Artemis 1 Cubesats: Die 10 winzigen Satelliten der NASA fliegen zum Mond

Die Artemis-1-Mission wird 10 revolutionäre Cubesats ins All schicken.

Im Rahmen der Artemis-1-Mission, die am 29. August 2022 starten soll, ist das Space Launch System (SLS) – die stärkste jemals gebaute Rakete – dabei, die Raumsonde Orion weiter ins All zu katapultieren, als es jedes von Menschen gebaute Fahrzeug vorgesehen hätte Astronauten zu befördern, wurde schon früher gewagt.

Die Mission wird als Test dienen, bevor zukünftige Artemis-Missionen Menschen zum Mond und darüber hinaus schicken und dabei Meilensteine ​​liefern, wie die erste Frau und Person mit Hautfarbe, die die Mondoberfläche betritt, und den ersten Menschen, der einen Fuß auf den Mars setzt.

Doch nicht alles bei der Artemis-1-Mission dreht sich darum, Rekorde zu brechen. Das SLS wird auch eine sekundäre Nutzlast mit sich führen, eine Reihe schuhkartongroßer Satelliten, die es auf seinem Weg zum Mond abwerfen wird. Obwohl das SLS 17 dieser winzigen wissenschaftlichen Experimente beherbergen kann, wird die Nutzlast von Artemis 1 aus 10 Einheiten bestehen.

Auch wenn sie klein sind, unterschätzen Sie nicht die große Bedeutung, die diese winzigen Cubesats für die Wissenschaft haben könnten. Sie werden Ergebnisse sammeln, die als Leitfaden für zukünftige Projekte dienen, unsere Pionier-Astronauten schützen und zur Überwachung unserer Welt beitragen.

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Robert Lea hat einen Bachelor of Science in Physik und Astronomie von der britischen Open University. Robert arbeitet seit über einem Jahrzehnt für Space.com und seine Arbeiten wurden in Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space und anderen veröffentlicht.

Cubesats sind eine Art Nanosatellit, ein miniaturisiertes Raumschiff mit großem Potenzial für weltraumgestützte Wissenschaft, Erkundung, technische Unterstützung, Erdbeobachtung und Relaiskommunikation.

Cubesats zeichnen sich durch Effizienz, niedrige Kosten und Kompatibilität mit größeren Nutzlasten aus. Obwohl ihre Masse normalerweise auf 1 bis 10 Kilogramm (2,2 bis 22 Pfund) beschränkt ist, werden Cubesats normalerweise in „Einheiten“ (U) gemessen und klassifiziert, wobei jede Einheit einen Würfel mit einer Seitenlänge von 10 Zentimetern (3,93 Zoll) darstellt.

Die meisten Cubesats auf der Artemis-1-Mission haben eine Größe von 6 HE. Wenn sechs dieser Einheiten aneinandergereiht werden, ergeben sich Abmessungen von etwa 7,8 Zoll x 3,93 Zoll x 13,4 Zoll (20 cm × 10 cm × 34,05 cm).

Eines der Hauptziele der Artemis-Missionen ist der Aufbau einer Infrastruktur im Weltraum, auf und um den Mond, die längere Weltraummissionen ermöglicht. Das Schlüsselwort für dieses Ziel ist „Nachhaltigkeit“.

Der von der Morehead State University in Zusammenarbeit mit dem Goddard Space Flight Center der NASA und der Busek Company entwickelte CubeSat Lunar IceCube 6U könnte dabei helfen, dieses Ziel zu erreichen.

Dieser CubeSat wird hochentwickelte Instrumente verwenden, um Wasser und andere Ressourcen sowohl auf dem Mond als auch über der Mondoberfläche aufzuspüren, was unseren Astronauten bei zukünftigen Missionen helfen könnte. In-situ-Ressourcen reduzieren die Menge an Rohstoffen, die in den Weltraum transportiert werden müssen, wodurch Missionen kostengünstiger werden.

Wasser auf dem Mond könnte sogar zur Herstellung von Raketentreibstoff genutzt werden, der für die Rückkehr zur Erde oder für weitere Vorstöße in das Sonnensystem genutzt werden könnte.

IceCube, der nur 14 kg wiegt, wird eine siebenstündige Umlaufbahn um den Mond haben und von einem Ionenantriebssystem angetrieben werden. Während dieser Umlaufbahn wird zum Schutz der Instrumente vor Sonneneinstrahlung ein kleines „Garagentor“ geöffnet, sodass in jeder Umlaufbahn nur eine Stunde Beobachtungen der Mondoberfläche möglich sind.

Mondwasser liegt größtenteils in Form von Eis vor und der Lunar IceCube trägt ein NASA-Instrument namens Broadband InfraRed Compact High-Resolution Exploration Spectrometer (BIRCHES), das die Verteilung dieses Wassers auf dem Mond untersuchen kann.

BIRCHES ist auch in der Lage, Wasser in der dünnen Atmosphäre des Mondes – der Exosphäre – aufzuspüren. Dies könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie Regolith auf dem Mond – analog zum Boden auf der Erde – Wasser aufnimmt und abgibt.

Dies wird dazu beitragen, die Veränderungen zu kartieren, die der Mond durchmacht, was laut NASA der Schlüssel zu einer dauerhaften Mondpräsenz ist.

Mehrere andere Artemis-1-Cubesats werden gemeinsam mit IceCube einen genauen Blick auf den Mond werfen.

Der von Forschern und Studenten der Arizona State University entwickelte Lunar Polar Hydrogen Mapper (LunaH-Map) wird die Wasserstoffhäufigkeit in den Schattenregionen des Mondes untersuchen.

Dazu gehört die Erstellung einer Karte von Wasserstoff im räumlichen Maßstab von etwa 6 Meilen (etwa 10 Kilometer) und die Bestimmung der Menge dieses Elements, das im Wassereis eingeschlossen ist, das in tiefen, schattigen Mondkratern liegt.

Die wissenschaftliche Mission von LunaH-Map, ebenfalls ein 6U-Cubesat, wird 60 Tage dauern, wobei das winzige Raumschiff 141 hochelliptische Umlaufbahnen um den Mond in geringer Höhe absolvieren wird, die ihn auf eine Entfernung von bis zu 3 bis 6 Meilen (4,8 bis 9,6 km) bringen Mondoberfläche. Im Mittelpunkt dieser Umlaufbahn steht der Shackleton-Krater – ein Einschlagskrater am Südpol des Mondes.

Das Hauptinstrument von LunaH-Map ist ein Neutronendetektor, der das Material Cs2YLiCl6:Ce (CLYC) verwendet, um Neutronen zu erkennen – die normalerweise in Atomkernen mit Protonen eingeschlossen sind – und um zu beurteilen, ob sie mit dem Element Wasserstoff interagiert haben.

Laut NASA wird LunaH-Map während seines zweimonatigen Betriebs den Wasserstoffgehalt des gesamten Südpols des Mondes kartieren und auch den Wasserstoffgehalt in großen Mengen einen Meter unter der Mondoberfläche messen.

Der 6U-Cubesat LunIR von Lockheed Martin – früher bekannt als SkyFire – wird ebenfalls Vorbeiflüge am Mond durchführen und dessen Oberfläche kartieren.

LunIR wird von der von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) bereitgestellten vorläufigen kryogenen Antriebsstufe (ICPS) bereitgestellt und enthält Technologie, die Bilder der Mondoberfläche erfassen und dabei helfen wird, ihre Zusammensetzungsstruktur und ihre Interaktion mit dem Weltraum zu charakterisieren.

Diese Daten könnten bei der Auswahl von Landeplätzen für künftige Mondmissionen sowie bei der Bewertung möglicher Risiken für Astronauten, die sich für längere Aufenthalte auf die Mondoberfläche wagen, hilfreich sein.

Nach seinem Vorbeiflug wird LunIR Manöver und Operationen durchführen, die auch zur Gestaltung künftiger Weltraummissionen mit Besatzung und Robotern beitragen könnten.

Die herausragenden Monderkundungstechnologien des Nano Semi-Hard Impactor (OMOTENASHI) CubeSat soll beweisen, dass Mondlander in allen Größen und Kosten erhältlich sind.

Die japanische Aeroscape Exploration Agency (JAXA) hat einen 6U-Cubesat mit einem Gesamtgewicht von 27,7 lbs (12,6 kg) entwickelt, der einen 2,2 lb (1 kg) schweren Nanolander ausstoßen wird, der von einem Einweg-Feststoffraketenmotor mit einem Gewicht von 13,2 lbs (6 kg) angetrieben wird zur Mondoberfläche hinabsteigen.

Kurz vor dem Aufprall wird sich der Nanolander mit einer Geschwindigkeit von etwa 98 Fuß pro Sekunde (30 Meter pro Sekunde) fortbewegen, die verkaufte Rakete abwerfen und dann einen zweiflügeligen Airbag auslösen, um sie bei der Landung abzufedern.

Auf dem Mond angekommen wird OMOTENASHI – dessen Name auf Japanisch „Gastfreundschaft“ bedeutet – die Strahlung der Mondoberfläche messen und die Bodenmechanik mithilfe von Beschleunigungsmessern untersuchen.

Diese Geräte messen Vibrationen oder Beschleunigungen, indem sie eine Massenänderung nutzen, um ein piezoelektrisches Material zu „quetschen“ und eine elektrische Ladung zu erzeugen, die proportional zur Kraft ist, die das Material erfährt.

Der Mond ist nicht das einzige Objekt um die Erde, das Artemis-1-Cubesats untersuchen werden.

Erdnahe Asteroiden (NEAs) werden das Ziel der Beobachtungen von NEA Scout sein, einer robotischen Aufklärungsmission, die an einem Asteroiden vorbeifliegt und Daten von ihm zurückgibt.

NEA Scout wird vom SLS aus eingesetzt, nachdem es das Orion-Raumschiff in Richtung Mond gestartet hat, und beginnt damit eine zweijährige Reise des 6U-großen Cubesats zu einem Zielasteroiden.

Ein Schlüsselelement der Mission wird ein Sonnensegel sein – ein dünnes und leichtes Material, das Photonen der Sonne und deren Impuls nutzt, um das kleine Schiff anzutreiben.

Trotz der Entfaltung aus einem schuhkartongroßen Würfel erreicht das entfaltete Segel eine Größe von 925 Quadratfuß (86 Quadratmeter) und wird von vier 24 Fuß (7,3 m) langen Metallauslegern getragen. Diese große Oberfläche wird benötigt, um eine große Anzahl von Photonen einzufangen, von denen jedes nur einen winzigen Schub erzeugt.

Sobald er eine Entfernung von etwa 25.000 bis 31.000 Meilen (ungefähr 40.000–50.000 km) von seinem Ziel erreicht, wird er den Asteroiden identifizieren. In einer Entfernung zwischen 62 und 75 Meilen (100 bis 120 km) vom Asteroiden wird NEA Scout mit seiner Kamera NEACam – einem 20-Megapixel-CMOS-Bildsensor mit einer Array-Größe von 3840 x 3840 Pixeln – Bilder aufnehmen und zurücksenden zur Erde.

Laut NASA wird dies dazu beitragen, die Eigenschaften des Asteroiden wie seine Position im Raum, seine Form und seine Rotation zu ermitteln und das umgebende Staub- und Trümmerfeld zu vermessen. Diese Informationen könnten sich für zukünftige Missionen, die auf NEAs abzielen, als nützlich erweisen.

Das Raumschiff EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U (EQUULEUS) ist ebenfalls ein CubeSat, der von JAXA mit Unterstützung der Universität Tokio für Artemis 1 entwickelt wurde. Ziel ist es, die Strahlung in der Weltraumumgebung um die Erde zu verstehen.

EQUULEUS wird Techniken zur Flugbahnsteuerung mit niedrigem Energieverbrauch nutzen, einschließlich eines Wasserantriebssystems mit geringem Schub, das sehr wenig Treibstoffflüssigkeit verbraucht, um das Raumschiff in eine Umlaufbahn zwischen der Erde und dem Mond zu bringen.

Von hier aus wird der CubeSat die Plasmasphäre der Erde beobachten, den inneren Bereich der Magnetosphäre, der aus kühlem Plasma besteht – Gas, in dem Atome von Elektronen befreit wurden.

EQUULEUS könnte uns nicht nur dabei helfen, Niedrigenergie-Flugbahnkontrolltechniken und Mondvorbeiflüge in der Erde-Mond-Region besser zu verstehen, sondern auch wichtige Informationen liefern, die zum Schutz von Elektronikgeräten und Astronauten bei langfristigen Weltraummissionen beitragen.

Ein weiterer Artemis-1-Cubesat ist ebenfalls bereit, Informationen zu sammeln, die möglicherweise Astronauten vor Strahlung schützen könnten.

BioSentinel ist ein Projekt, das es Wissenschaftlern am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley ermöglichen wird, die Wirkung von Strahlung auf Organismen im Weltraum besser zu verstehen.

Die Mission nutzt Hefe, die Bäckern und Brauern vertraut ist, als „Modellorganismus“, um zu verstehen, wie energiereiche Strahlung Brüche in der DNA verursachen kann – die genetische Informationen in den Zellen aller lebenden Organismen, einschließlich des Menschen, trägt.

Hefe wurde ausgewählt, weil die Forscher sie nicht nur sehr gut verstehen, sondern auch, weil die Art und Weise, wie Schäden in ihrer DNA repariert werden, dem Prozess beim Menschen ähnelt.

Zwei Stämme der Hefe Saccharomyces cerevisiae – einer davon repariert DNA-Schäden viel besser als der andere – werden zum Wachstum angeregt, sobald sich BioSentinel außerhalb der Erdmagnetosphäre befindet, was uns vor starker Sonneneinstrahlung schützt.

Der rund 13 kg schwere 6U-Cubesat wird seine Mission etwa 18 Monate lang durchführen und auf dem Weg zur Sonne am Mond vorbeifliegen. Das Projekt stellt das erste Mal seit 40 Jahren dar, dass Organismen in den Weltraum geschickt wurden.

Der CubeSat zur Untersuchung von Sonnenpartikeln (CuSP) wird auch die Sonne umkreisen, nachdem er aus der Erdatmosphäre befördert wurde.

Die Aufgabe von CuSP wird darin bestehen, die Strahlung des Sterns, Sonnenwinde und Sonnenereignisse zu untersuchen, die Auswirkungen auf und um die Erde haben können, wie etwa Störungen der Funkkommunikation, Schäden an der Satellitenelektronik und sogar Störungen unserer Stromnetze.

Der 6U-Cubesat verfügt über drei Instrumente, die dieses „Weltraumwetter“ messen können, bevor es die Erde erreicht, auf deren Magnetosphäre trifft und möglicherweise einen schädlichen geomagnetischen Sturm auslöst.

Der Suprathermal Ion Spectrograph (SIS) erkennt und sortiert energiearme solare Partikel, während das Miniaturized Electron and Proton Telescope (MERiT) hochenergetische Solarpartikel zählt und das Vector Helium Magnetometer (VHM) die Stärke und Richtung von Magnetfeldern überwacht .

Zusammen werden die drei CuSP-Instrumente es Wissenschaftlern ermöglichen, zu verfolgen, wie sich die Umgebung im Weltraum zwischen Sonne und Erde verändert und wie sich diese Veränderungen auf unseren Planeten auswirken. CuSP bietet Forschern auch die Möglichkeit zu testen, wie ein Netzwerk von CubeSats zur Weltraumüberwachung funktionieren würde, und zeigt so das Potenzial für eine Vielzahl von CubeSats zur Überwachung des Weltraumwetters auf.

Das Cubesat-Team Miles hat eine der interessantesten Reisen zur Startrampe aller sekundären Nutzlasten von Artemis 1 hinter sich, und die Reise nach dem Start dürfte sich als ebenso spannend erweisen.

Das Projekt wurde für die Zusammenarbeit mit Orion und der SLS ausgewählt, nachdem seine Bürgerwissenschaftler-Designer bei Miles Space und Fluid & Reason, LLC es bei der CubeQuest Challenge der NASA angemeldet hatten.

Team Miles wird innovative Plasma-Jod-Triebwerke verwenden, die niederfrequente elektromagnetische Wellen als Antrieb nutzen, um etwa 60 Millionen Kilometer von der Erde entfernt auf einer Flugbahn in Richtung Mars zu fliegen, was Teamleiter Wesley Faler als „Drag Race to“ bezeichnet der Mond."

Der von einem hochentwickelten Bordcomputersystem geflogene 6U-große Cubesat ist weiter unterwegs als jedes andere Raumschiff dieser winzigen Größe zuvor und wird auch Software für die Funkkommunikation mit der Erde testen.

ArgoMoon ist ein 6U-Cubesat, der von der italienischen Raumfahrtagentur (ASI) entwickelt und von der ESA für den Flug mit Artemis 1 ausgewählt wurde. Nach dem Start vom ICPS wird er einer der ersten europäischen Cubesats sein, der die Erdumlaufbahn verlässt.

ArgoMoon wird nicht nur die Fähigkeit demonstrieren, Operationen durch das ICPS durchzuführen, sondern es wird auch Daten von der Bühne sammeln, während es Orion zum Mond schickt und seine anderen sekundären Cubesat-Nutzlasten startet.

Die Tatsache, dass ArgoMoon bei der Erfüllung dieser Aufgaben Bilder des ICPS aufzeichnen wird, bedeutet, dass sein Beitrag zu Artemis 1 dazu beitragen könnte, die Geschichte einer der wichtigsten Missionen in der Geschichte der Weltraumforschung und den nächsten Schritt der Menschheit ins Universum zu definieren.

Mit dem Space Launch System (SLS), der stärksten Rakete der Menschheit, wäre die Artemis-Mission nicht möglich.

Die Orion-Raumsonde wird weiter in den Weltraum fliegen als jedes andere für Menschen bestimmte Raumschiff.

„Artemis.“ NASA (2022).

„Artemis 1: Über die CubeSat-Nutzlast.“ Raumfahrtzentrum Houston (2021).

„Lunar IceCube-Mission zur Lokalisierung und Untersuchung der für eine dauerhafte Präsenz auf dem Mond erforderlichen Ressourcen.“ NASA (2019).

„LunaH-Map: Von der Universität gebauter CubeSat zur Kartierung von Wassereis auf dem Mond.“ NASA (2016). „LunaH-Karte.“ Arizona State University (2022).

„Die NASA wählt LunIR CubeSat von Lockheed Martin für die sekundäre Nutzlast von Artemis 1.“ NASA (2016).

„PFERD und OMOTENASHI.“ eoPortal (2022). „NEA Scout.“ NASA (2022).

„Was ist BioSentinel?“ NASA (2022)

„Was ist ein CubeSat und andere Picosatelliten?“ Nanosats-Datenbank (2022).

„ArgoMoon.“ eoPortal (2022).

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Robert Lea ist ein Wissenschaftsjournalist im Vereinigten Königreich, dessen Artikel in Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek und ZME Science veröffentlicht wurden. Er schreibt außerdem über Wissenschaftskommunikation für Elsevier und das European Journal of Physics. Rob hat einen Bachelor of Science in Physik und Astronomie von der britischen Open University. Folgen Sie ihm auf Twitter @sciencef1rst.

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