Tim
SpaceICE dari Northwestern mahasiswa sarjana di kampus Universitas
Illinois Urbana-Champaign berkolaborasi dalam proyek ini.
Selama lima
tahun terakhir, kelompok revolusioner yang sedang bergiliran dari tim
SpaceICE dari Northwestern University telah mempersiapkan untuk menyusun
CubeSat sebagai bagian dari misi NASA yang akan diluncurkan pada akhir
2018. Satelit ini, yang menampung percobaan sains material sebagai
payload, adalah yang pertama untuk Universitas Northwestern. Mereka
berkolaborasi dengan Universitas Illinois Urbana-Champaign (UIUC) pada
desain dan komunikasi CubeSat, dan dengan Bradley University, yang
merancang video game yang akan dirilis di web, berdasarkan metode
freeze-casting.
CubeSats -
kelas nanosatellites tidak lebih besar dari kotak roti (kanan) -
dikembangkan oleh para peneliti di California Polytechnic State
University dan Stanford University pada tahun 1999. Jenis satelit ini
terutama dikonseptualisasikan sebagai komponen pendidikan dan alat untuk
Bumi yang rendah. mengorbit penelitian ruang angkasa. Pada
tahun 2006, NASA meluncurkan CubeSat sepenuhnya otomatis - GeneSat-1 -
membawa muatan bakteri, yang dirancang untuk mengikuti efek ruang pada
pertumbuhan bug! Setelah berhasil memanfaatkan
desain CubeSat, NASA sejak itu telah menggunakan keserbagunaannya
sebagai wahana demonstrasi teknologi di luar angkasa dan telah memilih
152 misi CubeSat dari sejumlah lembaga penelitian dan universitas hingga
saat ini.
David
Dunand, Profesor Ilmu dan Teknik Material di Universitas Northwestern,
mentor upaya SpaceICE yang ambisius, yang dilakukan oleh tim peneliti
tingkat sarjana. Ciri unik SpaceICE CubeSat adalah muatan
ilmiahnya, yang mengandung eksperimen freeze-casting (di bawah): teknik
sederhana untuk membuat material yang merupakan keahlian Dunand.
Misi SpaceICE adalah untuk menguji peran ruang - dengan gayaberat mikro - bagaimana bahan dibuat oleh teknik baru ini. Seiring
dengan kemungkinan menggiurkan untuk menciptakan struktur dari bahan
yang tersedia di situ selama perjalanan angkasa dan di luar, di habitat
asing, misi ini juga dapat menambah pemahaman kita tentang bagaimana
gravitasi membentuk formasi material di Bumi. "Pada
dasarnya, kami menggunakan ruang sebagai laboratorium untuk membantu
kami lebih memahami apa yang terjadi di Bumi dan melakukan hal-hal yang
lebih baik di Bumi," kata Dunand.
Di mana panas akan pergi?SpaceICE
adalah usaha multi-disiplin - terutama karena tim membutuhkan peralatan
yang dibuat khusus untuk payload, sebagai lawan dari barang-barang yang
mereka gunakan dalam eksperimen berbasis-Bumi mereka! Alasan untuk ini adalah bahwa bahan-bahan biasa outgas dan menurunkan dalam ruang hampa. "Kita
perlu pesanan khusus lensa Thor yang bukan plastik, membeli bahan yang
diuji vakum, menggunakan kabel Teflon, wadah Pyrex [s] untuk percobaan
kami, dll., Untuk menyebutkan beberapa," kata mahasiswa Dunand, Krysti
Scotti, yang memimpin sarjana di tim SpaceICE, yang telah mengumpulkan seluruh usaha ini. Dan
setelah mendapatkan alat yang sesuai dengan ruang, itu masih
membutuhkan pemikiran kreatif bersama untuk mencari solusi terbaik untuk
rejig eksperimen freeze-casting untuk ruang. Instrumentasi
SpaceICE onboard, dirancang dan dibangun di Departemen Ilmu Material di
Northwestern University, akan mengambil pendekatan fabrikasi material
yang sudah ada yang disebut freeze-casting dan menguji bagaimana metode
ini bekerja di orbit dekat Bumi. "CubeSat
akan melakukan percobaan untuk membekukan-cast manik-manik kaca
berlapis perak," kata Krysti Scotti, sarjana yang memimpin proyek
tersebut, yang juga mengumpulkan tim mahasiswa SpaceICE. Tantangan
ini membutuhkan masukan dari beragam disiplin ilmu seperti ilmu
komputer, teknik mesin, ilmu material dan teknik penerbangan. “Saya
telah memiliki eksposur yang luar biasa bekerja dengan rekan-rekan saya
dari berbagai latar belakang ilmiah,” kata Andy McIntosh, insinyur
desain SpaceICE dan baru saja lulus dengan gelar Sarjana Teknik Mesin. Salah satu tanggung jawab McIntosh termasuk merancang wadah pembekuan-bekal dengan persyaratan penting - bahwa itu bebas-bocor! Setelah semua, Anda tidak ingin manik-manik kaca dalam suspensi air terkena vakum. Selain itu, karena percobaan akan terus dibekukan dan dicairkan, wadah harus memperhitungkan ekspansi volumetrik es. "Volume suspensi akan meningkat 10 persen setelah pembekuan dan harus kembali ke keadaan cair," kata Scotti. Jadi,
untuk memastikan segel yang kedap udara menahan melalui semua pembekuan
dan pencairan, wadah terbuat dari Pyrex dan alasnya terbuat dari bahan
yang disebut Kovar: paduan besi-nikel-kobalt. Kovar
memiliki dua manfaat: ia bekerja dengan baik sebagai pelat dasar karena
ia melakukan panas dengan baik, dan juga memiliki koefisien ekspansi
termal (rendah) yang sama seperti Pyrex, memungkinkannya mempertahankan
bentuknya bahkan selama perubahan suhu.
Tantangan lain adalah melakukan analisis termal. Jangan terkecoh dengan nama proses yang agak kasar. Analisis
ini sangat penting untuk misi CubeSat, di mana “kita harus merancang
satelit sehingga panas memancar keluar melalui berbagai logam dan cat
dengan benar baik di [hingga] ruang dan ke berbagai struktur satelit,”
jelas tim Tim Antarmuka UIUC , Richard Joseph Kunde. Tidak
ada udara di ruang untuk panas yang hilang melalui proses konveksi dan
karenanya desain ini sangat penting untuk memastikan bahwa bagian
penting dari CubeSat tidak terlalu panas. McIntosh
harus belajar termodinamika untuk proyek tersebut, yang menurutnya dia
tidak terbiasa dengan latar belakangnya sebagai insinyur mekanik.
Dan
tim SpaceICE berpaling ke Jon Igartua, spesialis analisis termal dari
UIUC, yang melakukan analisis mendalam menggunakan paket perangkat lunak
yang disebut NX untuk memodelkan lingkungan ruang untuk satelit. "Saya
telah melakukan banyak analisis termal dan SpaceICE jelas merupakan
beban paling panas yang pernah saya lihat," kata Igartua. "Thermal
berat" dalam hal ini berarti "panas intensif" - setup CubeSat akan
menghasilkan lebih banyak panas daripada apa yang biasanya dihamburkan
dengan metode standar yang digunakan di sebagian besar teknologi
satelit. Inilah
alasan tambahan langkah diambil untuk proyek: Igartua merancang
perangkat lunak untuk memvisualisasikan orbit, sekitar 280 mil (450
kilometer) di atas Bumi. Perangkat
lunak ini merencanakan orbit satelit di sekitar Bumi dan menghitung
berapa banyak energi matahari yang akan diserap satelit di berbagai
bagian orbit. Batas 50 persenBagian penting dari merakit CubeSat untuk SpaceICE berkaitan dengan salah satu tujuan riset utama misi tersebut. Bagaimana tim akan tahu jika misi mereka berhasil? "Untuk itu kita perlu melihat data," kata Scotti. Rencana
awal SpaceICE adalah menjalankan satu eksperimen freeze-casting setiap
hari selama 30 hari pertama dan menilai operasi untuk menentukan apakah
semuanya berjalan sesuai rencana. Bukti misi yang mulus dan bebas masalah harus datang dalam bentuk gambar dan data suhu. Termokopel
- perangkat kawat rambut tipis - akan ditempatkan pada 10 posisi
berbeda dalam suspensi, yang akan bertindak seperti termometer. Untuk
menentukan bagaimana suspensi membeku dalam misi, SpaceICE akan
menganalisis evolusi suhu sistem selama pemadatan, dengan data yang
dihasilkan oleh pembacaan termokopel setiap 160 milidetik. Itu banyak data! Namun, data eksperimen tidak ditransmisikan secara langsung. Sebaliknya,
setelah percobaan, data dicadangkan, disimpan di CubeSat, dan
dikirimkan ke stasiun bumi di UIUC selama jendela waktu yang bergantung
pada posisi satelit. Ini mungkin memerlukan 24-48 jam, karena hanya ada dua jendela waktu seperti itu sehari untuk transfer data. Tim SpaceICE mendapatkan data ini dari UIUC sehari kemudian. Secara
efektif, dibutuhkan tim 72 jam setelah percobaan di ruang angkasa untuk
menentukan apakah semuanya berjalan sesuai rencana. Semua
pembuatan dan penyimpanan data tersebut membutuhkan daya baterai,
"tanpa muatan mana yang tidak dapat melakukan sains," kata Kunde. Masuki
UIUC, Jeff Perez, yang mempertimbangkan berbagai skenario eksperimental
dan orientasi CubeSat untuk memperkirakan jumlah baterai yang habis
saat berada di orbit. Perez menghitung ini dengan menjalankan perangkat lunak lain. Menggunakan
informasi seperti orbit misi dan fakta bahwa CubeSat dengan panel surya
hampir Sun-synchronous - yang berarti lebih banyak akses ke sinar
matahari - simulasi Perez memprediksi bahwa SpaceICE dapat dengan mudah
mengisi ulang baterai setelah percobaan. Dia
telah memperkirakan tingkat yang aman untuk daya baterai di seluruh
misi, di bawah ini mereka menjalankan risiko merendahkan dengan cepat
dan terbakar. Dan apa yang dianggap level aman? “Anggap saja sebagai baterai ponsel Anda. Jika
ponsel Anda memiliki daya baterai kurang dari 50 persen secara teknis,
itu tidak baik untuk itu, karena masa pakai baterai berkurang, ”kata
Kunde. Jadi
untuk memastikan kekuatan yang memadai, tujuan SpaceICE adalah
mempertahankan tingkat baterai mendekati atau di atas 50 persen
sepanjang masa misi, terutama setelah eksperimen. Semua ini tampaknya berada dalam batas yang dapat dicapai dari perhitungan Perez.
EndgameSpaceICE
mencontohkan bagaimana mahasiswa sarjana hampir di tahun junior dan
senior mereka dapat melakukan ilmu presisi tinggi, menggarisbawahi salah
satu motivasi utama NASA. “Pendanaan
misi CubeSat membantu kami mengembangkan ilmuwan generasi berikutnya
dan kami lebih siap untuk tenaga kerja luar angkasa,” kata Brenda
Dingwall, manajer misi NASA untuk SpaceICE. Igartua memiliki pandangan yang menarik tentang mengapa NASA dan lembaga lain menyukai misi CubeSat. "Kami
dapat meluncurkannya untuk seperempat juta dolar dan untuk hal-hal yang
akan cepat habis dan mungkin menghancurkan dirinya sendiri dalam proses
yang tidak ingin Anda habiskan lagi," katanya, mencatat bahwa CubeSat
akan tetap berada di orbit untuk di setidaknya enam bulan. Jadi,
setelah periode pengujian 30-hari awal memastikan semuanya adalah
bentuk kapal dengan CubeSat, Scotti berencana meningkatkan eksperimen
untuk menghasilkan lebih banyak data! "Masuk
akal untuk melakukan eksperimen sebanyak mungkin setelah sebulan,
karena semakin lama CubeSat ada di sana, semakin banyak risiko yang kami
miliki," kata Scotti, yang bersemangat untuk pergi ke peluncuran. Adapun
demonstrasi ilmiah yang diharapkan oleh misi, pada era pencetakan 3-D,
metode freeze-casting mungkin akan menjadi ceruk tersendiri dan bahkan
mungkin menjadi metode yang lebih baik dalam hal menjadi lebih murah, tidak beracun, dan manufaktur berbasis ruang yang dapat didaur ulang. Seperti
yang dikatakan Dunand, “Kami akan dan harus menggunakan material in
situ di tanah untuk menjajah Bulan, Mars, dan seterusnya. Dan SpaceICE benar-benar mendorong teknik ke depan yang kita butuhkan 20 hingga 100 tahun dari sekarang.”
|
Tidak ada komentar:
Posting Komentar