När du tänker på ett rymdteleskop, tänker du förmodligen på sådana som Hubble, som sonderar rymden med precisionsoptik. Men optiska rymdteleskop är också riktade mot jorden, vilket ger oss detaljerade vyer av allt från väder, till trafikmönster, till militära truppers rörelse. Medan jordfokuserade teleskop är extremt användbara, kan de också vara ganska stora och dyra att skjuta upp i rymden. Men det kan ändras med en ny föreslagen design för kubsatelliter.
Exempel på en 1U CubeSat. Kredit: Wikipedia-användare Svobodat
En kubsatellit, eller CubeSat, är en typ av liten satellit standardiserad till vikt och storlek. Den grundläggande storleken på CubeSats är känd som en enhet eller 'U', vilket är en kub 10 centimeter på en sida, även om vissa CubeSats är flera enheter i storlek. Deras låga massa och standardmått gör att de kan lanseras i grupper eller konstellationer, vilket avsevärt minskar kostnaden. Men den här lilla storleken begränsar också mängden optik du kan passa in i en.
För optiska teleskop beror skärpan på din bild på storleken på din bländare. Rymdteleskopet Hubble har till exempel en 2,4 meter bred spegel. Om spegeln var mindre skulle Hubbles bilder vara mindre detaljerade. Det beror på en vågeffekt känd som diffraktion. När ljusvågor passerar genom en bländare med ett begränsat område kan de störa varandra och göra den resulterande bilden suddig. Denna diffraktionsgräns minskar upplösningskraft av ditt teleskop.
Eftersom en 1U CubeSat bara kan vara 10 cm bred, kan den optiska öppningen på en CubeSat bara vara några centimeter i diameter. Med tanke på diffraktionsgränsen skulle en CubeSat i omloppsbana 500 km över jorden bara kunna lösa särdrag på jorden som i bästa fall är 3 m breda eller cirka 10 fot tvärs över. Det är inte hemskt, men det är mycket lägre än upplösningen för moderna kommersiella satelliter. Men ett team av forskare har utvecklat en design som kan förbättra den gränsen avsevärt, och de gör det med samma trick som används av James Webb-teleskopet.
Hur hopfällda speglar kan fungera på en CubeSat. Kredit: Schwartz, et al
Rymdteleskopet James Webb har en primär spegel som är 6,5 meter bred. När den lanseras senare i år kommer den att ge mycket mer detaljerade bilder än vad Hubble någonsin kunde. Problemet är att Webb kommer att skjutas upp på en Ariane 5-raket, som bara är 5,4 meter bred. Så Webbs spegel måste vikas för att passa. Först efter lanseringen kommer den att vecklas ut till sin fulla storlek. CubeSat-designen använder samma tillvägagångssätt. Fyra hopfällda speglar gör att satelliten får plats inom 1U samtidigt som den ger en större bländare för CubeSat när den fälls ut efter uppskjutning. Detta är mycket lättare sagt än gjort. Det är enkelt att fälla och fälla upp speglar, men för att fungera måste de riktas in med extrem precision. Detta är svårt att göra även med Webbs budget på 10 miljarder dollar, så hur gör man det för en billig CubeSat?
Teamet föreslår att man gör detta i etapper. Efter lanseringen kunde CubeSat-speglarna fällas ut och placeras i en 'tillräckligt nära' position, och sedan använda aktiv och adaptiv optik för att skärpa bilden. Användningen av adaptiv optik skulle också göra det möjligt för CubeSat att kompensera för uppvärmnings- och kyleffekter, vilket skulle kunna förskjuta speglarna ur linje. Baserat på sina inledande studier uppskattar teamet att en 1U CubeSat kan uppnå en upplösning på 80 centimeter när den kretsar i 500 kilometer, vilket är inom räckvidden för nuvarande kommersiella satelliter.
Den låga kostnaden för CubeSats innebär att CubeSat-teleskop skulle kunna göra högupplösta realtidsbilder av jorden mycket mer kostnadseffektiva. En konstellation av dem kan spåra både långsiktiga och plötsliga förändringar på vår planet. Det skulle vara oerhört användbart för saker som naturkatastrofer, där informationen kan begränsas. Men det skulle också betyda att dessa små satelliter alltid skulle titta med utsikt uppifrån.
Referens:Schwartz, Noah, et al. ' Högupplöst utplacerbar CubeSat-prototyp .'Rymdteleskop och instrumentering 2020: optisk, infraröd och millimetervåg. Vol. 11443. International Society for Optics and Photonics, 2020.