De ruimte loopt vol met rommel. "Het is niet alsof er een storm van metaal is en als je je in de ruimte waagt, word je in elkaar geslagen, " zegt professor Russell Boyce, Leerstoel Ruimtevaarttechniek bij UNSW Canberra. "Maar het risico op aanvaringen neemt toe."

Het US Air Force Space Command volgt meer dan 20, 000 stukken puin groter dan 10 centimeter breed.

Naarmate sensoren verbeteren, Boyce vermoedt dat dat aantal kan oplopen tot meer dan een half miljoen.

De overblijfselen van oude satellieten en ruimtevaartuigen, deze metaalfragmenten vliegen blindelings in een baan om de aarde met een zinderende 7,5 kilometer per seconde. Inslagen bij deze hypervelocity-snelheden zouden niet alleen vitale ruimteactiva onherstelbaar beschadigen, ze kunnen een domino-effect van vernietiging veroorzaken dat het Kessler-syndroom wordt genoemd.

In dit scenario, elke botsing zou meer puin veroorzaken, steeds meer botsingen veroorzaken totdat de ruimteomgeving verwant wordt aan een mijnenveld, decennia of langer verboden terrein voor menselijke activiteit.

Om deze ramp te voorkomen, onderzoekers over de hele wereld werken eraan om onze vaardigheden op het gebied van situational awareness (SSA) in de ruimte te verbeteren. Dat is, het vermogen om het gedrag van objecten in een baan om de aarde te bekijken en nauwkeurig te voorspellen.

UNSW Canberra heeft in vijf jaar tijd 10 miljoen dollar geïnvesteerd om de basis te leggen voor een Australisch ruimteprogramma van de volgende generatie. Boyce is de leider en zegt dat het programma de braindrain in ruimte-R&D die Australië al tientallen jaren teistert, al omkeert.

Het programma heeft onlangs meer dan $ 562 veiliggesteld, 000 van de ACT-regering in het kader van het Key Capability Area Funding Program om nieuwe infrastructuur te bouwen; staat op het punt een contract van $ 10 miljoen te ondertekenen met het ministerie van Defensie; en ontwikkelt snel het vermogen om te ontwerpen, bouw en vlieg kleine satellieten met "verstorende" payloads. Elk zal voldoen aan strategische nationale prioriteiten en specifieke doelstellingen hebben die voldoen aan nationale behoeften - variërend van monitoring van klimaatverandering tot veilige kwantumcommunicatie en SSA.

Ondanks internationale inspanningen om puin op te sporen, er zijn nog steeds aanzienlijke hiaten in ons begrip van hoe deze objecten zich in de ruimte gedragen. Afhankelijk van de grootte of vorm van een object, volgsystemen hebben er misschien maar seconden achter elkaar "ogen" op gericht, zegt Boyce. De taak is om vervolgens de baan te voorspellen en het object op de baan opnieuw te verwerven.

"Maar de onzekerheden bij het voorspellen van de banen zijn aanzienlijk. Objecten kunnen elke dag zijwaarts en kilometers op en neer drijven, " zegt hij. In de ijle atmosfeer van een lage baan om de aarde - hoogten tussen ongeveer 300 en 2, 000 kilometer – ruimtevoorwerpen botsen tegen verschillende moleculen, atomen en ionen, met het effect dat zich opbouwt om aanzienlijke koersafwijkingen te veroorzaken.

"De wetenschappelijke gemeenschap voorspelt de invloed van deze effecten vrij slecht, " zegt Boyce, en het resultaat is dat banen en mogelijke botsingen ook slecht worden voorspeld. Dit is wanneer puin het grootste risico vormt, aangezien landmeters satellietoperators niet met enige zekerheid kunnen waarschuwen als hun ruimtevaartuig zich in de vuurlinie bevindt.

Boyce en zijn team willen het giswerk wegnemen. Ze hebben een code gebouwd om de krachten te modelleren die geladen ionen op ruimtevoorwerpen uitoefenen. "De normale veronderstelling is dat geladen deeltjes precies hetzelfde effect hebben als neutrale deeltjes zoals atomen en moleculen bij het veroorzaken van weerstand, ' zegt Boyce.

"Maar dat is helemaal niet waar.

"We beginnen een nieuw veld van stromingsfysica te openen, en om enkele van de mogelijke bronnen van afwijkend gedrag te laten zien die niemand eerder heeft kunnen verklaren." Met een vloot van kleine ruimtevaartuigen die spoedig onder zijn bevel stonden, het team zal in staat zijn om "echte validatiegegevens in een baan om de aarde" te krijgen.

De eigendomsbelangen

Australië vertrouwt kritisch op gegevens uit de ruimte, voor alles van nationale veiligheid en rampenbestrijding, tot milieumonitoring en het in kaart brengen van hulpbronnen, maar het heeft geen soevereiniteit over het verkrijgen van die gegevens, zegt Boyce.

"Australië wordt in de internationale sector steeds meer gezien als freeloading, " zegt hij. "We krijgen al onze gegevens min of meer gratis en dat is een gelukkige situatie voor ons geweest. Maar daar komt langzaam een ​​einde aan."

Een binnenlandse ruimtecapaciteit, Boyce zegt, zou Australië kansen kunnen bieden om een ​​deel van de exploderende ruimtemarkt te veroveren, die in 2014 naar schatting 300 miljard dollar aan wereldwijde inkomsten genereerde, volgens een rapport van de Space Foundation.

Ontwakend uit een periode van relatieve passiviteit, de federale regering – eind 2015 – riep op tot een herziening van de Space Activities Act, en is begonnen met het wegnemen van regelgevende hindernissen die Australische entiteiten ervan weerhielden satellieten te lanceren en in de ruimte te opereren. Een van de eerste begunstigden was een STEM-onderwijsstart-up genaamd Cuberider, mede opgericht door UNSW-ingenieursstudent Solange Cunin. In december, het lanceerde de eerste lading van het land naar het internationale ruimtestation.

"De afgelopen paar jaar het nationale gesprek in Australië over de ruimte is volledig veranderd, " zegt professor Michael Frater, UNSW Canberra rector. "Wat we nu zien, de hele regering, is een begrip dat het van cruciaal belang is voor Australië om in de ruimte te opereren, zowel vanuit veiligheidsoogpunt als economisch. Daar krijgen we wat krediet voor.

"We willen dat Australië een echt levendige ruimtevaartindustrie heeft met belangrijke activiteiten in de ruimte en we willen een leidende rol spelen om dat mogelijk te maken."

Twee jaar in het vijfjarenplan, het initiatief loopt voor op schema. Boyce zegt:"We hebben nu de grootste ruimtecapaciteit van alle universiteiten in het land, en het grootste ruimteteam", waaronder een handvol inlandse ruimtewetenschappers en ingenieurs die uit het buitenland zijn meegebracht. "Ik zou zeggen dat het de meest uitgebreide verzameling ruimtetalent in Australië is voor ruimtemissies, ontwikkeling en werking."

Dokter Tony Lindsay, die 28 jaar bij de Defense Science and Technology (DST) Group werkte en nu de directeur is van Lockheed Martin's STELaRLab, zegt Boyce en het leiderschapsteam van UNSW Canberra hebben aangetoond dat ze de paradigmaverschuiving in kansen voor Australië door de opkomst van kleine satellieten begrijpen.

"Hun grootste deugd is dat ze beslissend zijn geweest. Ze realiseerden zich dat de wereld aan het veranderen was, dat Australië een aanzienlijk niveau van latente capaciteit in het gebied had, en ze hebben snel een leidende positie ingenomen binnen de gemeenschap. Ze werkten al vroeg samen om te profiteren van de bestaande programma's van Defensie, en toonden aan dat ze in korte tijd een kwaliteitsteam konden samenstellen."

Disruptieve mogelijkheden

Acht ruimtevaartuigen zijn momenteel gepland via UNSW Canberra Space, met vijf volledig gefinancierd. De eerste, gepland om medio 2017 te vliegen, maakt deel uit van het Buccaneer Program met de DST Group. Naast het verbeteren van de SSA-mogelijkheden, deze kleine satelliet zal kalibratie-experimenten uitvoeren voor de wereldleider in Australië, over-horizon Jindalee Operational Radar Network (JORN) vanuit een lage baan om de aarde.

Drie ruimtevaartuigen zijn gepland met de Royal Australian Air Force (RAAF), en een andere met de Britse RAL Space die speciale lasersensoren zal gebruiken om het methaangehalte in de bovenste atmosfeer te detecteren, waardevolle bijdragen leveren aan de klimaatwetenschap.

Een ontwikkeling waar Boyce en zijn team erg enthousiast over zijn, is hun routekaart om satellieten te lanceren die zijn uitgerust met in Australië ontwikkelde kwantumtechnologieën. Deze omvatten koude-atoomsensoren voor ultraprecieze tijdmetingen, positionering, versnelling en zwaartekracht, in ontwikkeling aan de Australian National University (ANU), en kwantumcommunicatietechnologieën, die ultraveilige informatie doorgeeft via licht, ofwel tussen satellieten in de ruimte, of tussen satellieten en grondstations.

Fase één is een 'pathfinder-project' met de National University of Singapore, die al ruimteklare kwantumhardware heeft, zegt Boyce.

"Samen streven we ernaar om als eerste in een baan om de aarde te demonstreren, de uitwisseling van kwantumgecodeerde informatie van het ene ruimtevaartuig naar het andere, en om te zien hoe ver we het ruimtevaartuig uit elkaar kunnen krijgen en toch die veilige verbinding kunnen behouden." In afwachting van de bijna voltooide haalbaarheidsstudie, en vervolgens de financiering rond te krijgen, de missie zou in 2019 kunnen vliegen.

Naast de geplande missies, UNSW Canberra heeft twee nieuwe graden gelanceerd, een Master of Space Engineering en een Master of Space Operations. Het ontwikkelt een grondstation voor het verzenden en ontvangen van kwantumgecodeerde communicatie, en bouwt een ultramoderne ontwerpfaciliteit voor ruimtemissies. Dit zal missies stroomlijnen, en dienen als opleidingscentrum voor partners uit de industrie, overheid en onderzoeksinstituten.

"We zullen de gastheer zijn van een nationale faciliteit, aan de voorkant van, Hopelijk, elke ruimtemissie die Australië doet, ", zegt Boyce. "Dat plaatst UNSW in een zeer strategische positie."

De weg naar Canberra

De lucht wenkte altijd voor Boyce. Opgegroeid in Papoea-Nieuw-Guinea en Sydney, hij droomde ervan om RAAF-piloot te worden.

Toen vliegende straaljagers buiten bereik waren, Boyce volgde een Bachelor of Science aan de ANU, het behalen van de universitaire medaille in de natuurkunde. Hij bleef om een ​​doctoraat te behalen in hypersonics - de wetenschap van lucht- en ruimtevaartuigen die aanzienlijk sneller reizen dan geluid, bij snelheden boven Mach 5.

Zijn eerste academische functie was bij UNSW Canberra vanaf 2001, en hij kneep in wat vliegtraining, op het punt komen om solo te vliegen. Hij zegt dat de ervaring hem 'street cred' gaf bij het onderwijzen van aerodynamica aan het ADFA-topkanoncohort.

Na bijna zeven jaar bij UNSW Canberra, Boyce nam de leerstoel voor Hypersonics aan de Universiteit van Queensland, waar hij uiteindelijk de directeur van SCRAMSPACE zou worden, het internationale programma van 14 miljoen dollar van de universiteit om een ​​hypersonische scramjet-motor te bouwen en te testen.

Het was een baanbrekende, maar noodlottig project. De lading van de scramjet werd in september 2013 gelanceerd vanaf een Noorse raketreeks in de poolcirkel. Bijna onmiddellijk na het opstijgen, Boyce wist dat er iets mis was. De raket moest de scramjet naar een hoogte van 350 kilometer brengen, waar het zijn afdaling zou beginnen. Maar op slechts 1, 500 meter begon de raket hevig te wiebelen, een spiraal van witte rook laten bloeden.

"Toen ik opkeek, zag ik alleen dit patroon van een kurkentrekker, en ik wist meteen dat dit het einde van de vlucht was, " zegt Boyce. Minuten later, de lading van de scramjet maakte een duikvlucht in de ijskoude zee, slechts een paar kilometer van het lanceerbereik.

Het team leerde in de nasleep, dat hun testvlucht werd gekaapt door een defecte motor in een van de raketten. De scramjet was klaar om te vliegen, blijkt uit de verzamelde gegevens, maar een tegenslag buiten de controle van het team betekende dat het nooit in staat was om de maximale snelheid te halen.

Een paar maanden voor de lancering, Boyce had een workshop bijgewoond als voorzitter van het National Committee for Space and Radio Science van de Australian Academy of Science. De keynote speaker was de missieleider van SSA bij het US Air Force Research Laboratory.

Hij stelde dat het grillige gedrag van ruimtepuin een van de grote uitdagingen was voor het gebruik van de ruimte, en vereist dat mensen "opstaan" om een ​​"high-fidelity, op fysica gebaseerde" oplossing.

"Ik merkte dat ik me realiseerde dat dit precies is wat ik doe met hypersonics - het is alleen met hogere snelheden en grotere hoogten, " herinnert Boyce zich, die vervolgens solliciteerde naar de leerstoel Ruimtevaarttechniek bij UNSW Canberra en werd aangenomen om kort na SCRAMSPACE te beginnen.

voor frater, Boyce lag voor de hand:"Om een ​​programma als dit te regisseren, je hebt iemand nodig die toonaangevend is in het onderzoek dat ze doen, maar is ook in staat om de netwerken op te bouwen die nodig zijn om iets groots en ambitieus te doen, ", zegt Frater. "Russell is absoluut de ideale persoon om het team te leiden."

Een duurzame ruimtevaartindustrie

Er rust veel op Boyce's schouders, maar hij heeft alleen gegarandeerde financiering tot 2019. Verder, hij moet ervoor zorgen dat UNSW Canberra Space zelfvoorzienend is.

De meevaller van $ 10 miljoen van Defensie is bemoedigend, en er zouden meer contracten in de pijplijn kunnen zitten, maar er moet een delicaat evenwicht worden gevonden. Terwijl hij zich richt op strategische partnerschappen, Boyce wil niet dat zijn team als een adviesbureau gaat opereren en het risico loopt intellectueel eigendom te verliezen.

"We spelen meer een lang spel, zodat we meer gelijkwaardige partners kunnen worden in ruimtemissies, in plaats van te eten van de restjes van de tafel, "zegt hij. "Dit gaat over meer dan alleen UNSW Canberra of een missie, "zegt hij. "Het gaat om het bouwen van een duurzame huishoudruimte, in staat zijn om het met onze eigen handen te doen, in plaats van het aan anderen over te laten."

Het zal tijd worden.

Overtuigende visie

Ballingschap is niet een woord dat je vaak hoort in de context van universitair onderwijs, maar dat is precies de tag die ruimtesysteemingenieur Douglas Griffin, de ruimtevaartprogrammamanager bij UNSW Canberra, werd gelabeld met na zijn doctoraat in hypersonics in 1995.

Na het behalen van zijn doctoraat aan de Universiteit van Queensland kreeg Dr. Griffin van zijn promotor te horen:de eminente professor Ray Stalker, dat als hij "in hightech wilde blijven, hij naar het buitenland moest".

"Hij gebruikte eigenlijk de term 'zelfopgelegde ballingschap' - omdat er niets voor mij was in Australië, " herinnert Griffin zich. Met zijn zinnen op de ruimte, hij ging naar Europa en bracht drie jaar door in Italië bij een overheidslaboratorium en een privébedrijf, nu eigendom van Thales.

In 2001 verhuisde hij naar het Rutherford Appleton Laboratory (RAL Space) in het Verenigd Koninkrijk, waar hij leiding gaf aan de ontwikkeling van camera's voor de grootste astronomische ruimtetelescoop van de European Space Agency, en voor de Solar Orbiter van het agentschap, die binnen de banen van Mercurius en Venus zal komen om enkele van de meest gedetailleerde beelden van de zon te maken.

Het was een soort 'carrièregok' om terug te keren naar Australië waar 'ruimte niet bestond', maar hij werd gedwongen door 'het visioen dat Boyce schilderde'.

"Dit zijn niet alleen speelgoedmissies, gedaan om een ​​ruimtevaartuig te bouwen, "zegt hij. "Dit zijn echte ruimtemissies met interessante doelstellingen."

"Russell is een persoon met een groot plaatje - wat hij zo goed doet, is een visie inspireren en deze aan mensen communiceren, en hij zorgt ervoor dat ze erin kopen. Dat is een van zijn sterke punten."