NASA laat robots reusachtige radarantennes bouwen in de ruimte

NASA financiert een opvallend ruimtevaartconcept: radarschotels die niet in één stuk worden gelanceerd, maar door robots in de ruimte worden gebouwd uit duizenden kleine bouwstenen. Het idee moet helpen om steeds meer ruimtepuin en verre ruimtevaartuigen op te sporen, een taak die met grondgebaseerde radar steeds lastiger wordt.

Steeds drukker in een baan om de aarde

Bestaande radarsystemen op aarde, zoals het Amerikaanse Space Fence, kunnen objecten in de lage baan om de aarde tot ongeveer tien centimeter volgen. Maar kleinere brokstukken of vaartuigen op grotere afstand blijven lastig te detecteren. Hoe verder een doelwit weg staat, hoe groter de schotel moet zijn om het scherp in beeld te krijgen. Voor waarnemingen ver voorbij de lage baan om de aarde worden de benodigde schotels op aarde volgens NASA al snel onpraktisch groot.

Een radar dichter bij de objecten zelf zou dat probleem kunnen verkleinen. Het probleem is dat een antenne die naar de ruimte wordt gelanceerd, in een raket moet passen. Dat legt een harde grens op de omvang van klassieke, in één stuk gebouwde schotels.

Bouwpakket in plaats van kant-en-klare schotel

Het nieuwe concept, geleid door hoogleraar elektrotechniek David Smith van Duke University, draait dat om. In plaats van een complete antenne te lanceren, stuurt de missie losse onderdelen de ruimte in. Robots zetten die daar zelf in elkaar. Het project, genaamd Robotically Assembled Electromagnetic Metamaterials for Long-Range Space Situational Awareness, is geselecteerd voor een Phase I-studie binnen het NASA Innovative Advanced Concepts-programma (NIAC). Dat betekent dat onderzoekers nu vooral bekijken of het idee haalbaar is, niet dat er al een werkende radar bestaat.

Voor de robotica kan het team leunen op ARMADAS, een NASA-programma waarin relatief eenvoudige robots gestandaardiseerde bouwblokken - voxels genoemd - tot grotere structuren assembleren. Bij een eerdere demonstratie zetten drie robots op rupsbandachtige wijze honderden van die blokken aaneen tot een structuur ter grootte van een schuur. Voor de radar zouden vergelijkbare robots veel meer van dit soort blokken tot een enorme antenne moeten samenvoegen.

Metamaterialen als geheim ingrediënt

Bijzonder is dat de bouwblokken geen gewoon metaal zijn, maar kunstmatig ontworpen materialen met een geometrie die precies is afgestemd op de manier waarop ze elektromagnetische golven beïnvloeden: metamaterialen. Smith stond in 2006 aan de basis van een beroemd experiment: een metamateriaal dat microgolven om een object heen boog, ook wel een 'onzichtbaarheidsmantel' genoemd. Voor de nieuwe radar moeten duizenden van dergelijke elementen samen één groot elektromagnetisch oppervlak, de apertuur, vormen.

Een grotere apertuur levert doorgaans een scherper en gevoeliger signaal op. NASA denkt dat dezelfde aanpak niet alleen nuttig is voor het volgen van ruimtepuin en satellieten, maar ook voor aardobservatie en communicatie met verre ruimtemissies.

Toch zijn er grote vragen onbeantwoord. Een structuur van miljoenen onderdelen moet jarenlang mechanisch en elektrisch betrouwbaar blijven, ondanks inslagen van micrometeorieten en de constante temperatuurwisselingen in de ruimte. Extra ironisch: de radar zou moeten opereren in dezelfde met puin gevulde omgeving die hij in de gaten houdt. Hoe beschadigde onderdelen vervangen worden en of lokale schade de hele antenne kan aantasten, is nog onduidelijk. Dat maakt ruimtefabricage op deze schaal voorlopig vooral een onderzoeksvraag, geen bouwplan.