Ingenieure der Stanford University haben kürzlich einen Robotergreifer mit einem von Gecko inspirierten Klebstoff entwickelt, der zum Sammeln von Weltraummüll verwendet wird. Die Forscher haben erfolgreich Vorversuche in verschiedenen Schwerelosigkeitsumgebungen abgeschlossen, darunter an Bord der Internationalen Raumstation.
In den letzten Jahren haben Geckos wegen ihrer bemerkenswerten biotechnologischen Fähigkeiten Schlagzeilen in den Schlagzeilen gemacht. Forscher haben die unvergleichlich griffigen Füße von Geckos nachgeahmt, mit denen sie fast jede Oberfläche in fast jedem Winkel erklimmen können. Jetzt nutzen die Stanford-Ingenieure Gecko-Technologie, umein anderes menschliches Problem lösen, Weltraummüll.
Über 500.000 Teile von menschengemachten Trümmern bleiben im Weltraum
Seit Sputnik I, der erste künstliche Satellit, der 1957 in die Umlaufbahn geschossen wurde, gab es einen stetigen Zustrom von Orbitalsatelliten - von denen viele seitdem aufgegeben wurden. Derzeit mehr als 500.000 Stücke von künstlichem Weltraummüll bleiben im Orbit um die Erde.
Hunderttausende verlassener Satelliten bleiben im Weltraum. [Bildquelle: NASA-Weltraumplatz]
Unter den rauen Bedingungen des Weltraums ist die Lebensdauer jedes Satelliten begrenzt. Satelliten bleiben nur so lange funktionsfähig, bevor ihre Teile alt werden und sich abnutzen. Irgendwann werden alle künstlichen Satelliten sterben und Teil der ständig wachsenden Zahl von Weltraumschrott werdenumkreist die Erde. Derzeit mehr als 95 % der im Orbit verbliebenen Satelliten sind nicht mehr funktionsfähig.
Weltraumschrott stellt eine Bedrohung für andere Satelliten und Instrumente im Orbit um die Erde dar. Bei einer Fluggeschwindigkeit von Tausenden von Kilometern pro Stunde könnte ein Einschlag eines Schuttstücks einen anderen Satelliten zerstören oder möglicherweise einen Astronauten an Bord einer Raumstation töten. Jedes Jahr, werden viele weitere Satelliten in den Weltraum geschickt und verstopfen Gänge. Stanford-Ingenieure wollen die Situation entschärfen, bevor sie zu einem großen Problem wird. Ihre vorgeschlagene Lösung besteht darin, Gecko-Greifer zu verwenden, um Weltraumschrott zu entfernen.
Ein von Gecko inspirierter Robotergreifer
Das Aufräumen von Weltraummüll stellt ein einzigartiges Problem dar, das mit herkömmlichen Technologien nicht gelöst werden kann. 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 auch Saugnäpfe keine praktikable Lösung. Ohne eine Atmosphäre, um ein Vakuum zu erzeugen, ist Saugen unmöglich.
Daher gibt es nach Ansicht von Forschern der Stanford University und des Jet Propulsion Laboratory JPL der NASA nur eine klare Lösung: Gecko-Greifer.
„Was wir entwickelt haben, ist ein Greifer, der Gecko-inspirierte Klebstoffe verwendet“, sagt Mark Cutkosky, Professor für Maschinenbau und leitender Autor des Artikels. „Es ist ein Ergebnis der Arbeit, die wir vor etwa 10 Jahren an Kletterrobotern begonnen haben, die Klebstoffe verwendet haben, die davon inspiriert sind, wie Geckos an Wänden kleben.“
Eine schwierige Situation
Geckos bekommen ihren Halt von mikroskopisch kleinen Haaren, 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, bekommen die Spitzen einen Griff von dem, was als bekannt istVan-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.Wissenschaftbeschreibt;
"Diese Kraft kommt von Fluktuationen in der Ladungsverteilung zwischen benachbarten Molekülen, die nicht unbedingt polar sein müssen; ihre Ladungsfluktuationen fallen natürlich synchron und erzeugen eine anziehende Kraft."
Die Kraft ist unglaublich schwach. Die Verwendung von Milliarden von Kontaktpunkten erhöht jedoch den Griff exponentiell. Normalerweise erhöht eine größere Belastung der Kontaktpunkte den Griff. Daher wird der Griff durch die Verringerung der Last leicht gelöst, da es keine physischenBindung.
[Bildquelle: Kurt Hickman/Stanford University]
Stanford-Forscher machen sich diesen Effekt zunutze, indem sie Millionen von mikroskopisch kleinen Klappen entlang einer flexiblen Folie implementieren. Bei Kontakt und unter Belastung verbiegen 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 Andocken und orbitale Trümmerminderung", sagt Aaron Parness, MS '06, PhD '10, Gruppenleiter der Extreme Environment Robotics Group am JPL. „Wir könnten schließlich auch einen Kletterroboter-Assistenten entwickeln, der auf dem Raumfahrzeug herumkriechen, Reparaturen durchführt, filmt und auf Defekte überprüft.“
Geckos in den Griff bekommen
Die Mikrolappen, die die Kontaktpunkte umfassen, sind um ein Vielfaches größer als die Haare am Fuß eines Geckos.
"Die Laschen des Klebstoffs haben einen Durchmesser von etwa 40 Mikrometern, während die eines Geckos etwa 200 Nanometer groß sind – aber der von Geckos inspirierte Klebstoff funktioniert ähnlich." berichtet Stanford University.
Die flexiblen Eigenschaften des Klebstoffs ermöglichen es, sich einem unebenen Objekt anzupassen, ohne die Griffkraft zu beeinträchtigen. Die Flexibilität ist für einen Roboter, der viele Satelliten aus vielen Materialien mit vielen Formen sammeln soll, unerlässlich.
"Wenn Sie sich vorstellen, dass Sie versuchen, ein schwebendes Objekt zu greifen, möchten Sie sich diesem Objekt anpassen und gleichzeitig so flexibel wie möglich sein, damit Sie dieses Objekt nicht wegstoßen" erklärt Hao Jiang, Doktorand im Cutkosky-Labor und Hauptautor des Artikels. „Nach dem Greifen möchten Sie, dass Ihre Manipulation sehr steif und sehr präzise ist, damit Sie keine Verzögerungen oder Schlaffheit zwischen Ihrem Arm und Ihrem Objekt spüren.“
Die Ergebnisse
Auf der Erde sind die Bedingungen unglaublich anders als die extremen Bedingungen im Weltraum. Trotzdem haben die Stanford-Forscher hinter dem Projekt einfallsreiche Experimente entwickelt, um ihren Roboter auf der Erde zu testen.
Die Robotergreifer wurden in einer Vakuumkammer getestet, um ihre Greiffähigkeiten unter nahezu Vakuumbedingungen zu beweisen. Die Ergebnisse waren größtenteils ein großer Erfolg und veranlassten die Forscher, die nächsten Schritte zum Testen der Fähigkeiten des Roboters in Situationen der Schwerelosigkeit zu unternehmen.
Das Team brachte den Roboter in ein speziell modifiziertes Flugzeug, das in große Höhen flog. Dann wurde durch die Kontrolle der Sinkgeschwindigkeit und die Anpassung seiner Beschleunigung an die Schwerkraft alles im Inneren des Flugzeugs "schwerelos".
„[In the plane] wir hatten einen Roboter, der den anderen jagte, ihn schnappte und dann dorthin zurückzog, wo wir ihn haben wollten“, sagt Hawkes. „Ich denke, das war definitiv ein Augenöffner, zu sehen, wie einrelativ kleiner Fleck unseres Klebers könnte herumziehen a300 Kilogramm Roboter.”
Die an der Technologie interessierte NASA 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 Greiferfunktioniert außerordentlich gut.
Vielleicht beginnen die NASA und andere Behörden manchmal bald damit, die Überreste des die Erde umgebenden Satellitenfriedhofs zu beseitigen, der jedes Jahr ein wenig größer wird.
Wo Satelliten sterben
Wenn es darum geht, einen stillgelegten Satelliten zu demontieren, haben Ingenieure normalerweise eine von zwei Möglichkeiten.
Bei Satelliten in niedriger Umlaufbahn werden Treibstoffreserven verwendet, um den Satelliten zu verlangsamen, wodurch er gezwungen wird, der Anziehungskraft der Erde zu erliegen. Schließlich wird er aus der Umlaufbahn fallen. Der Satellit tritt wieder in die Erdatmosphäre ein, wo er verbrenntSatellit fällt, die durch die Reibung der Luft erzeugte Hitze verbrennt das Metall und andere Materialien schnell, bevor sie wieder nach unten sinken.
Fun Fact: Gegenstände, die auf dem Rückweg zu groß sind, um sie vollständig zu verbrennen, werden in einen Bereich geleitet, der als bekannt ist. Raumschiff-Friedhof. Der Ort ist so weit wie möglich von jeder Zivilisation entfernt - mitten im Südpazifik. Fragmente, die nicht vollständig verbrennen, stürzen ab und kommen in einem wässrigen Grab zur Ruhe, weit weg von allen ReichweitenMenschenleben.
[Bildquelle: NASA-Weltraumplatz]
Leider erfordert eine ausreichende Verlangsamung der Umlaufbahn eines Satelliten eine große Menge Treibstoff - Treibstoff, der in den Reserven alter und verbrauchter Satelliten möglicherweise nicht mehr vorhanden ist. Manchmal ist es einfacher, einen Satelliten weiter weg zu sprengen als ihn zu sendenZurück zur Erde.
Friedhofsbahnen
Satelliten in hoher Umlaufbahn werden oft in die Friedhofsbahn geschickt. Mit dem wenigen verbleibenden Treibstoff können Ingenieure den Satelliten in eine Umlaufbahn katapultieren.300 km über allen aktiven verbleibenden darunter. Diese Satelliten bleiben für immer im Orbit, fast 40.000 km über der Erdoberfläche.
"Ist das also das Ende für diese weit entfernten Satelliten? Was Sie und mich betrifft, ist es das! Einige dieser Satelliten werden jedoch sehr, sehr lange im Orbit bleiben. Vielleicht eines Tages in derIn Zukunft müssen die Menschen möglicherweise "Weltraummüllwagen" schicken, um diese zu reinigen. Aber zumindest werden sie für den Moment aus dem Weg sein." NASA-Kommentare auf ihrer Website.
Da Hunderttausende von Satelliten im Orbit verbleiben, arbeiten Wissenschaftler jetzt an "Weltraummüllwagen", um das im Weltraum zurückgelassene Chaos zu beseitigen. Schließlich gibt es eine dritte und ethischere Möglichkeit, Schurkensatelliten zu entsorgen: Extraktion undRecycling.
Obwohl es sich noch in einer frühen Prototypenphase befindet, könnten Stanfords neue Gecko-inspirierte Greifer den Forschern endlich helfen, das Weltraummüllproblem der Erde in den Griff zu bekommen.
Ausgewählte Bildquelle: NASA-Weltraumplatz und Stanford/YouTube
Quellen: Stanford University, NASA
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Geschrieben von Maverick Baker