Wanneer satellieten breken, wat verrassend vaak is, je kunt er niet veel aan doen.

Ze worden duur en gevaarlijk wrak, jaren of generaties lang in een baan om de aarde draaien totdat de zwaartekracht hen uiteindelijk naar een vurige dood in de atmosfeer trekt.

Professor Ou Ma van de Universiteit van Cincinnati ontwikkelt robottechnologie om satellieten in een baan om de aarde te repareren in zijn Intelligent Robotics and Autonomous Systems Lab. Hij stelt zich robot-satellieten voor die kunnen koppelen aan andere satellieten voor reparaties of bijtanken.

Ma zei dat er bij elke lancering van een satelliet een miljoen dingen mis kunnen gaan. Maar voor de meeste van die storingen, er kan niets meer worden gedaan als de satelliet eenmaal is ingezet.

Een Intelsat-satelliet van 400 miljoen dollar ter grootte van een kleine schoolbus werkte dit jaar niet goed nadat hij een hoge elliptische baan had bereikt. volgens SpaceNews. Een paar van de eerste 60 Starlink-satellieten die door SpaceX werden gelanceerd, werkten dit jaar ook niet goed, maar hun lage baan om de aarde is ontworpen om in slechts een paar jaar in de vergetelheid te raken.

Misschien wel de beroemdste satellietstoring aller tijden vond plaats in 1990 toen de Hubble-ruimtetelescoop alleen werd ingezet om NASA te laten weten dat zijn dure spiegel vervormd was. Een daaropvolgende reparatiemissie aan boord van de spaceshuttle Endeavour in 1993 verving de spiegel om verbazingwekkende beelden van het universum te leveren.

Mensen naar de ruimte sturen voor satellietreparaties is onbetaalbaar, zei mama. Vier opeenvolgende Hubble-servicemissies die samen miljarden dollars kosten, werden uitgevoerd door astronauten vanuit de spaceshuttle.

Defecte satellieten hebben de meeste internationale ruimteprogramma's van Japan tot Rusland achtervolgd. Het probleem is niet beperkt tot de baan om de aarde. In 1999, een NASA-orbiter stortte neer op Mars omdat ingenieurs ponden gebruikten in plaats van metrische newtons in boegschroefsoftware. De stuwraketten vuurden met vier keer minder kracht af dan verwacht en de baan van het ruimtevaartuig was kritiek laag.

Het onvermogen om satellieten te repareren wordt een dringender probleem bij elke lancering, zei mama.

"Grote commerciële satellieten zijn duur. Ze hebben geen brandstof meer, werken niet goed of gaan kapot, "Zei Ma. "Ze zouden graag naar boven gaan om het te repareren, maar tegenwoordig is dat onmogelijk."

NASA hoopt daar verandering in te brengen. in 2022, het bureau zal een satelliet lanceren die andere satellieten in een lage baan om de aarde kan bijtanken. Het doel is om een ​​Amerikaanse overheidssatelliet te onderscheppen en bij te tanken. Het project genaamd Restore-L zal naar verwachting een proof of concept opleveren voor autonome satellietreparaties, zei NASA.

Een bedrijf uit Colorado genaamd Maxar levert de ruimtevaartuiginfrastructuur en robotarmen voor het project.

De meeste satellieten raken in onbruik omdat ze hun brandstofvoorraad opraken - niet door een kritieke storing, zei John Lymer, hoofdroboticus voor Maxar. Alleen tanken zou een zegen zijn voor de industrie, hij zei.

"Je stelt een perfect goede satelliet buiten dienst omdat hij geen benzine meer had, " hij zei.

Lymer zei dat hij bekend is met het werk dat Ma doet in zijn Intelligent Robotics and Autonomous Systems Lab.

"O mam, met wie ik jarenlang heb samengewerkt, werkt aan rendez-vous en nabijheidsorganisatie. Er zijn allerlei technische oplossingen. Sommige zullen beter zijn dan andere. Het gaat om het opdoen van operationele ervaring om erachter te komen wiens algoritmen beter zijn en wat het operationele risico het meest vermindert."

Lymer zei dat de industrie klaar is om van de grond te komen, het creëren van een zegen voor studenten lucht- en ruimtevaarttechniek zoals die aan UC.

"Ik denk dat het de toekomst is. We gaan erin kruipen - niet springen, " hij zei.

In mama's lab, studenten werken aan de geautomatiseerde navigatie die satellieten moeten koppelen aan andere satellieten in de ruimte. Het is een lastige zaak, aangezien een onbedoelde stoot in gewichtloosheid een of beide voertuigen kan doen kantelen.

"Het is gemakkelijk om hem in de ruimte te laten tuimelen omdat niets hem vasthoudt. Dan wordt de satelliet nog moeilijker te pakken. Als hij begint te tuimelen, het kan in principe voor altijd tuimelen. Het stopt niet vanzelf, ' zei mama.

Technische simulaties kunnen het dynamische gedrag van een doelsatelliet voorspellen, zodat een naderende satelliet deze veilig kan stoppen. hij zei.

"We hebben simulatietools, zodat we het gedrag nauwkeurig kunnen voorspellen, " hij zei.

"Iets in de ruimte pakken is echt moeilijk. En iets pakken dat in de ruimte tuimelt, is nog moeilijker, "Zei Ma. "Je moet heel voorzichtig zijn om het dynamische gedrag te voorspellen en nauwkeurige controles uitvoeren, zodat je de satelliet kunt 'de-tuimelen' en hem voorzichtig kunt pakken."

Ma vergeleek satellietnavigatie op afstand met de nieuwste technologie voor auto's zonder bestuurder. In zijn laboratorium, studenten testen deze algoritmen met behulp van een robot ter grootte van een schoenendoos die zich voortbeweegt op wat lijkt op een airhockeytafel. Maar het is de robot die het luchtkussen levert als een miniatuur hovercraft om de microzwaartekrachtomgeving van de ruimte na te bootsen.

Promovendus Andrew Barth legde uit hoe het werkt.

"Op dit moment is het eigenlijk gewoon een testbed. Het heeft een bereiksensoren, camera's en een traagheidsmeeteenheid die je eronder niet kunt zien, " zei hij. "Het beweegt met actuatoren en acht directionele stuwraketten om het rond de tafel voort te stuwen."

Hoewel het beperkt is tot bewegen op een X- en Y-as, de navigatieconcepten kunnen worden toegepast op drie dimensies, zei Barth.

Ma werkt ook aan de ingewikkelde robotica die een satelliet nodig heeft om reparaties op afstand uit te voeren. Zijn laboratorium heeft verschillende industriële robotarmen met zeven gewrichten die hen een volledige bewegingsvrijheid geven.

De handigste reparatiesatelliet kan meerdere taken uitvoeren, zei mama. Tijdens zijn carrière heeft hij heeft aan verschillende projecten gewerkt met betrekking tot de robotarmen aan boord van het International Space Station en het voormalige spaceshuttle-programma. Zijn handtekening zweeft in een baan om de aarde op een apparaat aan boord van het ruimtestation.

"Deze robot zal wat controletesten doen van algoritmen en sensortechnologie, "Ma zei, wijzend naar een robotarm ter grootte van een mens in zijn laboratorium. "We simuleren geen specifieke missie, maar de geteste nieuwe technologie die in toekomstige missies kan worden gebruikt."

In zijn laboratorium, Ma en UC senior onderzoeksmedewerker Anoop Sathyan ontwikkelen robotnetwerken die onafhankelijk maar samen kunnen werken aan een gemeenschappelijke taak.

Voor hun laatste onderzoek Ma en Sathyan hebben een groep robots op de proef gesteld met een nieuw spel dat touwtjes gebruikt om een ​​vastgemaakt fiche naar een aangewezen plek op een tafel te verplaatsen. Aangezien de robots elk slechts één snaar besturen, ze hebben de medewerking van de andere robots nodig om het fiche naar de juiste plek te verplaatsen door de spanning op het touwtje te verhogen of te verlagen als reactie op de acties van elke robot.

Met behulp van een kunstmatige intelligentie genaamd genetische fuzzy logic, de onderzoekers waren in staat om drie robots en vervolgens vijf robots te krijgen om het token te verplaatsen waar de onderzoekers wilden.

Hun resultaten zijn deze maand gepubliceerd in het tijdschrift Robotica .

De onderzoekers ontdekten dat door vijf robots te gebruiken, het collectief zou de taak kunnen volbrengen, zelfs als een van de robots niet goed functioneert.

"Dit geldt met name voor problemen met grotere aantallen robots waarbij de aansprakelijkheid van een individuele robot laag zal zijn, ’ concluderen de onderzoekers.

Ma heeft het grootste deel van zijn carrière een blijvende interesse in de ruimte gehad. Aan de staatsuniversiteit van New Mexico, hij ontwierp een mechanisch harnas dat een lage zwaartekracht nabootste. Students wearing the harness could "moon bounce" on a treadmill with one-sixth the gravity of Earth or make sky-high dunks on a basketball rim.

Ma said fixing satellites in space is becoming a growing priority in the aerospace industry because of the high cost of failure.

"It's not very practical yet. The technology is still being developed, " Ma said. "But I envision in five or 10 years when the technology is mature, they will begin commercializing this to go out and fix satellites."

Gordon Roesler, former program manager at the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, told Astronomy Magazine the inability to repair or modify satellites once they're launched makes no economic sense.

"There is no other [example] where we build something that's worth a half-billion dollars or a billion dollars and never look at it again, " hij zei.

Companies will have to build satellites with remote repair or service in mind. Most satellites today are too fragile even to grasp remotely without risking damage.

"So many satellites couldn't be serviced today even if you wanted to. New satellites will need access doors to accommodate basic repairs and docking targets to help with the approach, " student Barth said.

Time is of the essence. With every launch and every failed satellite, low Earth orbit is approaching the Kessler effect, the theory by Donald Kessler that satellite collisions could create a cascade of debris hampering the safety of future launches as depicted in the fictional 2013 Oscar-winning film "Gravity."

"Think of the speed of these objects. We're not talking about highway speed or even aircraft speed. They're traveling at 17, 000 mph, " Ma said.

Ma said space is a field dominated by government agencies for the purposes of exploration and discovery. But the field is at the cusp of commercialization, which promises a wealth of aerospace engineering jobs for graduates who want to pursue them.

"Eventueel, the commercialization of space will be a big industry, " hij zei.

His research is helping to push the frontiers of knowledge that will pave the way for future space projects.

"We're not developing an entire mission. We're developing the underlying technology, " Ma said. "Once the technology is proven, NASA or a commercial company would take it to the next step."

At a university where Neil Armstrong worked as an aerospace engineering professor, first steps can be big ones.