Die Ingenieure der Stanford University haben kürzlich einen Robotergreifer mit einem von Geckos inspirierten Klebstoff zum Sammeln von Weltraummüll entwickelt. Die Forscher haben Vorversuche in mehreren Schwerelosigkeitsumgebungen, einschließlich an Bord der Internationalen Raumstation, erfolgreich abgeschlossen.
In den letzten Jahren haben Geckos wichtige Nachrichten für ihre bemerkenswerten biotechnologischen Fähigkeiten veröffentlicht. Forscher haben die beispiellosen griffigen Füße von Geckos nachgeahmt, mit denen sie nahezu jede Oberfläche in nahezu jedem Winkel skalieren können. Jetzt verwenden Stanford-Ingenieure Gecko-Technologieein anderes menschliches Problem lösen, Weltraummüll.
Über 500.000 von Menschen verursachte Trümmer bleiben im Weltraum
Seit Sputnik I, dem ersten künstlichen Satelliten, der 1957 in die Umlaufbahn gebracht wurde, gab es einen stetigen Zustrom von Orbitalsatelliten, von denen viele inzwischen aufgegeben wurden. Derzeit mehr als 500.000 Stücke von künstlichen Weltraummüll verbleiben in der Umlaufbahn um die Erde.
Hunderttausende verlassener Satelliten verbleiben im Weltraum. [Bildquelle : NASA Space Place ]
Unter den rauen Bedingungen des Weltraums ist die Lebensdauer jedes Satelliten begrenzt. Satelliten bleiben nur so lange funktionsfähig, bis ihre Teile alt werden und sich abnutzen. Schließlich sterben alle künstlichen Satelliten ab und werden Teil der ständig wachsenden Anzahl von Weltraummülldie Erde umkreisen. Derzeit mehr als 95% von den im Orbit verbleibenden Satelliten sind nicht mehr funktionsfähig.
Weltraummüll stellt eine Bedrohung für andere Satelliten und Instrumente in der Erdumlaufbahn dar. Wenn Sie mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von Kilometern pro Stunde auf ein Stück Schurken-Weltraummüll treffen, kann dies einen anderen Satelliten zerstören oder möglicherweise einen Astronauten an Bord einer Raumstation töten. Jedes JahrViele weitere Satelliten werden in den Weltraum geschickt und überladen die Durchgänge. Die Ingenieure von Stanford möchten die Situation lindern, bevor sie zu einem großen Problem wird. Ihre vorgeschlagene Lösung besteht darin, Geckogreifer zum Extrahieren von Weltraummüll zu verwenden.
Ein von Geckos inspirierter Robotergreifer
Das Aufräumen von Weltraummüll stellt ein einzigartiges Problem dar, das herkömmliche Technologien nicht lösen können. Im Weltraum sind die Bedingungen hart. Es gibt keine Luft und es ist wahnsinnig kalt.
Typische Klebstoffe wie Klebeband können den extremen Temperaturschwankungen nicht standhalten. Durch die Hitze verändern sich die Chemikalien physikalisch und die Kälte macht alles spröde.
Aus offensichtlichen Gründen sind Saugnäpfe auch keine praktikable Lösung. Ohne Atmosphäre zur Erzeugung eines Vakuums ist ein Absaugen unmöglich.
Daher gibt es nach Ansicht von Forschern der Stanford University und des Jet Propulsion Laboratory JPL der NASA nur eine klare Lösung: Geckogreifer.
„Wir haben einen Greifer entwickelt, der von Geckos inspirierte Klebstoffe verwendet“, sagt Mark Cutkosky Professor für Maschinenbau und leitender Autor des Papiers: „Es ist ein Ergebnis der Arbeit, die wir vor etwa 10 Jahren an Kletterrobotern begonnen haben, bei denen Klebstoffe verwendet wurden, die davon inspiriert waren, wie Geckos an Wänden haften.“
Eine schwierige Situation
Geckos werden von mikroskopisch kleinen Haaren erfasst, die sich an der Spitze in noch kleinere Segmente aufspalten. Die Enden teilen sich in Milliarden von Kontaktpunkten auf. Wenn sie sich einer Oberfläche nähern, erhalten die Spitzen einen Griff von sogenannten Van-der-Waals-Kräfte .
Elektronen bestimmen weitgehend die Polarität eines Moleküls. Sie bewegen sich jedoch auch unglaublich schnell, was die Polarität eines Atoms oder Moleküls vorübergehend ändern kann. Die momentane Verschiebung gibt einem Molekül gerade genug Zeit, um sich an ein anderes zu binden. As Wissenschaft beschreibt ;
"Diese Kraft kommt von Schwankungen der Ladungsverteilungen zwischen benachbarten Molekülen, die nicht polar sein müssen; ihre Ladungsschwankungen fallen natürlich synchron und erzeugen eine anziehende Kraft."
Die Kraft ist unglaublich schwach. Durch die Verwendung von Milliarden von Kontaktpunkten wird der Griff jedoch exponentiell erhöht. In der Regel erhöht eine größere Belastung der Kontaktpunkte den Griff. Durch Verringern der Last kann der Griff daher leicht gelöst werden, da keine physischen vorhanden sindBindung.
[Bildquelle : Kurt Hickman / Stanford University ]
Stanford-Forscher nutzen diesen Effekt, indem sie Millionen mikroskopischer Klappen entlang einer flexiblen Folie implementieren. Bei Kontakt und unter Last biegen sich die Klappen, wodurch die Kontaktpunkte entstehen und das Material an einem Objekt einrasten kann.
„Es gibt viele Missionen, die davon profitieren würden, wie Rendezvous und Docking sowie die Minderung von Trümmern in der Umlaufbahn“ sagt Aaron Parness , MS '06, PhD '10, Gruppenleiter der Extreme Environment Robotics Group bei JPL: „Wir könnten schließlich auch einen Kletterroboter-Assistenten entwickeln, der auf dem Raumschiff herumkriechen, Reparaturen durchführen, filmen und auf Fehler prüfen kann.“
Geckos in den Griff bekommen
Die Mikroklappen, aus denen die Kontaktpunkte bestehen, sind um ein Vielfaches größer als die Haare am Fuß eines Geckos.
"Die Klappen des Klebstoffs haben einen Durchmesser von etwa 40 Mikrometern, während die eines Geckos etwa 200 Nanometer haben - aber der von Geckos inspirierte Klebstoff funktioniert auf die gleiche Weise." berichtet Stanford University .
Die flexiblen Eigenschaften des Klebstoffs ermöglichen es ihm, sich an ein unebenes Objekt anzupassen, ohne die Kraft seines Griffs zu beeinträchtigen. Die Flexibilität ist für einen Roboter unerlässlich, der dazu bestimmt ist, viele Satelliten aus vielen Materialien mit vielen Formen zu sammeln.
„Wenn Sie sich vorstellen, dass Sie versuchen, ein schwebendes Objekt zu erfassen, möchten Sie sich an dieses Objekt anpassen und dabei so flexibel wie möglich sein, damit Sie dieses Objekt nicht wegschieben.“ erklärt Hao Jiang , ein Doktorand im Cutkosky-Labor und Hauptautor des Papiers. “Nach dem Greifen möchten Sie, dass Ihre Manipulation sehr steif und sehr präzise ist, damit Sie keine Verzögerungen oder Erschütterungen zwischen Ihrem Arm und Ihrem Objekt spüren.”
Die Ergebnisse
Auf der Erde sind die Bedingungen im Vergleich zu den extremen Weltraumbedingungen unglaublich unterschiedlich. Dennoch haben die Stanford-Forscher, die hinter dem Projekt stehen, einfallsreiche Experimente entwickelt, um ihren Roboter auf der Erde zu testen.
Die Robotergreifer wurden in einer Vakuumkammer getestet, um ihre Griffigkeit unter Bedingungen nahe dem Vakuum zu beweisen. Die Ergebnisse waren größtenteils ein großer Erfolg und veranlassten die Forscher, die nächsten Schritte zu unternehmen, um die Fähigkeiten des Roboters in Schwerelosigkeitssituationen zu testen.
Das Team brachte den Roboter in ein speziell modifiziertes Flugzeug, das in große Höhen flog. Durch Steuern der Sinkgeschwindigkeit und Anpassen der Beschleunigung an die Schwerkraft wurde alles im Flugzeug "schwerelos".
„[Im Flugzeug] haben wir einen Roboter den anderen jagen lassen, ihn fangen und dann zurück in die Richtung ziehen, in die wir ihn haben wollten“, sagt Hawkes. „Ich denke, das war definitiv ein Augenöffner, um zu sehen, wie einEin relativ kleiner Fleck unseres Klebstoffs könnte herumziehen. a 300 Kilogramm Roboter . ”
Die NASA, die an der Technologie interessiert war, brachte mehrere kleine Stücke des Klebstoffs zur ISS, um das Material in einer Umgebung zu testen, die den extremen Bedingungen ähnelt, die weit draußen in der Erdumlaufbahn zu erwarten sind. Ähnlich wie bei den erdgebundenen Versuchen schloss die NASA die Greifer abaußerordentlich gut arbeiten.
Vielleicht beginnen die NASA und andere Behörden manchmal bald damit, die Überreste des Satellitenfriedhofs zu säubern, der die Erde umgibt und der jedes Jahr etwas größer wird.
Wo Satelliten sterben
Bei der Demontage eines defekten Satelliten haben Ingenieure normalerweise zwei Möglichkeiten.
Bei Satelliten in niedriger Umlaufbahn werden Treibstoffreserven verwendet, um den Satelliten zu verlangsamen und ihn dazu zu zwingen, der Erdanziehungskraft zu erliegen. Schließlich fällt er aus der Umlaufbahn. Der Satellit tritt wieder in die Erdatmosphäre ein, wo er verbrenntDer Satellit fällt, die durch die Reibung der Luft erzeugte Wärme verbrennt das Metall und andere Materialien schnell, bevor es wieder nach unten fällt.
Fun Fact : Objekte, die zu groß sind, um auf der Rückfahrt vollständig verbrannt zu werden, werden in ein Gebiet geführt, das als Raumfahrzeugfriedhof . Der Ort ist ungefähr so weit wie möglich von jeder Zivilisation entfernt - Klatsch in der Mitte des Südpazifiks. Fragmente, die nicht vollständig verbrennen, stürzen ab und kommen in einem wässrigen Grab zur Ruhe, weit weg von jeder ReichweiteMenschenleben.
[Bildquelle : NASA Space Place ]
Um die Umlaufbahn eines Satelliten ausreichend zu verlangsamen, ist leider eine große Menge an Treibstoff erforderlich - Treibstoff, der möglicherweise nicht mehr in der Reserve alter und verbrauchter Satelliten vorhanden ist. Manchmal ist es einfacher, einen Satelliten weiter weg zu sprengen, als ihn zu sendenZurück zur Erde.
Friedhofsumlaufbahnen
Satelliten in hoher Umlaufbahn werden häufig in die Friedhofsumlaufbahn geschickt. Mit dem verbleibenden Treibstoff können Ingenieure den Satelliten in eine Umlaufbahn bringen. 300 km über allen aktiven, die unten verbleiben. Diese Satelliten bleiben fast für immer in der Umlaufbahn 40.000 km über der Erdoberfläche.
"Also ist das das Ende für diese weit entfernten Satelliten? Für Sie und mich ist es das! Einige dieser Satelliten werden jedoch sehr, sehr lange im Orbit bleiben. Vielleicht eines Tages in derIn Zukunft müssen Menschen möglicherweise „Weltraum-Müllwagen“ schicken, um diese zu säubern. Aber zumindest für den Moment werden sie aus dem Weg sein. " NASA-Kommentare auf ihrer Website.
Mit Hunderttausenden von Satelliten, die sich noch im Orbit befinden, arbeiten Wissenschaftler derzeit an "Weltraum-Müllwagen", um das im Weltraum zurückgebliebene Chaos zu beseitigen. Schließlich gibt es eine dritte und ethischere Option, um Schurkensatelliten zu entsorgen: Extraktion undRecycling.
Obwohl es sich noch in einer frühen Prototypenphase befindet, könnten Stanfords neue, von Geckos inspirierte Greifer den Forschern endlich helfen, das Problem der Weltraummüll in den Griff zu bekommen.
Ausgewählte Bildquelle : NASA Space Place und Stanford / YouTube
Quellen : Stanford University , NASA
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Geschrieben von Maverick Baker