Kamis, 31 Mei 2018

Mahasiswa Menyiapkan Misi Luar Angkasa untuk Diluncurkan

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