When you think of innovative new space launch concepts, you likely think of rockets like SpaceX’s Starship or NASA’s Space Launch System carrying telescopes or robotic explorers out into orbit and beyond. And certainly, rockets are here to stay, remaining the principal way of carrying things beyond Earth’s gravity. However, an alternative and cheaper option might come from a much older form of technology: Balloons.

Conteúdo

  • Up, up, and away
  • A new kind of balloon
  • A telescope lofted by a balloon
  • How to fly a telescope strapped to a balloon
  • SuperBIT and beyond

Balloons filled with hot air or gas have been lofted up into the skies for centuries, with records of the ancient Chinese military using balloons for signaling as far back as the 3rd century AD, and crewed balloon flight beginning in Europe in the 1780s. And they have been used in astronomy research as well, like the U.S.’s Project Stargazer of the 1960s which sent two men and a telescope 82,000 feet (25 kilometers) into the air in a high-altitude balloon to observe the stars.

Now, recent developments in balloon technology from NASA mean balloons may once again prove their worth for cutting-edge astronomy projects, carrying high-tech telescopes up into the atmosphere from where they can observe the cosmos. We spoke to one of the researchers working on a new generation of balloon-based telescopes, Mohamed Shaaban of the University of Toronto, to learn how this old technology is being put to brand new use.

Up, up, and away

To understand why balloons have such great potential for use in telescope missions, you need to understand why we send telescopes into orbit to begin with. While there are plenty of telescopes located on the ground doing sterling work, if you want to look at really distant objects then you need to account for the problems caused by Earth’s atmosphere.

The big issue is the water vapor in the atmosphere, which blurs images taken by ground-based telescopes. That’s why telescopes are often placed in locations that are very dry and at very high altitudes, like Mauna Kea in Hawai’i or the Atacama desert in Chile. But the best solution is to look at distant objects from above the atmosphere, hence why telescopes like Hubble are put into orbit.

Traditionally, if you want to put a telescope above the atmosphere, then you send it into orbit on a rocket. That’s expensive and not easy to do — and it’s hugely expensive to fix any problems which occur and require hardware replacement — but it’s a highly reliable method for avoiding Earth’s atmosphere.

Balloons, on the other hand, have been used in scientific research for decades, typically over Antarctica. The problem with using balloons for telescopes before now has been a matter of light. Most scientific balloons are launched in Antarctica because the research hardware is generally powered by solar panels, which can only operate during daylight hours, and Antarctica has 24-hour daylight during its summer. But that means you’re limited to the kind of research that can be done during the day, which isn’t great for telescopes.

But the newly developed balloons from NASA, called super-pressure balloons, can operate in Earth’s mid-latitude region and work during both day and night cycles. “For the first time we’ll be able to do night-time science [with balloons],” says Shaaban, which opens the door to enabling a whole range of astronomy projects.

A new kind of balloon

There are big advantages to balloons as a method to carry telescopes. Firstly, launching a balloon is tremendously cheaper than launching a rocket. Also, you can very easily bring a telescope back to Earth and then relaunch it, so if you have to perform any maintenance then it’s relatively easy. That’s a big deal when you consider how difficult and complex it was to perform maintenance on the Hubble telescope when it experienced hardware problems shortly after its launch in 1990.

“With ballooning, the beauty of it is that you have recoverable launches,” Shabaan said. “So you launch the system multiple times. So you put something together, and it doesn’t have to work the first time – because you’re going to launch it for a single night to test it, then bring it down and reiterate. So you don’t need the very aggressive testing structure that you need for orbital [missions].”

It’s this complex testing that drives up the price of orbital missions. Making sure every piece of hardware works right out of the gate, that everything has multiple redundancies, and all these redundancies work with each other too — this is what can send the budgets for space projects soaring.

With ballooning, it’s easier to iterate and adjust hardware design as you go along. And if you send a balloon high enough into the edges of the atmosphere, you get almost all the water vapor-reduction advantages of being in orbit.

Balões tradicionais, chamados balões de pressão zero, trabalho por ventilação de gás quando o sol se aproxima e faz o gás se expandir. Quando o sol se põe, os contratos de gás e o balão também caem. Os novos balões de super-pressão funcionam mantendo o gás contido, mesmo quando se expande. Porque não é ventilado, o balão pode ficar no alto quando o sol se põe, permitindo que continue trabalhando à noite por meses. O balão super-pressão da NASA deve durar entre 30 e 100 noites de operação, em comparação com os poucos dias que eram possíveis anteriormente.

um telescópio lofted por um balão

É essa nova classe de balão da NASA que Shabaan e seus colegas estão fazendo uso em seu projeto de telescópio. Eles têm um projeto chamado Superbit, que manterá um telescópio no ar e apontando na direção certa usando software autônomo sofisticado. Ao detectar os movimentos minuciosos do balão e compensando automaticamente por eles, seu telescópio pode olhar para as estrelas com um nível sem precedentes de detalhes para uma missão baseada em balão.

A questão de manter o telescópio apontado em uma direção é crucial para observações precisas, e é algo que o Superbit tem uma abordagem única para. O telescópio fica em uma estrutura externa, um quadro interno e uma estrutura interna, cada uma das quais se move em um eixo diferente: Yaw, Pitch e Roll. Em combinação, estes permitem que o telescópio aponte em qualquer lugar no céu. “Isso significa que, se eu experimentar algum movimento, posso desfazer, movendo-se em qualquer uma dessas três direções”, explicou Shaaban.

Isso fornece um nível básico de estabilidade, mas para leituras realmente precisas, ela precisa ser ainda mais estável. Dentro do telescópio é um espelho que pode se mover a uma taxa extremamente rápida de 50 movimentos por segundo. Quando a luz entra no telescópio e parece estar tremendo por causa dos movimentos muito pequenos do telescópio, o espelho se ajusta para esse movimento para que ele chegue inabalável no sensor. Os movimentos que o espelho precisa ser calculado usando dados de sensores em todo o telescópio, para que o telescópio possa estabilizar inteiramente autonomamente.

E essas correções para pequenos movimentos não são feitos usando propulsores, o que exigiria combustível. Em vez disso, eles são feitos aproveitando o tamanho do próprio balão, Shaaban explicou: “A maneira como funciona superband é que vai sentir esses movimentos e terá motores que torque contra o balão para desfazer esses movimentos, o que significa que é basicamente tomando o impulso e despejando-o para o balão. Mas o balão é tão grande, é como derramar uma xícara de água no oceano. O nível do oceano não vai subir “. Os motores correm em eletricidade, que vem de baterias, que são cobradas dos painéis solares, então não há combustível para se preocupar.

O resultado de tudo isso é um balão que pode trancar uma direção no céu para observar com um alto nível de precisão. “Você diz a Superbit para apontar e pontos”, disse Shaaban. “Vai olhar para uma coisa e vai rastreá-lo. Certificar-se de que, a partir da perspectiva da câmera, essa coisa não está se movendo mais de 20 milliarcseconds “, explicou ele. Isso torna o superbitble o primeiro telescópio não-espaço para ser difraction-limited, porque é tanto acima da atmosfera quanto a quantidade de jitter nas leituras é essencialmente zero, tornando-se uma poderosa ferramenta científica.

como voar um telescópio amarrado a um balão

Então é assim que você aponta um telescópio de um balão. Mas e quanto a mudar o balão em si? Quando se trata de balões, obtê-los exatamente onde você quer que eles sejam um desafio. “It’s hard to steer exactly, but it’s relatively easy to kind of steer,” Shaaban explained. That’s because you can make use of weather models to find winds that are blowing in the direction you want to go and move into those currents by adjusting altitude. This lets you move a balloon in roughly the direction you need it to go.

However, steering becomes much harder when the load being carried is very heavy, like a telescope. But fortunately, most scientific applications don’t actually require a balloon to be in a particular position on the Earth — the altitude they reach is far more important. The only concern for these kinds of missions is that the operators must avoid having the balloon traveling over populated areas for public safety.

O balão se dirige a uma altitude entre 35 e 40 quilômetros (20 a 25 milhas), numa região da atmosfera chamada estratosfera. Para referência, isso é acima de onde os aviões voam, mas abaixo de onde os satélites como as constelações StarLink StarX se sentam em órbita de terra muito baixa. Isso é alto o suficiente para ver a curvatura do planeta, mas não tão alto que você vê toda a terra. Não é o mais convidativo dos ambientes – é frio, entre -30 e -40 ° C (-22 a -40 ° F), mas não tão frio quanto o espaço orbital. E há radiação problemática lá também, embora novamente não tão ruim quanto em órbita. Assim, as considerações de engenharia não são diferentes para projetar para missões orbitais, Shaaban disse: “É espaço, mas diferente quando se trata dos desafios que enfrentamos.”

Há outro desafio que surge dos telescópios sendo recuperáveis: se você quiser recuperar uma carga de balão e reutilizá-lo, você não gostaria que seu telescópio seja despejado em algum lugar que seja difícil de acessar. Durante os voos de teste de Superbit, a equipe escolheu sua base de operações cuidadosamente, lançando fora de Palestina, Texas ou Timmins, Ontário, ambas cercadas por grandes áreas de terra que são despovoadas, mas fáceis de recuperar o telescópio.

Quanto a pousar um balão, pode ser um passeio acidentado. “Nós literalmente pop o balão”, disse Shaaban. “O balão aparece, e então você joga fora um pára-quedas. É como uma missão de pára-quedismo. ” Para amortecer o golpe de pouso ao testar o hardware Superplit, a equipe acrescentou colidentes para o telescópio para absorver alguns dos momentum. Às vezes eles tiveram sorte, e o telescópio pousou de sua descendência dramática relativamente ileso. Mas outras vezes, o hardware ficou seriamente bateu no pouso.

Até mesmo um telescópio seriamente danificado não é o fim do mundo, como consertá-lo ainda é mais barato do que construir um novo telescópio do zero. “Recondicionar uma missão destruída no desembarque é significativamente mais barata do que testá-lo, por isso funcionaria pela primeira vez”, explicou ele.

Se houver uma mensagem geral para tirar disso, é que o endurecimento do espaço de teste para os graus de precisão necessários ao enfrentar condições potencialmente desconhecidas e extremas é realmente muito cara. Há uma grande vantagem para qualquer método que permita que você lance missões e iterar como surgir problemas, em vez de enfrentar a tarefa impossível de tentar prever e permitir qualquer problema possível.

“É realmente, realmente really difícil simular ambientes [espaço] a um baixo custo”, enfatizou Shaaban. “Mas acaba por ser barato e fácil de ir a esses ambientes, quando se trata de balões”.

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Superbit e além

Superbit já passou por vários voos de teste e está se preparando para voos de ciência, infelizmente atrasados pela pandemia. Mas este telescópio é apenas o começo: o foco real do projeto está em seu sucessor, titularmente intitulado Gigabit.

“Superbit é um experimento Pathfinder”, disse Shaaban. O objetivo a longo prazo da pesquisa é criar o telescópio de maior resolução que pode ser voado em um balão super-pressão, para atender a demanda de astrônomos para imagens de alta resolução através de comprimentos de onda de luz visível e quase ultravioleta a um custo muito menor.

Isso é necessário porque os telescópios como o Hubble são extremamente excesso de subscrito, o que significa que muitos mais projetos querem usá-los do que poderia ser dado observando o tempo. Então a equipe está construindo um telescópio mais poderoso para atender a essa necessidade. O hardware básico será semelhante ao Superbit, mas o telescópio será maior para fornecer imagens de maior resolução. Para manter o peso enquanto adiciona um telescópio maior, já que o superbit já está na massa máxima que o balão pode carregar, o Gigabit usará diferentes materiais como fibra de carbono no lugar de alumínio.

Se uma série de balões poderiam levar telescópios de alta resolução como este, e ser regularmente lançado e desembarcado conforme necessário, seria uma ajuda inestimável aos astrônomos do mundo.

Isso não quer dizer que eles estão olhando para fazer telescópios como Hubble obsoletos, Shaaban disse: “O Hubble tem uma resolução significativamente maior do que o superbit, mas também um campo de visão significativamente menor. Portanto, não é melhor nem pior, é apenas diferente. Ele tem um conjunto completamente diferente de questões científicas que pode abordar “.

Com todo o potencial de telescópios baseados em balão, você pode esperar que seus defensores os promovam como superiores a telescópios baseados em espaço como Hubble. Mas isso não é de todo o caso com Shaaban – em vez disso, enfatizou o potencial de colaborações entre os instrumentos baseados em terra, baseado em balão e baseado em espaço.

Obtendo telescópios à base de balão fora do solo significa que mais pesquisas podem ser feitas, e isso beneficia todos na comunidade astronômica. “A beleza da astronomia”, disse Shaaban, “- Além de ser um esforço tão fenomenal e humilhante – é que é incrivelmente colaborativo”.