Sprø, men seriøse planer for gigantiske romteleskop

Membraner med optiske muskler, spidelvev og svermer av speil.

Publisert
Et av NASAs skrinlagte prosjekter gikk ut på å ta bilder av planeter rundt andre stjerner. Det ville krevd enorme romteleskop. (Illustrasjon: NASA)
Et av NASAs skrinlagte prosjekter gikk ut på å ta bilder av planeter rundt andre stjerner. Det ville krevd enorme romteleskop. (Illustrasjon: NASA)

Går det an å drømme om teleskoper som er flere kilometer store? Ja, mener NASAs tenketank for sprø, men seriøse idéer, NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).

Siden NASA er inne i bildet, er det naturlig nok snakk om romteleskop.  I det vektløse verdensrommet kan du bygge fritt og stort.

Større er bedre

Astronomene vil gjerne se planeter rundt fjerne stjerner, eller galakser fra universets første tider. Da trenger de større og større teleskoper, langt utenfor sløret fra jordas atmosfære.

Jo større teleskopene er, desto mer lys samler de, og desto skarpere ser de.  Problemet er bare at det koster enorme summer å frakte opp de store teleskopene.

Dverg mot kjemper

NASA går på sparebluss. Flere prosjekter for store romteleskop er vraket: Terrestial Planet Finder, Space Interferometry Mission og Laser Interferometer Space Antenna, for å nevne tre.

Ett har overlevd mot alle odds, James Webb Space Telescope. Etterfølgeren til romteleskopet Hubble ble dødsdømt i den amerikanske kongressen i  juli 2011, men vekket fra de døde fire måneder seinere. Oppskytning er planlagt til 2018.

James Webb-teleskopet gjør Hubble til skamme. Speilet samler fem ganger mer lys. Likevel er James Webb -teleskopet en dverg mot kjempeteleskopene som NIAC forteller om.

Massive hulspeil

Så skal de også lages på helt nye måter. Både Hubble og James Webb-teleskopet har massive hulspeil, festet til et rammeverk.

Slike hulspeil er vanlige i de fleste teleskop, fra små amatørteleskop til kjempeteleskopene på Paranalfjellet i Chile.

Nye teleskop har tynnere speil enn de gamle. James Webb-teleskopet har ekstremt tynne speil av det lette og sterke metallet beryllium.

Flortynn folie

Et romteleskop der speilet er et tynt membran som formes av ultrafiolett stråling bakfra. Strålingen styrer molekyler av stoffet azobenzen, som vrir seg når det belyses. Slik kan hvert enkelt punkt på membranet justeres. (Foto: (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter original fra Joe Ritter, University of Hawaii))
Et romteleskop der speilet er et tynt membran som formes av ultrafiolett stråling bakfra. Strålingen styrer molekyler av stoffet azobenzen, som vrir seg når det belyses. Slik kan hvert enkelt punkt på membranet justeres. (Foto: (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter original fra Joe Ritter, University of Hawaii))

Den ultimate løsningen er likevel speil av flortynn folie. Slike speil er en umulighet på jorda. Her ville vind og tyngdekraft ødelegge formen deres.

Selv i rommet ville det være vanskelig å forme folien til nærmeste tusendels millimeter, slik optikken krever.

Astronomen og ingeniøren Joe Ritter fra University of Hawaii mener han har en løsning på problemet.  Han vil bruke små skyvearmer som dytter speilet til riktig form.

Adaptiv optikk

Slike skyvearmer brukes også under de tynne speilene på moderne jordiske teleskoper idag. Skyvearmene deformerer speilet for å oppheve forstyrrelser fra atmosfæren.

Dette kalles adaptiv optikk. Problemet er bare at jo tynnere speilene er, desto flere skyvearmer må du ha for å få full kontroll over formen.

I rommet trenger du ikke adaptiv optikk for å korrigere for atmosfæren, men den flortynne folien må likevel formes med stor presisjon. Hvor små må skyvearmene da være?

Fotoniske muskler

Helst ikke større enn et molekyl. Hver millimeter av speilet må dekkes av slike molekyler. Hvert av dem må kunne styres for seg.

Ritter kaller molekylene for fotoniske muskler. Han vil sende ultrafiolette stråler mot det organiske stoffet azobenzen.

Strålene får molekylene av azobenzen til å vri seg. En stråle med litt annen farge vrir molekylet tilbake. Molekylet av azobenzen fungerer altså som en ørliten skyvearm.

Hundredels vekt og pris

Ritter og kollegene hans fikk 100 000 dollar av NIAC i 2011 for å utvikle idéen. Dette tilsvarer et fase 1-prosjekt. De har demonstrert at dette virker i liten skala.

Slike teleskop vil veie bare en hundredel av tradisjonelle speilteleskop, og koste tilsvarende mindre, skriver Ritter i sin prosjektskisse på NASAs nettsider.

Vil foliespeilet noensinne få sjansen til å vise fotoniske muskler ute i rommet? Det er tvilsomt, men ikke teoretisk umulig.

Julekveld i NIAC

Idéen kunne kanskje få hjelp av en annen og like sprø, men seriøs teknologi: 3D-printede teleskop.

I august 2012 var det rene julekvelden i NIAC.  18 ville, men seriøse prosjekter gikk videre til fase 2, og fikk en halv million dollar hver på veien.

Fysikeren og ingeniøren Robert Hoyt var blant de berikede. Han er sjefsforsker i firmaet Tethers Unlimited, som blant annet har utviklet teknologien SpiderFab.

Spindelvev i rommet

En edderkopplignende robot printer et enormt radioteleskop med et rammeverk av fagverk-konstruksjon. (Foto: (Illustrasjon: NASA NIAC/Tethers Unlimited))
En edderkopplignende robot printer et enormt radioteleskop med et rammeverk av fagverk-konstruksjon. (Foto: (Illustrasjon: NASA NIAC/Tethers Unlimited))

Som navnet tilsier, handler det om mekaniske edderkopper i verdensrommet. Edderkoppene skal spinne store spindelvev av tynne, men sterke strukturer, kalt fagverk.

Fagverk er bygget opp av tynne trekanter. Også bruer, flyvinger og hovedseksjonen til den internasjonale romstasjonen er laget av fagverk. Fagverk kan tåle mye strekk og press, og veier forholdsvis lite.

Tar liten plass

En annen stor fordel med å spinne fagverkene ute i rommet, er at råmaterialene tar minimalt med plass i raketten.

De er kompakte klumper av plaststoffer. Dermed tar de mindre plass enn selv den best sammenfoldede struktur.

Arecibo i rommet

Med slike fagverk kan forskerne bygge radioteleskoper på størrelse med Arecibo-observatoriet i Mexico, foreslår Hoyt i et intervju med avisa InnovationNewsDaily.

Arecibo-observatoriet er har den største parabolantennen i verden, med en diameter på 305 meter. Den fyller et helt lite dalsøkk.

Dingloskopet

Skulle folieteleskopet til Ritter aldri bli annet enn foiler på konferanser, eller spindelvevet til Hoyt mer enn tankespinn, kan forskerne kanskje fiske dypere i tenketanken av idéer hos NIAC.

Der vil de finne et frekt og freidig, men realiserbart forslag fra fysikeren James R. Wertz, president for firmaet Microcosm Inc.

Hvorfor bygge teleskopet som en stor klump? Hvorfor ikke la mange små speil dingle løst i rommet, når de likevel er vektløse?

Dette er grunntanken bak det strukturløse romteleskopet, som fikk en fase 1-finansiering på 100 000 dollar i 2004.

96 speil

Hovedspeilet på romteleskopet som James R. Wertz foreslo, bestod av 96 mindre speil med diameter på to meter som fløt fritt i rommet, styrt av laserstråler. (Foto: (Figur: James. R. Wertz, Microcosm, Inc/NASA NIAC))
Hovedspeilet på romteleskopet som James R. Wertz foreslo, bestod av 96 mindre speil med diameter på to meter som fløt fritt i rommet, styrt av laserstråler. (Foto: (Figur: James. R. Wertz, Microcosm, Inc/NASA NIAC))

Hovedspeilet skal bestå av 92 mindre speil, hver med en diameter på to meter. Samlet sett vil dette gi en diameter på 30 meter.

Det er like stort som verdens største teleskop ELT (Extremely Large Telescope) som er under bygging i Chile.

Hovedspeilet skal skjermes for sola med en gigantisk sylinder. På skrå over sylinderen svever et annet og mindre sekundærspeil. Ved å styre dette speilet, kan astronomene endre retningen som teleskopet ser.

Styres med laser

Selv om speilene er vektløse, vil de likevel sveve litt hit og dit, påvirket av solvind og svake forskjeller i tyngdekraft.

For å motvirke det, vil Wertz skyte laserstråler mot små utstikkere på speilene. Laserstrålene vil gi et ørlite, men bestemt puff, slik at speilene kan vris tilbake til sin opprinnelige stilling.

Større justeringer av alle speilene skal gjøres med små rakettmotorer på et ringformet rammeverk, som kobler seg til speilene ved behov.

Langt fram

Studerer man nettsidene til firmaet Microcosm Inc i dag, ser de ut som et relikvium fra de glade amatørers nettsløyd på slutten av 1990-tallet.Den siste nyhetsoppdateringen er da også datert 3. april 2008.

Det kan være korrodert intellektuelt arvesølv som glimrer i dypet av tenketanken til NASA, NASA Innovative Advanced Concepts.

Men hvem vet hvilke av idéene som hentes opp og pusses blanke igjen om femti, hundre eller to hundre år, når teknologien er modnet og nye muligheter åpner seg?

Lenker og referanser:

Ultra-Light “Photonic Muscle” Space Structures, Joe Ritter, University of Hawaii (2011 NIAC Phase I Selections)

Joe Ritter et.al: Photonic muscles: optically controlled active optics, Quantum Communications and Quantum Imaging III, edited by R. E. Meyers and Y. Shih, Proceedings of the SPIE, 5894, 379-390 (2005)

Om Joe Ritter på nettsidene til Icarus Interstellar, som arbeider for bemannede ferder til andre stjerner

SpiderFab: Process for On-Orbit Construction of Kilometer-Scale Apertures, Robert Hoyt,Tethers Unlimited, Inc. (NASA/NIAC phase 2 selections, august 2012)

NASA Believes 3D Printing is the Future of Space Construction, Space Safety Magazine, 24.9.2012: http://www.spacesafetymagazine.com/2012/09/24/nasa-believes-3d-printing-...

Om alternativ bruk av SpiderFab-teknologi, nettsidene til Tethers Unlimited

James R. Wertz: High Resolution Structureless Telescope, Microcosm Inc. (NASA/NIAC)

Nettsidene til Microcosm, Inc.