Een radarmissie met hoge resolutie naar de 'boze tweeling' Venus van de aarde, een ruimtevaartuig om de krachtigste explosies in het heelal te detecteren en een observatorium voor de koele, stoffige kosmos om de oorsprong van sterren te onderzoeken:ESA's Concurrent Design Facility heeft haalbaarheidsstudies uitgevoerd van strijdende kandidaten voor de vijfde middelgrote missie in het wetenschappelijke programma Cosmic Vision van het Agentschap, gepland voor lancering in 2032.

De gelijktijdige ontwerpfaciliteit, of CDF, ziet eruit als een vluchtcontrolekamer, boven de belangrijkste suite van ruimtelaboratoria in het technische hart van ESA in Nederland. Aan elkaar gekoppelde consoles staan ​​voor een 6 meter lange multimediamuur, om vertegenwoordigers van alle disciplines van ruimtemissies te ontvangen. Echter, dit is geen plaats om satellieten te sturen, maar om ze te creëren.

Teams van experts komen hier samen om eerste studies uit te voeren van voorgestelde toekomstige missies, snel hun haalbaarheid vaststellen, vooruitlopend op de industriële ontwikkeling. De CDF heeft tot nu toe meer dan 250 onderzoeken uitgevoerd in meer dan 20 jaar operaties, waaronder talloze missies die zijn ontwikkeld voor de ruimte, zoals Solar Orbiter, Athene en OpsSat.

"Concurrent engineering houdt in dat alle benodigde experts in één ruimte worden samengebracht om in realtime samen te werken, " legt Massimo Bandechhi uit, oprichter van het CDF.

Net als een missiecontroleteam, deskundige vertegenwoordigers van alle ruimtevaartuigsystemen komen samen, inclusief structuren en configuratie, mechanismen, vlucht dynamiek, stroom, thermische controle en voortstuwing, evenals specialisten in technisch risico, organisatie en kostenbeheersing. Dit gecombineerde team werkt aan een ontwerp om de doelen van de missie binnen de gestelde massa te bereiken, kosten en tijdslimieten.

"De samenwerking is gebaseerd op een gedeeld softwaremodel van de missie. De configuratie van dit model wordt bijgewerkt als er wijzigingen in het subsysteem worden aangebracht, waarbij de impact op systeemniveau van elke update aan iedereen tegelijk wordt getoond. Met alle disciplines die op hetzelfde moment en op dezelfde plaats bijdragen, we pakken problemen vanuit alle gezichtspunten aan, om een ​​natuurlijk sequentieel proces om te zetten in iets meer 'gelijktijdig'."

De CDF heeft onlangs studies uitgevoerd van de drie M5-missiekandidaten van het ESA Science Directorate, om de missieconcepten in detail te definiëren en te zien hoe ze in de praktijk zouden werken, identificeer alle kritieke technologieën die nodig zijn om elke missie mogelijk te maken en analyseer hun waarschijnlijke ontwikkelingskosten, risico en planning.

Zich voorstellen

EnVision is een missie om een ​​radarsysteem met hoge resolutie naar onze naburige broeikasplaneet Venus te vliegen om grondbewegingen op centimeters te detecteren als bewijs van huidige vulkanische activiteit, evenals het dragen van een ondergrondse radarsirene en een reeks spectrometers om sporengassen in zijn dikke, giftige atmosfeer.

Uit de CDF-studie bleek dat de Venus-omstandigheden gevolgen hebben voor het ontwerp van het belangrijkste instrument:de radarfrequentie werd gekozen om interferentie van faseverschuivende zwavelzuurdruppeltjes in de atmosfeer te minimaliseren.

De studie beschouwde chemische en elektrische voortstuwingsopties voor het ruimtevaartuig, en onderzocht hoe EnVision gebruik kon maken van de atmosfeer van Venus om aerobrak in een baan om de aarde te brengen. Het ruimtevaartuig zou met zwarte verf rekening moeten houden met de hogere temperatuur van de baan van Venus - tweemaal de aarde normaal - 10-laags meerlaagse isolatieverpakking, heatpipes en optische oppervlaktereflectoren.

Er zijn ook thermische problemen gerezen voor het grondsegment van de missie, met cryo-koeling voorgesteld om de gevoeligheid van de antenne te maximaliseren voor het beter ophalen van missieresultaten. EnVision wordt bestudeerd als een ESA-missie met belangrijke bijdragen van NASA.

Theseus

Theseus, een acroniem voor Transient High Energy Sky en Early Universe Surveyor zou röntgen- en gammastralingsbronnen over de hele hemel detecteren. Vooral, Theseus is ontworpen om een ​​grote doorbraak te bereiken in de ontdekking van Gamma Ray Burst (GRB's) op kosmologische roodverschuivingsschalen.

Deze enorme explosies van verre sterrenstelsels worden vermoedelijk veroorzaakt door de ineenstorting van superzware sterren uit de eerste miljard jaar van het heelal, inzicht geven in de allereerste generatie sterren, en door het samensmelten van neutronensterren - het laatste type gebeurtenis produceert ook zwaartekrachtgolven.

Theseus zou een infrarood (IR) telescoop dragen, een zachte röntgenbeeldcamera en een röntgen- en gamma- (of 'y-ray') spectrometer. Door snel elke nieuwe transiënte hoge-energiebron binnen het gezichtsveld van de infraroodtelescoop te lokaliseren – tot een basislijn van minder dan 10 seconden – zal Theseus de eigenschappen kunnen karakteriseren van het gaststelsel waar de GRB plaatsvond – en vooral zijn afstand.

De CDF-studie plaatste het in een bijna-equatoriale lage baan om de aarde om het contact met grondstations te maximaliseren - waardoor het snel alarm kon slaan voor vervolgwaarnemingen op aarde. Het zou met een voldoende lage helling in een baan rond de aarde draaien om de blootstelling aan straling van de Zuid-Atlantische Anomalie tot een minimum te beperken, een knik in het beschermende magnetische veld van de aarde.

Spica

Spica is een gezamenlijk Europees-Japans project dat aanzienlijke verbeteringen biedt op het gebied van verre-infraroodspectroscopische en onderzoekscapaciteiten, in staat om door de stofwolken te turen die typisch de plaatsen van stergeboorte verduisteren.

Het zou opereren vanuit het tweede Lagrange-punt aarde-zon - 1,5 miljoen kilometer verwijderd van de aarde in de tegenovergestelde richting van de zon - met een actief gekoelde telescoop met een diameter van 2,5 m.

De CDF-studie omvatte een analyse van hoe Spica zou profiteren van het technologische erfgoed van ESA's Herschel- en Planck-missies, evenals van de houdingscontrolesystemen die nodig zijn om tussen zijn astronomische doelen te vliegen.

Er werden ook opties gegeven voor de gegevensopslag aan boord van de missie, communicatiesysteem en grondsegment, om zijn bevindingen terug te brengen naar de grond.

Volgende stappen

Alle drie de onderzoeken waren gericht op het minimaliseren van het gebruik van nieuwe technologie en het maximaliseren van commerciële kant-en-klare onderdelen, voor de beste combinatie van kosten en risico. Met de haalbaarheid van alle drie de missieconcepten vastgesteld, ze gaan nu over tot parallelle industriële contracten, om gedetailleerde ontwerpen te maken voor toekomstige donsselectie.