可行、不可行?NASA 宣布資助 18 項潛在太空新技術研究

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 27 日 10:12 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly

許多太空技術有如科幻小說中天馬行空的點子,但卻有實現的可能性,美國太空總署的 NIAC 計畫近期將大舉投資 18 項潛在太空技術研究,比如一種開採月球極地大量冰且具經濟效益的新方法、或者可以自我修補的太空服等。



NASA 的 NIAC(NASA Innovative Advanced Concepts)計畫旨在培養具有遠見的太空技術,不管你的想法有多大膽,彷彿只存在於科幻小說,只要概念可靠、可行、有改變未來太空探索的可能性,就有機會獲得 NIAC 投資。

NIAC 計畫又按照提案、第一階段、第二階段和第三階段循序漸進。每年會有提案截止日,參加者向 NASA 提交研究提案,然後等候第一階段入圍公告。如果提案通過並進入第一階段,就可以獲得 12.5 萬美元獎金並展開為期 9 個月的基礎研究,以構建整體計畫可行性與提高技術就緒指數(Technology Readiness Level,TRL,註)為目標。

第一階段團隊如果再通過徵選,可以獲得高達 50 萬美元獎金並進入第二階段,進行為期 2 年的開發研究,制定出更完善的技術路徑圖,但還不會全面推進 NASA 或進入商轉。

而第三階段目前還沒展開過徵選,因為 NIAC 計畫底下的研究都還處於早期開發階段,多數需要 10 年或更長時間才能趨於成熟,不過 NIAC 已準備在今年夏天公布第一個進入第三階段的終極研究,有機會帶來探索宇宙的重大技術突破。

本月,NASA 公布了今年入圍第一階段(12 個)與第二階段(6 個)的 18 項創新研究,以下一一介紹。

第一階段入圍研究

  • BREEZE 太空飛船

(Source:NASA

BREEZE(Bioinspired Ray for Extreme Environments and Zonal Exploration)太空船,由紐約州立大學水牛城分校 Javid Bayandor 領導,是一種結合充氣結構與仿生科技的高效飛行器,目標是探索金星大氣,可以在離地約 60 公里處漂浮飛行。太空船採用太陽能電池供電,攜帶的儀器可能包括質譜儀、雲量計(nephelometer)、可見光與近紅外光高分辨率相機、磁量計(magnetometer)、風速計(anemometer)、以及測量大氣壓力 / 溫度 / 密度的感測器。

除了金星,BREEZE 太空船也能應用其他大氣密度夠高的天體上,比如土衛六和地球;再看看它的外型,沒錯,研究人員就是受到了魚鰭的啟發設計出這架飛船,翹曲的機翼可提供推力、控制力、穩定力和額外升力。

  • 金星地表長壽命功率傳輸系統

(Source:NASA

金星地表長壽命功率傳輸系統(Power Beaming for Long Life Venus Surface Missions),由 NASA 噴射推進實驗室(JPL)Erik Brandon 領導,目標是解決金星極端地表環境的地面型發電挑戰。

功率傳輸還有另一個較親民的通稱,就是無線供電、無線電力傳輸(wireless energy transfer),若是輻射技術類別,則指能量藉由定向能波束在介質(空氣、水等)中傳送,接收器接收後再轉換回電能。

在金星地表長壽命功率傳輸系統中,發射器就像載浮載沉的高空氣球飄在金星大氣,以微波、射頻(Radio frequency,RF)傳輸功率給地面上的接收器,能量經由整流天線轉換為直流電後進入儲能裝置,有高溫熔鹽電池、固體電解質電池、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)等選擇。

而這個高空氣球除了有發射器外,還有太陽能電池板跟電池,如果沒電了,就會上升到大氣上方照太陽充電,等電池充滿後再次降到金星大氣下層,將能量傳輸到著陸器,如此不斷重複。

  • 智慧太空服 SmartSuit

(Source:NASA

智慧型太空服 SmartSuit,具有自我修補和收集數據功能,能讓太空人在極端環境中進行艙外活動,穿起來也會比目前的太空服還要舒適。

  • 兩用系外行星望遠鏡

(Source:NASA

兩用系外行星望遠鏡(Dual Use Exoplanet Telescope,DUET)可以同時以「間接方法(比如徑向速度法、天體測量法)」和「直接方法」探測系外行星,後者是採用牛頓著名稜鏡實驗中的色散技術,讓 DUET 分離出來自系外行星或母恆星的不同光波長,直接判定是否發現一顆系外行星;此外,DUET 的成像收集面積是地面望遠鏡 4 倍之大,但整體重量輕到可以在一次火箭有效載荷中運完。

  • 微型探針 MP4AE

(Source:NASA

微型探針 MP4AE (Micro-Probes Propelled and Powered by Planetary Atmospheric Electricity)由美國西維吉尼亞大學 Yu Gu 領導,研究人員受到蜘蛛空飄(ballooning)能力的啟發,設想出可以布署數千個仰賴大氣電學飛行的微型探針,來研究系外行星大氣層。

每個微型探針總質量約 50 毫克,上面攜帶小型有效載荷,包括能量存儲與轉換裝置、致動器、微處理器、感測器等,探針兩側各伸出長約 2.5 公尺的「手臂」感應大氣電位梯度(APG),整體由一個 200 公尺長的線環串著,看起來就像一條項鍊。線環主要作用是提供大氣阻力(atmospheric drag)和靜電升力(electrostatic lifts),屆時微型探針的水平運動方向雖然不受控制,但垂直運動方向可以受到調節。

對蜘蛛空飄能力有興趣的讀者,也可以看看去年一篇相關報導:蜘蛛仰賴全球電場起飛

  • SPEAR 探測器

(Source:NASA

SPEAR(Swarm-Probe Enabled ATEG Reactor)探測器是一種用於深空任務的超輕型核電推進(Nuclear electric propulsion,NEP)探測器,採用新的反應爐減速劑和先進熱電發電系統(advanced thermoelectric generators,ATEGs),大幅降低整體質量,雖然變成無法一次提供太多電力,但能以減少成本、增加任務次數取勝。

該探測器一個重要的分析目標是木衛二歐羅巴(Europa)。

  • 開傘索創新動力系統

(Source:NASA

開傘索創新動力系統(Ripcord Innovative Power System,RIPS)由約翰霍普金斯大學 Noam Izenberg 領導,該系統利用下降過程中的大氣阻力來產生電力,可以在短時間內提供高功率(以千瓦計)給有此需求的探測器。

  • 採用雷射推進系統的微型探測器

(Source:NASA

如標,該微型探測器計畫名為 Power for Interstellar Fly-by,使用雷射推進帆系統來進行星際旅行飛行,當探測器飛過新的恆星系統時,就可以收穫一次能量,類似的飛行器比如由突破攝星(Breakthrough Starshot)計畫正在專注研發的「星片」(StarChip)光帆飛行器。

  • 月球極地採礦飛船

(Source:NASA

這架月球極地採礦飛船(Lunar-polar Propellant Mining Outpost,LPMO)是一個極具經濟效益的突破性研究,有望大幅降低人類探索月球的成本。LPMO 兩大解決月球極區採礦障礙的創新點在於:第一,對月球地形有新的見解。

該團隊分析發現,在一個靠近極地的小型隕石坑(0.5~1.5 公里)中,有塊區域非常適合飛船著陸,因為該地表面永凍,但是上方 100 公尺處的位置卻可以永久接收到陽光照射,因此團隊可以設計一根桅杆,將太陽能電池陣列放在 100 公尺高處為採礦的月球車提供電力,幾乎不用害怕斷電問題。

第二個創新為團隊 TransAstra 公司發明且申請專利的 Radiant Gas Dynamic(RGD)採礦作業,該技術不是直接挖出冰,而是使用射頻、微波、紅外輻射組合來加熱永凍土和冰沉積物使之昇華,然後收集在低溫冷阱中,將氣體轉為液體形式。

  • 清除太空垃圾的新儀器

(Source:NASA

截至 2018 年 1 月,估計有 8,100 噸太空垃圾累積在低地軌道上高速繞行地球,包括用過的火箭彈、爆炸碎片等,不只可能損害新發射的昂貴設備,也可能危及國際太空站人員的安全;1979 年時,NASA 就曾指出太空垃圾將呈指數增長,後代人恐無法進入太空。

遠地軌道導航儀 CHARON(Crosscutting High Apogee Refueling Orbital Navigator)概念便是清理太空垃圾。該飛行器採用無極勞侖茲力推進器(超輕型離子發動機),燃料來自低地軌道~高橢圓軌道間的氧氣、氮氣,不斷自我補充燃料加上飛行器本身耗能極低,使它的壽命年限長達 10 年,可以自由改變軌道高度追捕垃圾目標物。

  • 蒸發集冰的「冷」太陽能系統

(Source:NASA

冷太陽能系統(Thermal Mining of Ices on Cold Solar System Bodies)由美國科羅拉多礦業學院團隊 George Sowers 領導,也跟月球採礦任務有關,有趣的是該系統並非打洞挖礦,而是利用「人工太陽」加熱冰表面使其蒸發,揮發物再於「帳篷」中重新收集與處理。團隊估計,這種技術足以從月球提取出用於推進劑燃料的水,但耗能比挖礦設備少 60%。

  • 低成本探索太陽系邊疆的小型衛星

(Source:NASA

直至今日,我們只有新視野號(New Horizons)、航海家 1 號與 2 號(Voyager 1、Voyager 2)、先鋒 10 號與 11 號(Pioneer 10、Pioneer 11)探測器飛過土星軌道,探索外太陽系的風景,每一個探測器重量都大於 250 公斤,背後團隊人數高達 10 人。

NASA 噴射推進實驗室 Robert Staehle 團隊想推出一種探索太陽系邊疆的低成本小衛星(Low-Cost SmallSats to Explore to Our Solar System’s Boundaries),無論是成本還是質量都只有上述探測器的十分之一,但能探索的太陽圈範圍遠達 125 天文單位。

第二階段入圍研究

  • 新型天文望遠鏡

(Source:NASA

由 3DeWitt LLC 公司設計的高聚光多目標分光望遠鏡(暫譯,原名 The High Étendue Multiple Object Spectrographic Telescope,縮寫 THE MOST)是種新型、靈活的扁平緊湊望遠鏡,可以捲成圓筒,上太空後再展開,並且克服目前多數天文望遠鏡的難題:觀測視野小、只有小部分物體可獲得高分辨率光譜、望遠鏡尺寸增大後結構會變得很複雜等。

該團隊已經在 NIAC 第一階段證明,THE MOST 比過去任何天文望遠鏡還大 100 倍,且可以獲得視場中每個物體的高分辨率光譜,方法與掠射角(grazing angle)有關,當光波以非常靠近繞射光柵(diffraction grating)表面的角度入射後,光聚焦在無限長無限窄的狹縫上,接著像牛頓的稜鏡實驗一樣散去。

第二階段中,團隊將在實驗室打造出 THE MOST 模型並進行測試。

  • 採用基線干涉技術的合成孔徑成像輻射計

(Source:NASA

由 Leidos 公司設計的 R-MXAS(Rotary-Motion-Extended Array Synthesis),為一種具備旋轉繫連天線(rotating tethered antenna)的合成孔徑成像輻射計(synthetic aperture imaging radiometer,SAIR),可以應用在氣候與天氣建模,或者描繪來自太陽繞極軌道的日冕物質拋射(CME),推動行星際旅行。

  • 自動導向的推進器

(Source:NASA

我們想派探測器出門探索太陽系邊疆、甚至太陽系外的世界,比如古柏帶、歐特雲甚至附近的恆星等,一定要出現革命性的推進系統。美國一家工程顧問公司 Texas A&M Engineering Experiment Station 提出具創新推進架構的自動導向推進器「Self-Guided Beamed Propulsion for Breakthrough Interstellar Missions」,可用 10% 光速的速度前往半人馬座。

這種推進器的關鍵創新概念,來自中性粒子束與雷射光束的獨特耦合,產生自我導向的能量束,幾乎消除光束在太空傳播時會遇見的熱膨脹(thermal expansion)和繞射(diffraction)問題。在第二階段中,團隊將用電腦建模出推進器的動力學、嘗試分析可行性的動力系統設計。

  • 探測太陽附近微中子的小型探測器

(Source:NASA

太陽附近的微中子強度比在地球上探測到的還高許多,因此探測器不需要很大,也能獲得在地球上無法知曉的獨特科學,在第一階段中,威奇托州立大學實驗室的太陽微中子太空飛船(Solar Neutrino Spacecraft)已分析出小型微中子探測器重量僅 250 公斤,但能力等同於地球上 3,000 噸的大型探測器。第二階段中,團隊將建造探測太陽附近微中子的小型探測器原型。

  • 超材料新型太陽帆

(Source:NASA

太陽帆(也稱光帆)是使用巨大的薄膜鏡片反射太陽輻射壓,以產生太空船推進力,傳統的薄膜材質為聚醯亞胺,但比較不穩定而可能降低飛行速度。現在,羅徹斯特理工學院 Grover Swartzlander 團隊以超材料原理設計新的光學薄膜,和背對太陽(或其他光源)的傳統薄膜不同,新薄膜面向光源,改藉光繞射方法作為推進力。而利用光繞射的角度偏差,可以改用電子元件取代機械元件來導向,比如電光學波束控制轉向,使太空船獲得更高加速度。

(Source:NASA

這個應該是這一次入圍名單中最戲劇化的研究了。Solar Surfing 採用高反射率塗層,將能比 2018 年發射升空的派克號太陽探測器(Parker Solar Probe)還要更靠近太陽。派克號與太陽最接近的距離尚有 8.5 倍太陽半徑遠,而 Solar Surfing 將靠近到只剩 1 倍太陽半徑的地方(與太陽表面僅距離 695,000 公里)。在第二階段,NASA 甘迺迪太空中心團隊將開始開發新型塗層。

註:技術就緒指數(TRL)是一種衡量技術發展(材料、零件、設備等)成熟度的指標,為部份美國聯邦政府機構、國際公司所用。

(首圖來源:NASA

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