚至太阳系外的世界,比如古柏带、欧特云甚至附近的恆星等,一定要出现革命性的推进系统。美国一家工程顾问公司 Texas A&M Engineering Experiment Station 提出具创新推进架构的自动导向推进器「Self-Guided Beamed Propulsion for Breakthrough Interstellar Missions」,可用 10% 光速的速度前往半人马座。

这种推进器的关键创新概念,来自中性粒子束与雷射光束的独特耦合,产生自我导向的能量束,几乎消除光束在太空传播时会遇见的热膨胀(thermal expansion)和绕射(diffraction)问题。在第二阶段中,团队将用电脑建模出推进器的动力学、尝试分析可行性的动力系统设计。

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太阳附近的微中子强度比在地球上探测到的还高许多,因此探测器不需要很大,也能获得在地球上无法知晓的独特科学,在第一阶段中,威奇托州立大学实验室的太阳微中子太空飞船(Solar Neutrino Spacecraft)已分析出小型微中子探测器重量仅 250 公斤,但能力等同于地球上 3,000 吨的大型探测器。第二阶段中,团队将建造探测太阳附近微中子的小型探测器原型。

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太阳帆(也称光帆)是使用巨大的薄膜镜片反射太阳辐射压,以产生太空船推进力,传统的薄膜材质为聚醯亚胺,但比较不稳定而可能降低飞行速度。现在,罗彻斯特理工学院 Grover Swartzlander 团队以超材料原理设计新的光学薄膜,和背对太阳(或其他光源)的传统薄膜不同,新薄膜面向光源,改藉光绕射方法作为推进力。而利用光绕射的角度偏差,可以改用电子元件取代机械元件来导向,比如电光学波束控制转向,使太空船获得更高加速度。

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这个应该是这一次入围名单中最戏剧化的研究了。Solar Surfing 採用高反射率涂层,将能比 2018 年发射升空的派克号太阳探测器(Parker Solar Probe)还要更靠近太阳。派克号与太阳最接近的距离尚有 8.5 倍太阳半径远,而 Solar Surfing 将靠近到只剩 1 倍太阳半径的地方(与太阳表面仅距离 695,000 公里)。在第二阶段,NASA 甘迺迪太空中心团队将开始开发新型涂层。

注:技术就绪指数(TRL)是一种衡量技术发展(材料、零件、设备等)成熟度的指标,为部份美国联邦政府机构、国际公司所用。