Zwarte magie. Dat is wat radiofrequentie-ingenieurs de mysterieuze krachten noemen die communicatie via de lucht leiden. Deze krachten omvatten complexe fysica en zijn moeilijk genoeg om op aarde onder de knie te krijgen. Ze worden alleen maar verbijsterender als je signalen de ruimte in straalt.

Tot nu, de vorm van keuze voor het gieten van deze "magie" was de parabolische schotel. Hoe groter de antenneschotel, hoe beter het is in het "vangen" of verzenden van signalen van ver weg.

Maar CubeSats brengt daar verandering in. Deze ruimtevaartuigen zijn bedoeld om licht te zijn, goedkoop en extreem klein:de meeste zijn niet veel groter dan een mueslidoos. Plotseling, antenneontwerpers moeten hun "zwarte magie" in een apparaat stoppen waar geen ruimte is voor een schotel - laat staan ​​veel anders.

"Het is alsof je een konijn uit een hoed trekt, " zei Nacer Chahat, een specialist in antenneontwerp bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californië. "Het verkleinen van de radar is een uitdaging voor NASA. Als ruimtevaartingenieurs, we hebben meestal veel volume, dus het bouwen van antennes verpakt in een klein volume is niet iets waar we voor zijn opgeleid."

Uitdaging aanvaard.

Chaha en zijn team hebben de grenzen van antenne-ontwerpen verlegd, en werkte onlangs met een CubeSat-team aan de antenne voor Radar In a CubeSat (RainCube), een technologiedemonstratiemissie gepland voor lancering in 2018. De onderscheidende antenne van RainCube lijkt een beetje op een paraplu die in een jack-in-the-box is gestopt; wanneer geopend, de ribben steken uit een bus en spreiden een gouden gaas uit.

Zoals de naam al doet vermoeden, RainCube zal radar gebruiken om regen en sneeuwval te meten. CubeSats worden gemeten in stappen van 1U (een CubeSat-eenheid, of 1U, is ongeveer gelijk aan een 4-inch kubieke doos, of 10x10x10 kubieke centimeter). De RainCube-antenne moet klein genoeg zijn om in een 1.5U-container te worden gepropt. Zie het als een antenne in een blikje, zonder ruimte voor iets anders.

"Groot, inzetbare antennes die in een klein volume kunnen worden opgeborgen, zijn een sleuteltechnologie voor radarmissies, " zei Eva Peral van JPL, hoofdonderzoeker voor RainCube. "Ze openen een nieuw rijk aan mogelijkheden voor wetenschappelijke vooruitgang en unieke toepassingen."

Om zijn relatief kleine omvang te behouden, de antenne vertrouwt op de hoge frequentie, Ka-bandgolflengte - iets dat nog steeds zeldzaam is voor NASA CubeSats, maar is bij uitstek geschikt voor RainCube. Maar Ka-band heeft naast radar nog andere toepassingen. Het zorgt voor een exponentiële toename van gegevensoverdracht over lange afstanden, waardoor het de perfecte tool voor telecommunicatie is.

Ka-band zorgt voor datasnelheden die ongeveer 16 keer hoger zijn dan X-band, de huidige standaard op de meeste NASA-ruimtevaartuigen.

Op die manier, de ontwikkeling van RainCube's antenne kan het gebruik van CubeSats meer in het algemeen testen. Hoewel de meeste beperkt waren tot eenvoudige studies in een baan om de aarde, met de juiste technologie zouden ze tot op Mars of verder kunnen worden gebruikt. Dat zou CubeSats kunnen openen voor een hele reeks toekomstige missies.

"Om de volgende stap in de evolutie van CubeSat mogelijk te maken, je hebt dit soort technologie nodig, " zei Jonathan Sauder van JPL, werktuigbouwkundige leiding voor de RainCube-antenne.

Chahat kwam bij het RainCube-team terecht nadat hij aan een ander innovatief antenne-ontwerp had gewerkt. De MarCO-missie (Mars Cube One) bestaat uit een paar Cubesats waarvan is voorgesteld om in 2018 te vliegen met NASA's InSight-lander, die voor het eerst de tektoniek van de Rode Planeet zou meten. Terwijl InSight landt, de twee MarCO CubeSats zouden informatie over de landing terug naar de aarde doorgeven. Net als RainCube, MarCO is in de eerste plaats een technologiedemonstratie; het zou testen hoe toekomstige missies CubeSats zouden kunnen gebruiken om communicatierelais mee te nemen, waardoor onderzoekers veel sneller weten wat er op de grond gebeurt.

Het MarCO-ontwerp lijkt in niets op een typische antenne. In plaats van een ronde schaal zijn drie platte panelen bezaaid met reflecterend materiaal. De vorm en grootte van deze stippen vormen concentrische ringen die de ronding van een schaal nabootsen. Net zoals een gerecht zou kunnen, dit mozaïekpatroon van stippen focust het signaal dat wordt uitgestraald door de antennevoeding naar de aarde.

"Door nieuwe technologieën zoals deze kunnen NASA en JPL meer doen met minder, " zei John Baker van JPL, programmamanager voor MarCO. "We willen het mogelijk maken om overal in het zonnestelsel te verkennen."

Zowel RainCube als MarCO benadrukken creatieve oplossingen voor de groottelimieten van CubeSats. De volgende truc voor Chahat en zijn collega's is het combineren van die ontwerpen tot een nog grotere antenne:een reflectarray van 1 meter bij 1 meter en bestaande uit 15 platte panelen. Deze gesegmenteerde panelen zouden zich ontvouwen als het platte oppervlak van MarCo's, terwijl de voeding van de antenne zou uitschuiven zoals de antenne van RainCube. Deze antenne zou OMERA heten, kort voor de One Meter Reflectarray.

"Als we de technologie kunnen uitbreiden tot een meter, de OMERA-antenne zal de grenzen verleggen van wat tegenwoordig praktisch kan worden gevlogen op een CubeSat, " zei Tom Cwik, manager ruimtetechnologie bij JPL.

Een prototype van de OMERA CubeSat zal naar verwachting in maart 2017 gereed zijn.

"De grotere array van OMERA zal een hogere versterking opleveren voor telecommunicatietoepassingen, of zal smallere bundelbreedtes produceren voor aardwetenschappelijke behoeften, "Zei Chaha. Dat betekent dat we nog verder de ruimte in kunnen gaan en nog krachtigere en nauwkeurigere radars hebben."