Die NASA wählt die Raumsonde CubeSat der University of Delaware für ihre bevorstehende Mission aus

Man kann mit Sicherheit sagen, dass nicht viele Studenten erwarten, während ihres Grundstudiums eine von der NASA unterstützte Mission zu leiten. Aber mindestens ein Dutzend von der University of Delaware werden dies getan haben, wenn sie in den nächsten Jahren ihre Diplome erhalten.

Alle sind Teil eines Teams, das Delawares erstes orbitales Raumschiff entwickelt, das von der NASA im Rahmen ihrer CubeSat Launch Initiative für den Start im Jahr 2026 ausgewählt wurde. Ziel des 2011 gestarteten NASA-Programms ist es, Studenten die Möglichkeit zu geben, an echten Missionen teilzunehmen und außergewöhnliche Erfahrungen in der Weltraumforschung zu sammeln.

CubeSats sind kleine, modulare und kostengünstige Satelliten, die Experimente für wissenschaftliche Untersuchungen und/oder Technologiedemonstrationen transportieren. Im Laufe der Jahre wurden im Rahmen des NASA-Programms etwa 160 CubeSats gestartet, viele davon von der Internationalen Raumstation (ISS) aus.

Delawares Mission – das Delaware Atmospheric Plasma Probe Experiment (DAPPer) – wird sein CubeSat-Raumschiff von der ISS aus starten und unabhängig durch die obere Erdatmosphäre kreisen.

Laut dem Mentor des Teams, Bennett Maruca, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie, wird der CubeSat etwa die Größe eines Laibs Brot haben. Es wird Daten über die Dichte und Temperatur der Elektronen in der oberen Erdatmosphäre sammeln und dabei Veränderungen aufzeichnen, die in verschiedenen Breitengraden und zu verschiedenen Tageszeiten beobachtet werden. Diese Daten werden in zukünftige Forschungen darüber einfließen, wie die Sonne die dortigen Bedingungen beeinflusst.

Das Verständnis der Wechselwirkung der Sonne mit der Erdatmosphäre ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Satellitenkommunikationsnetzen, globalen Positionierungssystemen (GPS) und der nationalen Sicherheit.

Aber das eigentliche Ziel sei Bildung, sagte Maruca. Die Studierenden sind die „Liefergegenstände“. Sie werden aus dieser Arbeit mit einem Insider-Einblick in die Entwicklung und Arbeit an einer NASA-Mission hervorgehen.

„Ich bin ein Leistungsträger und fühle mich geehrt, einer zu sein“, sagte Amanda Swenson, Studentin im zweiten Studienjahr im Hauptfach Astrophysik aus Islip, New York, die zum Wissenschaftsteam von DAPPer gehört. „Ich habe so viel darüber gelernt, was ich in Zukunft tun könnte.“

Neben der Entwicklung von Experimenten und dem Bau von CubeSats erfahren die Teammitglieder, was nötig ist, um der NASA Vorschläge zu unterbreiten, den Papierkram zu bewältigen und strenge Vorschriften einzuhalten – eine Arbeit, die sie auf zukünftige Missionen als Forscher und/oder NASA-Mitarbeiter vorbereitet.

Es sei bereits eine „unglaubliche Reise“ gewesen, sagte Timothy „TJ“ Tomaszewski. Die Reise begann letzten August, als Maruca erstmals vorschlug, ein CubeSat-Projekt durchzuführen.

„Vom Proof of Concept bis zur Akzeptanz durch die NASA zu gelangen, war eine der besten Erfahrungen meines Lebens“, sagte Tomaszewski.

Und jetzt ist er Projektmanager – im zweiten Jahr.

„Ich habe mich schon immer für den Weltraum interessiert, schon seit ich als Kind nachts zum Mond hinaufgeschaut habe“, sagte er. „Damit habe ich etwas über die Wissenschaft und mich selbst gelernt. Ich wusste nicht, dass ich wissenschaftliches Management machen oder eine Mission leiten wollte.“

Swenson sagte, sie sei schockiert gewesen, als Tomaszewski ihr letzten Sommer eine SMS schrieb und sagte: „Möchten Sie einen Satelliten bauen?“

„Wie kann ich dazu nein sagen?“ Sie sagte. „Es war im Allgemeinen und in Bezug auf das Lernen die beste Erfahrung. Ich habe nicht nur viel über die Wissenschaft gelernt, sondern auch darüber, wie man als Team funktioniert und über Zeitmanagement. Und die Belohnung, eine so monumentale Genehmigung wie die der NASA zu erhalten – nun, es ist eine erstaunliche Erfahrung, die ich nie für möglich gehalten hätte.“

Entwicklung der weltraumwissenschaftlichen Forschung

Maruca, ein Experte für Weltraumplasmaphysik, ist der Hauptforscher der Mission, die vom neuen Delaware Space Observation Center (DSpOC) und NASA-Zuschüssen in Zusammenarbeit mit dem Delaware Space Grant Consortium (DESGC) unterstützt wird. Die Studierenden erhalten außerdem Unterstützung von Fakultätsberatern in ihren Hauptfächern, darunter Physik, Astronomie, Maschinenbau, Elektrotechnik und Biomedizintechnik.

Maruca leitete Studententeams, die Experimente entwickelten, die an Bord von Höhenforschungsraketen vom Wallops Island Space Flight Center der NASA in Virginia gestartet wurden.

„Das habe ich schon seit einiger Zeit auf dem Schirm“, sagte er. „Wir wollten mit den Höhenforschungsraketen beginnen, in die Umlaufbahn gehen und Plasma in größeren Höhen messen. Dies wird Delawares erstes orbitales Raumschiff sein, und wir möchten nicht, dass es das letzte bleibt.“

Studenten der DAPPer-Mission werden auf der Arbeit ihrer Vorgänger aufbauen, einschließlich derjenigen, die beim Aufbau der UD CubeSat-Bodenstation geholfen haben, einer 10-Fuß-Satellitenschüssel, die auf dem Gelände des Mount Cuba Astronomical Observatory (MCAO) in Greenville installiert wurde. Delaware. Diese Bodenstation wird die Kommunikation mit dem DAPPer CubeSat ermöglichen und auch Teil der kommenden CURIE CubeSat-Mission der NASA sein, die von der University of California in Berkeley geleitet wird und voraussichtlich diesen Sommer starten wird. (CURIE steht für CubeSat Radio Interferometry Experiment.)

Das DSpOC von Maruca hat kürzlich eine thermische Vakuumkammer erworben und das Zentrum verfügt auch über einen Reinraum, die beide für den Zusammenbau und Test des CubeSat unerlässlich sind.

Die Entwicklung einer NASA-Mission ist nichts für schwache Nerven. Es erfordert Liebe zum Detail, viele Formulare und Berichte, Fristen und die Fähigkeit, mit Druck umzugehen.

Humor ist nicht erforderlich, aber Maruca fügt ihn oft hinzu.

Dies erklärt das blaue Fedora-Logo des DAPPer-Teams.

„Flugeinsätze sind unglaublich stressig“, sagte Maruca. „Es gibt lange Nächte und Panik bereitet sich auf Bewertungen vor. Wichtig ist auch der Spaß, das Zusammengehörigkeitsgefühl und der Teamgeist.“

Vorbereitung auf extreme Bedingungen

Es ist keine Kleinigkeit, einen CubeSat zu schaffen, der unabhängig funktioniert und den extremen Bedingungen in der Ionosphäre der Erde standhält.

Die DAPPer-Mission von Delaware wird von der ISS in die sogenannte F2-Schicht der Ionosphäre der Erde starten, etwa 425 Kilometer (264 Meilen) über der Oberfläche.

„In der Ionosphäre leben die Polarlichter“, sagte Maruca. „Das sind die Höhen, in denen sich Polarlichter bilden. Dort befinden sich viele Raumfahrzeuge und die Materialien dieser Raumfahrzeuge werden durch Plasma beeinflusst.“

Da die Mission darauf abzielt, Daten in „unberührtem“ Plasma zu sammeln, können die Langmuir-Sonden, die Plasmadaten erfassen, nicht einfach außerhalb der Raumstation montiert werden.

„Sie hätten es mit dem Kielwasser der ISS zu tun“, sagte Maruca. „Und das stört das Plasma.“

Sobald der CubeSat von der ISS gestartet ist, driftet er von selbst in die Umlaufbahn. Das winzige Raumschiff muss über eine eigene Stromerzeugung und ein eigenes Kommunikationssystem verfügen.

Elektromagnete würden dem Raumschiff dabei helfen, gegen das Erdmagnetfeld anzustoßen, sagte Maruca, da der CubeSat über keine andere Antriebsfähigkeit verfüge.

Für die Stromversorgung werde das Team Lithium-Polymer-Batterien in Weltraumqualität verwenden, sagte er.

„Von der Technologie her unterscheiden sie sich nicht wesentlich von den Batterien in unseren Telefonen oder Laptops, aber sie sind weltraumgeeignet und so konzipiert, dass sie extremen Temperaturen, Drücken oder dem Fehlen solcher Temperaturen standhalten – weshalb sie so viel kosten.“

Die Gesamtkosten für die Teile betragen etwas mehr als 200.000 US-Dollar, sagte Maruca, wobei eines der Solarmodule etwa 7.000 US-Dollar kostete.

„Es muss den Vibrationen beim Start standhalten können“, sagte er, „und es muss leicht sein.“

Der CubeSat muss außerdem in der Lage sein, große Temperaturschwankungen und thermische Wechsel von Tiefsttemperaturen von minus 40 Grad Celsius (und Fahrenheit) bis zu Höchsttemperaturen von etwa 80 Grad Celsius (180 Grad Fahrenheit) zu tolerieren.

„Es gibt dort so wenig Gas, dass die Temperatur des Gases keinen Einfluss auf die Temperatur des Raumfahrzeugs hat“, sagte Maruca. „Entscheidend ist, wie viel Licht es ausgesetzt ist. Im Sonnenlicht wird es sehr heiß. Wenn es in den Erdschatten gelangt, wird es sehr kalt. Und in der Erdumlaufbahn kommt man alle 90 Minuten rein und raus. Deshalb testet man nicht nur die Temperatur, sondern auch den Temperaturwechsel.“

In dieser dünnen Atmosphäre leitet die Luft die Wärme nicht so effizient zum oder vom Raumschiff, sagte er.

Aus dem gleichen Grund reagiere Ihre Haut ganz anders auf kurze Einwirkungen der Hitze eines Ofens und der niedrigeren Temperatur von kochendem Wasser, sagte er.

Wenn Sie Ihre Hände in einen auf 375 Grad Fahrenheit erhitzten Ofen legen und sie dann herausnehmen, sind Ihre Hände zwar warm, verbrennen sich aber nicht.

Wenn Sie jedoch Wasser für Nudeln kochen und Ihre Hände in diese 212 Grad Fahrenheit warme Flüssigkeit tauchen, verbrennen Sie sich die Hände, da die Dichte dieses Wassers mit niedrigerer Temperatur weitaus größer ist als die Dichte der Luft im Ofen.

Kommunikations- und Raumfahrzeugbefehle werden von der CubeSat-Bodenstation am Mount Cuba generiert und Daten zum und vom Raumfahrzeug empfangen.

Es ist jedoch ein langsamer Prozess – nichts wie das Livestreamen eines Films über Internetverbindungen mit hoher Bandbreite.

„Das sind Einwahlmodemgeschwindigkeiten“, sagte Maruca. „Es ist ein Rinnsal. Sie müssen so viel Onboard-Verarbeitung wie möglich durchführen.“

Die Mission ist auf eine Dauer von mindestens sechs Monaten ausgelegt, in denen die Raumsonde viele Umlaufbahnen absolvieren wird. Das Team hofft, dass es ein Jahr lang weiterarbeiten wird, um mehr Daten zu sammeln und langfristige Muster wie Durchschnittstemperaturen in Sommer- und Wintermonaten zu erkennen.

Zu den Mitgliedern des CubeSat-Teams von UD gehören neben Tomaszewski und Swenson (bisher) Samuel Auerbach, Maschinenbauingenieur, Narberth, Pennsylvania; Marisol Catalan Olais, Physik, Wilmington, Delaware; Sreenidhi Banda, Biomedizintechnik, Pike Creek, Delaware; Matthew Ward, Elektrotechnik, Newark, Delaware; Connor McCleery, Maschinenbau, Wilmington, Delaware; Alex Bruce, Physik, Abington, Pennsylvania; Jonathan Rosado, Maschinenbau, Fallston, Maryland; Markos Duey, Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Wilmington, Delaware; Jarrod Bieber, Physik, Middletown, Delaware; und Josh Goodwill, Physik, Pittsburgh, Pennsylvania.

Außerdem wurden von der NASA CubeSat-Missionen der University of Louisiana in Lafayette für den Start ausgewählt; Oakwood School in Kalifornien; die Universität von Hawaii in Manoa; California State University, Long Beach; Saint Louis University; California State Polytechnic University, Pomona; Universität von Chicago; Utah State University; und das Marshall Space Flight Center der NASA (in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology und dem Georgia Institute of Technology).