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Jul 19, 2023

Details zum CIF-Gewinner 2011

Die vollständige Liste der Gewinner finden Sie unter: https://www.nasa.gov/ames-cct/cif/cif-archive Die Strahlungserwärmung beim Wiedereintritt wird sehr wichtig, wenn die Fahrzeuge größer werden und mit hoher Geschwindigkeit einfahren. Der

Die vollständige Liste der Gewinner finden Sie unter:https://www.nasa.gov/ames-cct/cif/cif-archive

Die Strahlungserwärmung beim Wiedereintritt wird sehr wichtig, wenn Fahrzeuge größer werden und mit hoher Geschwindigkeit einfahren. Die Besonderheiten der Strahlung hängen von den Fahrzeugeigenschaften, der Geschwindigkeit und der Atmosphäre ab. Die Strahlungserwärmung erfolgt sehr früh beim Wiedereintritt und bei bestimmten Wellenlängen, abhängig von der Atmosphäre. Wärmeschutzsysteme, die solche Wärmeströme bewältigen können, können sehr schwer sein. Eine Alternative besteht darin, einen Hitzeschild herzustellen, der die Strahlung reflektieren kann. Ein Ansatz zur Strahlungsreflexion sind photonische Effekte. Photonische Effekte beruhen auf geordneten Strukturen in der gleichen Größe wie die Strahlung, und obwohl die Herstellung solcher Strukturen möglich ist, ist sie derzeit zeitaufwändig und teuer.

Ein alternativer Ansatz besteht darin, die in der Natur vorkommenden geordneten Strukturen zu nutzen, um Materialien herzustellen, die zur Reflexion von Strahlung verwendet werden können. Dieses Projekt untersucht diesen Ansatz zur Bildung strahlungsreflektierender Materialien.

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Herkömmliche bildgebende Raumfahrzeuge sind in bestimmten Umlaufbahnen fixiert und können kostspielig in der Neuausrichtung sein oder eine lange Entwicklungszeit vor dem Start erfordern. Im Gegensatz dazu können kleine Raumfahrzeuge, die dem CubeSat-Standard entsprechen, viel schneller gebaut werden und als sekundäre Nutzlast auf einer Vielzahl von Trägerraketen in die Umlaufbahn gelangen.

Trotz ihres breiten Einsatzes in Universitäten und wissenschaftlichen Gemeinschaften wurde das einzigartige Potenzial von Nanosatelliten für hochwertige, kostengünstige und schnell einsetzbare Bildgebungsanwendungen noch nicht erfolgreich ausgeschöpft.

Innerhalb der Nanosatellitengemeinschaft wurde eine Fülle von Schlüsseltechnologien entwickelt, darunter Antrieb, ADCS, Startsysteme und Kommunikation, die einen kostengünstigen, schnellen Einsatz mit präzisen Positionierungs- und Ausrichtungsmöglichkeiten für Raumfahrzeuge ermöglichen. Diese in ein ausfahrbares Teleskop integrierten Innovationen ergeben ein kompaktes Bildgebungssystem mit beispielloser Missionsflexibilität und Leistung zu einem Bruchteil der Kosten eines Standard-Bildgebungssystems.

Die Möglichkeit, ein 15-20-cm-Teleskop in einen 6U-Nanosatelliten zu integrieren, zeigt die Anwendbarkeit von Nanosatelliten für Weltraumwissenschafts-, Betriebs- und Explorationsanwendungen, die bisher größere Plattformen erforderten, und stellt kostengünstige integrierte optische Technologien vor. Das Ziel dieses Projekts besteht darin, hochpräzise, ​​auf dem Tisch einsetzbare Teleskopstrukturen zu konstruieren. Zu den Produkten dieses Projekts gehören: optische Komponenten mit niedriger Wiedergabetreue zur Überprüfung und Verfeinerung des Einsatzes; Auswahl und Integration von Sonnenschutz- und Prallmaterial; Validierung der Steifigkeit und Wiederholbarkeit des Fachwerkrohrs des eingesetzten Teleskops zur Bestimmung der Kollimationsanforderungen; vorläufiger Entwurf von Primär- und Sekundärspiegeln und Ermittlung der Anforderungen an optische und Blendtoleranzen.

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Für die anspruchsvollsten atmosphärischen Wiedereintrittsmissionen werden ablative Materialien benötigt. Bei diesen Materialien handelt es sich häufig um Kohlenstofffasern, die in eine Phenolpolymermatrix eingebettet sind. Bei hoher Temperatur wird Phenol einer Pyrolyse unterzogen, bei der das Polymer in einen reinen Kohlenstofffeststoff namens Kohle umgewandelt wird. Derzeit gibt es keine robuste Berechnungsmethode für die Pyrolyse, um die Verbesserung der Materialien von Wärmeschutzsystemen (TPS) zu steuern oder Vorhersagen über die TPS-Leistung unter Betriebsbedingungen zu treffen.

Viele NASA-Missionen, darunter bemannte Missionen zum Mars, sind mit den aktuellen ablativen Materialien nicht möglich. In diesem Projekt werden verschiedene Rechenmethoden zur Modellierung der Phenolpyrolyse untersucht, um die Entwicklung neuartiger Materialien zu steuern/beschleunigen und deren Verhalten unter Betriebsbedingungen zu verstehen.

Computermodellierung wird die schnelle und effiziente Entwicklung der nächsten Generation von Hochleistungsablatoren ermöglichen, die für NASA-Einstiegsfahrzeuge von entscheidender Bedeutung sind. Beispielsweise ist die Pyrolyse von Phenolpolymeren ein chemisch reaktiver Prozess, der für die ablative TPS von grundlegender Bedeutung ist, die grundlegende Chemie der Pyrolyse ist jedoch nicht gut verstanden. Ein verbessertes Verständnis wird (1) das Design neuer, neuartiger ablativer Materialien erleichtern und (2) die für das TSP-Design verwendeten Materialreaktionsmodelle verbessern.

Das Hauptprodukt dieses Projekts wird eine Bewertung von Simulationsmethoden für die Phenolpyrolyse sein. Eine neue Fähigkeit dieser Methoden kann dann auf eine Reihe von Problemen bei der rechnerischen Modellierung ablativer Materialien angewendet werden.

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Der am schnellsten wachsende Bereich der Entwicklung medizinischer Therapeutika ist der Bereich der Peptid- und Proteintherapeutika. Ein neuartiger Ansatz zur Behandlung von Weltraumstrahlungskrankheiten bestünde darin, Zellen in den Körper zu implantieren, die vorprogrammiert sind, um als Reaktion auf Strahlung, beispielsweise bei einem Sonnenpartikelereignis, Wirkstoffe abzugeben. Dieser Ansatz würde eine schnellere Reaktion auf die Strahlengefahr und eine physiologischere Dosierung für eine wirksamere Behandlung ermöglichen. Im Allgemeinen haben Protein- und Peptidtherapeutika eine begrenzte Haltbarkeitsdauer (1–2 Jahre); Die Implantationstechnologie umgeht dieses Problem für Langzeitraumreisen (3+ Jahre). Um die Vision der Zellimplantation zur Produktion therapeutischer Proteine ​​zu verwirklichen, ist die Technologie zur Einkapselung der Zellen von entscheidender Bedeutung: um die Abstoßung der Zellen durch das Immunsystem des Wirts zu verhindern und die Freisetzung therapeutischer Wirkstoffe aus der Kapsel zu ermöglichen. Die bei der NASA Ames entwickelte poröse Kohlenstoffnetzwerktechnologie könnte eine Methode für die erfolgreiche Einkapselung von Zellen, die therapeutische Proteine ​​absondern, bereitstellen, die den medizinischen Anforderungen von Langzeit-Raumflügen gerecht wird.

In dieser Studie werden wir wichtige Proof-of-Concept-Tests einer neuartigen Zellverkapselungstechnologie durchführen, die für die Bereitstellung von Protein- und Peptidtherapeutika für Anwendungen in der Weltraummedizin verwendet werden könnte. Die von ARC entwickelte Technologie verwendet poröse Kohlenstoffnetzkapseln, um Zellen einzuschließen und als „Immunschild“ zu dienen, um zu verhindern, dass die Zellen vom Immunsystem des Wirts abgestoßen werden. Die Poren der Kapsel ermöglichen die Freisetzung der therapeutischen Wirkstoffe aus der Kapsel. Das Verkapselungskonzept ist eine Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl von Anwendungen der synthetischen Biologie, bei denen eine Kompartimentierung der manipulierten Zellen erforderlich ist.

Dieses Projekt wird einen völlig neuen Ansatz für die Bereitstellung proteintherapeutischer Wirkstoffe eröffnen, ein Bereich, der viele Jahre lang durch den Mangel an geeignetem Verkapselungsmaterial behindert wurde. Der Erfolg wird auch einen bedeutenden Fortschritt in der Vision der NASA für eine autonome medizinische Versorgung bei Langzeitflügen im Raum bedeuten. Die primären Auswirkungen werden zunächst im Bereich der medizinischen Versorgung zur Behandlung von Weltraumstrahlungskrankheiten liegen, dem Gesundheitsbereich Nr. 1 bei Langzeit-Raumflügen. Letztlich betrachten wir dies jedoch als Plattformtechnologie. Wir gehen davon aus, dass die Verkapselungstechnologie in der Lage sein wird, neue Peptid- und Proteintherapeutika aufzunehmen, die in Zukunft entwickelt werden. Im weiteren Sinne betrachten wir die Verkapselungstechnologie als „Ermöglichungstechnologie“ für den Bereich der Synthetischen Biologie, da sie eine generische Plattform bietet, die für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann, bei denen die Kompartimentierung von manipulierten Zellen erforderlich ist.

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Aktuelle Hybridraketen haben aufgrund der begrenzten Treibstoffleistung nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten. Diese Hybridtreibstoffraketen verwenden festes Paraffin als Treibstoffbasis und fügen Aluminiumpartikel hinzu, um die Verbrennungsrate zu erhöhen. Allerdings führt der Aluminiumzusatz dazu, dass das Paraffin beim Brennen auseinanderbricht. Damit Hybridraketen ihr Potenzial entfalten können, sind Durchbrüche bei der Treibstoffverbrennungsrate und den physikalischen Eigenschaften erforderlich.

Kürzlich wurde ein neuartiger hochgespannter Kohlenwasserstoff namens Ivyan synthetisiert, der nachweislich die höchste Spannungsenergie aller bisher hergestellten Kohlenwasserstoffe aufweist. Die Efeu-Paraffin-Mischung sollte eine schnellere Verbrennungsrate haben, da Efeu eine höhere Energiedichte aufweist. Die Zugabe von Ivyane zu Paraffin sollte im Vergleich zur Zugabe von Aluminiumpartikeln zu einer verbesserten Leistung führen. Gesiebte Kohlenwasserstoffzusätze wie Ivyane können verwendet werden, um die Leistung von Hybridraketen zu steigern, indem sie die Verbrennungsrate erhöhen und die Fragmentierung von Paraffintreibstoff verringern, wodurch die Wirksamkeit von Hybridraketen erhöht und gleichzeitig ihre inhärente Sicherheit aufrechterhalten wird. Dieser Ansatz könnte die Hybridraketentechnologie für ein breiteres Spektrum von Weltraumanwendungen kostengünstig machen.

Ziel dieses Projekts ist es, die Machbarkeit der Herstellung von Ivyan-Paraffin-Mischungen zu demonstrieren und ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren. Dieses Projekt hat folgende konkrete Ziele:

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Wir untersuchen die Missionsarchitektur für die Rückgabe von Marsproben. Ziel ist es, Architekturlösungen zu erforschen, die mit einem einzigen Mars-Start Proben zur Erde zurückbringen. Wir werden einen Lander der nächsten Generation untersuchen, der von Space X Corp. entwickelt wird. das in der Lage ist, als Landesystem eine Nutzlast von 1 MT auf die Marsoberfläche zu befördern. Zu den gelandeten Missionselementen gehört ein Raumfahrzeugstapel bestehend aus einem Mars Ascent Vehicle (MAV) und einem Earth Return Vehicle (ERV), die gemeinsam einen Probenkanister vom Mars zurück in die Erdumlaufbahn befördern. Das MAV wird eine ein- oder zweistufige chemische Treibstoffrakete verwenden, um eine Trans-Erde-Injektion zu erreichen, wo es das ERV auf dem Weg zur Erde platzieren wird. Die Studie wird den Handel zwischen chemischem und elektrischem Antrieb für das ERV sowie zwischen der direkten Rückkehr des ERV zur Erde und dem Mars-Orbit-Rendezvous untersuchen. Die Nutzlast des Landers umfasst Probensammelhardware wie einen Arm, einen Bohrer oder einen kleinen Rover. Die Verpackung des MAV/ERV und der Hardware zur Probenentnahme wird ein wichtiges Studienprodukt sein. Die Studie wird die folgenden Elemente untersuchen:

Das Endprodukt wird ein Bericht sein, in dem die Ergebnisse der Analyse detailliert aufgeführt sind.

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Gesteine ​​in der Erdkruste enthalten in ihren Mineralien bisher unerkannte Defekte, die bei mechanischer Beanspruchung des Gesteins elektronische Ladungsträger freisetzen. Diese Ladungsträger sind Defektelektronen im Sauerstoffanionen-Untergitter O– in einer Matrix aus O2–, die als positive Löcher bekannt sind. Diese Ladungsträger haben einige wirklich erstaunliche Eigenschaften. Sie können aus dem belasteten Volumen ausfließen und sich in das umliegende, unbelastete Gestein ausbreiten. Wichtig für dieses Projekt ist die Tatsache, dass die mit diesen positiven Löchern verbundene Wellenfunktion offenbar stark delokalisiert ist, was bedeutet, dass Hunderte ihrer O2–-Nachbarn einen Teil ihrer Elektronendichte verlieren. Dies wiederum muss sich auf die Bindungsstärke zwischen Anionen und Kationen und damit auf viele grundlegende physikalische Eigenschaften der Gesteine ​​auswirken, einschließlich ihres Volumens und ihrer mechanischen Festigkeit. Dabei handelt es sich um einen quantenmechanischen Effekt, der weitreichende theoretische und praktische Auswirkungen hat.

Wir haben drei Versuchsreihen mit hochintensiven Ultraschallwellen durchgeführt, um positive Lochladungsträger in einem Gabbro, einem typischen Gestein tief in der Kruste, zu aktivieren:

In den Fällen 1 und 2 konnten wir zeigen, dass der Effekt vorhanden und messbar ist. Insbesondere im Fall 2 haben wir eine Verringerung des Biegemoduls in der Größenordnung von 10–15 % nachgewiesen. Im Fall 3 haben wir glaubwürdige Beweise dafür erhalten, dass das Gesteinsvolumen tatsächlich zunimmt. Weitere Experimente sind erforderlich, um das Ausmaß des Effekts zu bestimmen.Mitglieder des Teams:

Studentische Mitglieder des Teams:

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Mikrowellplatten-Technologien werden häufig für Bioassays, kombinatorische Chemie und Zellkulturexperimente verwendet und sind ideale Formate für den Einsatz als kleine Satellitennutzlasten. Wertvolle Forschung in der Weltraumwissenschaft kann jedoch nicht effektiv durchgeführt werden, ohne unsere Fähigkeit, Gase in diesen Formaten zu transportieren, zu entfernen und zu messen, erheblich zu verbessern. Komplikationen, die sich aus atmosphärischen Schwankungen von Raumfahrzeugen und dem Aufbau und Abbau von Gasen in Lösungen im Mikromaßstab ergeben, können subtile Wechselwirkungen verschleiern, die für das Erreichen der Ziele der Mikrogravitationswissenschaft von entscheidender Bedeutung sind. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Entwicklung einer versiegelten Mikrotiterplatte mit einem Mikroatmosphären-Kontrollsystem bewertet. Eine solche Technologie würde eine umfassende Grundlagenforschung in der synthetischen Weltraumbiologie, der grundlegenden Weltraumbiologie und der Astrobiologie ermöglichen und letztendlich das Wissen generieren, das für die Entwicklung eines potenziell breiten Spektrums von Anwendungen der Weltraumbiotechnologie erforderlich ist.

In der Mikrogravitation, wo die durch den Auftrieb verursachte Vermischung minimal ist, kann die Ansammlung von Kohlendioxid in bakterienhaltigen Lösungen die Wachstumsraten negativ beeinflussen und subtilere Effekte überdecken. Ebenso ist die Zufuhr von Sauerstoff und die Entfernung von Stoffwechselnebenprodukten am Boden einer Mikrovertiefung in der Schwerelosigkeit schwierig zu erreichen und noch schwieriger zu messen. Gas, das sich ansammelt und nicht entfernt wird, führt zu einer Übersättigung des Wachstumsmediums und zur Bildung von Blasen, was zu Störungen bei der Detektions- und Analyseinstrumentierung führt. Auch die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit in einer Mikrovertiefung ist wichtig. Was benötigt wird, ist eine Standard-Mikrotiterplatte, die mit einem transparenten Deckglas versiegelt ist und in der Lage ist, die Gaskonzentrationen in den Mikrotiterplatten zu kontrollieren, zu mischen und zu messen. Diese Arbeit wird die Machbarkeit von zwei Schlüsselaspekten des Systems demonstrieren. Dazu gehört die Demonstration der Fähigkeit, Gase im Nanomaßstab am Boden einer Mikrovertiefung zu messen, und eine Untersuchung der Vorteile des Züchtens einer mikrobiellen Kultur in einer versiegelten Mikrovertiefung mit kontrollierter Mikroatmosphäre.

Die bisherigen Arbeiten umfassen eine vorläufige Designstudie eines Mikroatmosphärensystems, einschließlich einer technischen Bewertung eines Mikrowellplatten-Mikrofluidiksystems, einer Untersuchung potenzieller Sensorsysteme und potenzieller Adsorbentien. Das System umfasst eine neue Klasse von Nanosensoren zur Messung von Gaskonzentrationen über einem Wachstumsmedium, Gasphasenadsorbentien als Gasreservoirs und Partialdruckkontrollaktoren sowie Mikropumpen und Ventile zur Zirkulation von Gasen und zur Sicherstellung einer guten Durchmischung. Die Technologie wird eine Methode zur Bewertung und Kontrolle atmosphärischer Schwankungen und nanoskaliger Vermischung in biologischen und nichtbiologischen Nutzlasten bereitstellen.

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Diese Studie untersucht die technischen Anforderungen und möglichen Lösungen für miniaturisierte Hochspannungs-Energieverarbeitungseinheiten mit dem Ziel, mikrofluidische elektrische Antriebstriebwerke (MEP) für Cubesats und große Missionen zu ermöglichen.

Für die langfristige Weiterentwicklung elektrischer Antriebstriebwerke müssen Power Processing Units die Masse, das Volumen und die thermischen Eigenschaften deutlich reduzieren. Dies ermöglicht den Einsatz dieser Triebwerke von Mikro- bis hin zu Pico-Satelliten und ermöglicht Langzeitmissionen. Die Aktivierung der Triebwerkstechnologie wird die Missionsfähigkeiten erhöhen, die Orbitalmanöver erfordern, einschließlich Lagekontrolle, Spin, Änderungen der Orbitalneigung, Verlassen der Umlaufbahn, Orbitaltransfers, Schwarm- und Formationsflug.

Die Studie konzentriert sich auf den Handelsbereich, um die wichtigsten Leistungsanforderungen (KPRs) für die Power Processing Units zu entwickeln und diese anhand des aktuellen Stands der Technik auf technische Machbarkeit zu bewerten. Zu den untersuchten Themen gehören:

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Da Kleinsatelliten zunehmend für kostengünstige Weltraumexperimente außerhalb der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) in Betracht gezogen werden, muss für Umlaufbahnen mit hoher Sonneneinstrahlung ein Mittel zur Kontrolle übermäßiger Temperaturen an Bord entwickelt werden. Ein 3-Würfel-Satellit, der auf 4 Seiten mit am Körper montierten Solarpaneelen bedeckt ist, mit Radios an einem Ende und einem De-Orbit-Mechanismus am anderen Ende, bietet wenig Oberfläche, auf der thermische Strahler platziert werden können, was ohnehin wirkungslos wäre Das passive magnetische Ausrichtungssystem des Satelliten kann nicht sicherstellen, dass er von der Sonne abgewandt ist.

In diesem Projekt haben wir eine Laborversion eines Mittels zur elektrischen Ableitung überschüssiger Wärmeenergie von 3-Würfel-Nanosatelliten (und größer) modelliert, entwickelt und getestet. Der sich selbst entfaltende „Nanokit“-De-Orbit-Mechanismus, der am Nanosatelliten „Organism/Organic Exposure to Orbital Stresses“ (O/OREOS) demonstriert wurde, wurde zur Unterstützung einer elektrischen Widerstands-Dünnschichtheizung verwendet. Überschüssige elektrische Energie von den Solarpaneelen, die normalerweise zu einer Elektron-Loch-Rekombination führt, die die Paneele und den darunter liegenden Satelliten erwärmt, könnte zu einer solchen Außenbordheizung geleitet werden, die in diesem Fall etwa 20 cm vom Hauptkörper des Satelliten entfernt war von der Nutzlast und dem Bus abgewandt. Dieser Wärmeableitungsmechanismus kann die dringend benötigte Wärmekontrolle ohne bewegliche Teile, mit ein paar Gramm zusätzlicher Masse und ein paar cm3 zusätzlichem Volumen ermöglichen.

Zu den Produkten dieses Projekts gehören ein thermisches Modell, ein Laborprototyp und dokumentierte Ergebnisse.

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Derzeit hängt die menschliche Lebenserhaltung im Weltraum von chemischen und physikalischen Mitteln ab, die von der Erde zugeführt werden. Langfristige, ferngesteuerte bemannte Weltraummissionen werden in der Zukunft regenerative, leichte Lebenserhaltungssysteme erfordern, die in der Lage sind, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Spurenelemente unabhängig in geschlossenen Kreislaufsystemen zu recyceln. Das menschliche Leben auf der Erde hängt von einer großen Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften ab, die perfekt geeignet sind, diese und viele andere wichtige Aufgaben zu erfüllen, einschließlich der Produktion von Nahrungsmitteln, Treibstoffen und Arzneimitteln, die für das menschliche Wohlergehen unerlässlich sind.

Im Weltraum fangen wir gerade erst an, die Mittel zum Transport und zur Optimierung dieser miteinander verbundenen mikrobiellen Unterstützungsfunktionen zu erforschen. Mikrobielle Systeme werden im Weltraum auf ähnliche Herausforderungen stoßen wie Menschen (Mikrogravitation, Strahlungstoleranz), zusätzlich zu Materialaustauschphänomenen im Mikromaßstab mit niedriger Reynoldszahl; Diese erfordern eine systematische Bewertung, Entwicklung, Anpassung und Optimierung für verschiedene Anwendungen. Um ein Forschungsprogramm zu ermöglichen, das alle diese Faktoren berücksichtigt, ist eine Plattform erforderlich, die zuverlässig, flugbereit und speziell für das optimierte Wachstum, die Überwachung und die Regulierung mikrobieller Ökosysteme im Weltraum konzipiert ist. Idealerweise sollte diese Plattform so flexibel gestaltet sein, dass sie als Standardplattform sowohl für experimentelle als auch für funktionale Anwendungszwecke dient.

Mit diesen Zielen vor Augen haben wir die Plattform Surface Attached Bioreactor (SABR) entwickelt. SABR nutzt Grenzflächenphänomene, um den Massentransport voranzutreiben, was seinen Betrieb unabhängig von Gravitations- und Trägheitskräften ermöglicht und es zu einer perfekten Ergänzung für außerirdische Anwendungen macht. Darüber hinaus eignet sich SABR aufgrund der erheblichen Reduzierung des Wasserverbrauchs und der Gesamtsystemmasse ideal für Weltraummissionen, bei denen die Masse aufgrund der Anforderungen an den Treibstoffstart ein erhebliches Problem darstellt.

Bis heute hat SABR die folgenden Meilensteine ​​erreicht:

SABR kann für eine Vielzahl von Einzelzell- oder Mischkultursystemen verwendet werden. Es kann auch sowohl mit photosynthetischen (künstliche oder Sonneneinstrahlung) als auch mit nicht-photosynthetischen Systemen verwendet werden. Die Plattform kann mithilfe einer passiven Sammlungsdesignfunktion entweder so angepasst werden, dass sie Zellen züchtet und erntet oder dass sie Zellen erhält und Stoffwechselprodukte erntet.

Das SABR-Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen dem NASA Ames Research Center, dem Systems Biology and Ecology Lab in der Exobiologie-Abteilung und dem Solar Energy and Biofuels Lab in der Maschinenbauabteilung der University of Texas Austin. Das Projekt profitiert von der Nutzung der 25-jährigen NASA-Erfahrung in der Aufklärung und Manipulation mikrobieller Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufwege, einschließlich der aktuellen, vom Energieministerium finanzierten Zusammenarbeit mit Kollegen von Lawrence Livermore National Labs und Stanford zur Biowasserstoffproduktion.

Der Phase-1-Prototyp und die biologischen Leistungsmerkmale führten dazu, dass das SABR-Projekt vom OCT-Büro zusätzliche Mittel erhielt, um verbesserte Bildgebungs- und Überwachungsfunktionen zu integrieren. Zukünftige Plattformverbesserungen für Zielanwendungen werden unter Verwendung speziell entwickelter mikrobieller Gemeinschaften für Transkriptom-Array-Analysen im Weltraum konstruiert, die die genetische Signalübertragung mit der funktionalen Leistung zur Modellierung und Prognoseentwicklung für Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb koordinieren.

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Technologische Verbesserungen bei den der NASA zur Verfügung stehenden Sensoren haben erhebliche übergreifende Auswirkungen auf eine Reihe von NASA-Instrumenten, die einen breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums messen. Verbesserungen der Detektorleistung würden zu einer erheblichen Verschiebung der Leistungsfähigkeit führen. Die häufig verwendete Lawinenfotodiode (APD) erhöht den Signalpegel der optischen Eingangsleistung. Aufgrund des hohen Lawinenüberschussrauschens und der extremen Empfindlichkeit gegenüber Vorspannung ist es jedoch sehr schwierig, eine hohe Verstärkung oder Verstärkungsgleichmäßigkeit über ein APD-2-D-Focal-Plane-Array zu erreichen, ganz zu schweigen von der Geiger-Erholungszeit. Bei PCIC handelt es sich um eine Basistechnologie, die möglicherweise eine höhere Detektorempfindlichkeit in einem breiten Spektrum thermischer und Strahlungsumgebungen ermöglicht.

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Strahlenbelastung ist ein ernstes Problem bei der bemannten Weltraumforschung. Auch die Auswirkungen der Strahlung auf elektronische Geräte und andere Nutzlasten geben Anlass zu großer Sorge. Die Wissensbasis in diesen Bereichen wird typischerweise durch bodengestützte Tests und Modellierungsbemühungen entwickelt. In der Regel gibt es keine In-situ-Überwachung verschiedener Strahlungen und ihrer Energieniveaus, da die für die Messung erforderlichen Geräte sperrig und teuer sind und eine spezielle Schulung für den Betrieb erfordern.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Chips in der Größe einer Briefmarke zur Erkennung von Strahlungsquellen (Alpha, Gamma, Röntgenstrahlung, Protonen usw.) und deren Energieniveaus, ähnlich einer Strahlungsnase (R-Nose). Dieses System wird einen herkömmlichen CMOS-Chip (Complementary Metal Oxide Semiconductor) aus Silizium verwenden, mit der Ausnahme, dass das Siliziumdioxid-Dielektrikum durch ein flüssiges Dielektrikum ersetzt wird.

Einige Flüssigkeiten reagieren auf Strahlungseinwirkung mit einer Änderung der Molekülstruktur, was zu einer Änderung von Eigenschaften wie Dielektrizitätskonstante und Polarisation führt. Inspiriert durch diese Reaktionsfähigkeit von Flüssigkeiten schlagen wir vor, einen Transistor mit einer auf Strahlung reagierenden Flüssigkeit als Gate-Dielektrikum zu konstruieren, das die herkömmliche Oxid-Gate-Schicht ersetzt. Die Strom-Spannungs-Eigenschaften des dielektrischen Liquid-Gate-Transistors würden sich ändern, wenn er irgendeiner Art von Strahlung ausgesetzt wird. Verschiedene Arten von Flüssigkeiten, die gezielt mit verschiedenen Zielstrahlungen interagieren, können in einer Reihe von Transistoren verwendet werden, die als Strahlungsnase zur Unterscheidung verschiedener Strahlungsquellen dienen. Darüber hinaus erleichtert die Fließfähigkeit der Flüssigkeit den Austausch der beschädigten Flüssigkeit nach einiger Zeit durch frische Flüssigkeit, was einen wiederverwendbaren Sensor ermöglicht.

Die Auswahl des Flüssig-Gate-Dielektrikums ist wichtig für eine akzeptable Geräteleistung und die Wahl sollte die folgenden Anforderungen erfüllen: Isoliereigenschaften, richtige Dielektrizitätskonstante, Durchschlagsfestigkeit, thermische Stabilität, hohe Reinheit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, niedrige Viskosität und Reaktionsfähigkeit Strahlung. Das Produkt dieses Projekts ist ein Strahlungssensorchip und Testergebnisse für Gammastrahlung.

Die Verfügbarkeit einer Vor-Ort- oder In-situ-Überwachung verschiedener Strahlungen in Echtzeit würde sicherere bemannte Langzeitflüge ermöglichen. Derzeit ist eine solche Überwachung aufgrund mangelnder Technologie nicht möglich.

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NASA ARC und das J. Craig Venter Institute (JCVI) arbeiten zusammen, um die Entwicklung fortschrittlicher bioelektrochemischer Systeme (BES) zur menschlichen Lebenserhaltung im Weltraum zu untersuchen. BES nutzen speziell angepasste Mikroorganismen, die entweder während des Stoffwechsels von Substraten elektrische Energie erzeugen können (Microbial Fuel Cell – MFC) oder umgekehrt elektrischen Strom nutzen können, um den mikrobiellen Stoffwechsel für die Produktion von Produkten „anzutreiben“ (Reverse MFC). BESs bieten zahlreiche Vorteile für Weltraummissionen, darunter schnelle Verarbeitung, reduzierte Biomassebildung und Energieeffizienz. Darüber hinaus bietet der Einsatz fortschrittlicher Techniken der Synthetischen Biologie das Potenzial, Mikroorganismen genetisch zu verändern, um die Leistungsfähigkeit und Leistung des Systems weiter zu steigern.

Das ursprüngliche Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Technologieinfusion von BESs für die Abwasserbehandlung und andere lebenserhaltende Funktionen des Menschen zu untersuchen. Zu den Aufgaben gehörten:

Diese Arbeit führte zu zusätzlichen Mitteln vom Office of the Chief Technologist der NASA, um die Zusammenarbeit mit dem J. Craig Venter Institute und der Stanford University fortzusetzen und auszuweiten, um das Potenzial der Integration eines Reverse MFC zur Umwandlung von menschlichem metabolischem Kohlendioxid in Methan und Wasser zur Luftrevitalisierung zu untersuchen und Ressourcenwiederherstellung. Diese Arbeit wird im Rahmen des Space Synthetic Biology-Programms des NASA Ames Research Center durchgeführt. Das Projekt konzentriert sich auf die Definition optimaler Prozessintegrationsszenarien und wird zur Entwicklung sowohl einzigartiger BES-Reaktor-Hardware als auch eines genetisch veränderten Organismus führen, der für eine optimale Kohlendioxidumwandlung ausgelegt ist. Zu den weiteren Bemühungen gehören die Entwicklung weltraumgestützter BES-Designkonzepte, Integrationsanalysen, die Steigerung der Systemeffizienz und die Untersuchung zusätzlicher BES-Anwendungen. Diese gemeinsamen Bemühungen werden die Expertise der NASA in der weltraumgestützten Abwasserbehandlung und Luftrevitalisierung mit fortschrittlicher synthetischer Biologie und BES-Forschung und -Entwicklung am J. Craig Venter Institute und der Stanford University nutzen, um die BES-Technologieentwicklung sowohl für Weltraummissionen als auch für terrestrische Anwendungen erheblich voranzutreiben.

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Problem Bemannte Missionen außerhalb der erdnahen Umlaufbahn erfordern eine Materialsynthese vor Ort, um den Massenbedarf zu reduzieren. Darüber hinaus kann es bei jeder Langzeitmission zu unerwarteten Problemen kommen, die Werkzeuge oder Materialien erfordern, die in der Missionsplanung nicht berücksichtigt wurden.

Aktueller Status Wenn derzeit gentechnisch veränderte Organismen im Weltraum eingesetzt werden, erfolgt die Molekulartechnik vor dem Start. Die Lösung von Problemen auf Missionen hängt von den Materialien und Fähigkeiten ab, die auf der Mission mitgeführt werden. Es ist wahrscheinlicher, dass Produkte in den Weltraum gebracht werden, als dass sie synthetisiert werden können.

Lösung Unter synthetischer Biologie versteht man die Gestaltung und Konstruktion neuer biologischer Funktionen und Systeme, die in der Natur nicht vorkommen. Denken Sie nur….

Biologische Werkzeuge können verwendet werden, um viele Materialien vor Ort nach Bedarf zu synthetisieren, wodurch das Missionsgewicht und der Lagerbedarf für instabile Materialien reduziert werden.

DNA kann große Mengen an Informationen und funktionellen Fähigkeiten in einer extrem leichten Form transportieren. Einfache molekularbiologische Werkzeuge könnten verwendet werden, um während einer Mission vor Ort neue Werkzeuge zu entwickeln, wobei Rezepte verwendet werden, die auf der Erde als Reaktion auf unerwartete Missionsanforderungen entwickelt wurden

Was wir uns vorstellen Ein 5-Kilogramm-Bausatz könnte bei einer Langzeitmission Hunderte Kilogramm Material ersetzen. Die Bereitstellung instabiler Materialien vor Ort könnte das Gewicht und die Komplexität der Lageranforderungen für die Mission verringern. Eine Apollo 13-ähnliche Fähigkeit, auf unbekannte Probleme zu reagieren, könnte den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg einer Mission ausmachen, bei der eine rechtzeitige Nachlieferung unmöglich ist

Ziel

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Das Wärmeschutzmaterialsystem (TPS) ist die Barriere, die das Raumfahrzeug vor atmosphärischer Eintrittserwärmung schützt. Woven TPS ist ein Konzept, das die ausgereifte Webtechnologie nutzt, die sich aus der Textilindustrie entwickelt hat, um TPS mit maßgeschneiderter Leistung zu entwickeln, indem die Zusammensetzung und Eigenschaften eines Materials durch die kontrollierte Platzierung von Fasern innerhalb einer gewebten Struktur variiert werden. Das resultierende gewebte TPS kann so konzipiert werden, dass es für ein breites Spektrum aerothermischer Umgebungen, die die zukünftigen Missionsanforderungen der NASA umfassen, eine optimale Leistung erbringt.

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Ames Büro des Chefwissenschaftlers (OCS)

OTPS

Direktion für Weltraumtechnologiemissionen

Ames-Forschungszentrum