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2023+這些太空概念對 NASA 來說太瘋狂
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這些太空概念對 NASA 來說太瘋狂
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2023 NIAC
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美國太空總署的 NIAC 計畫近期將大舉投資 18 項潛在太空技術研究，比如一種開採月球極地大量冰且具經濟效益的新方法、或者可以自我修補的太空服等
NASA 的 NIAC（NASA Innovative Advanced Concepts）計畫旨在培養具有遠見的太空技術，不管你的想法有多大膽，彷彿只存在於科幻小說，只要概念可靠、可行、有改變未來太空探索的可能性，就有機會獲得 NIAC 投資。
NIAC 計畫又按照提案、第一階段、第二階段和第三階段循序漸進。每年會有提案截止日，參加者向 NASA 提交研究提案，然後等候第一階段入圍公告。如果提案通過並進入第一階段，就可以獲得 12.5 萬美元獎金並展開為期 9 個月的基礎研究，以構建整體計畫可行性與提高技術就緒指數（Technology Readiness Level，TRL，註）為目標。
第一階段團隊如果再通過徵選，可以獲得高達 50 萬美元獎金並進入第二階段，進行為期 2 年的開發研究，制定出更完善的技術路徑圖，但還不會全面推進 NASA 或進入商轉。
而第三階段目前還沒展開過徵選，因為 NIAC 計畫底下的研究都還處於早期開發階段，多數需要 10 年或更長時間才能趨於成熟，不過 NIAC 已準備在今年夏天公布第一個進入第三階段的終極研究，有機會帶來探索宇宙的重大技術突破。
本月，NASA 公布了今年入圍第一階段（12 個）與第二階段（6 個）的 18 項創新研究，以下一一介紹。
第一階段入圍研究
BREEZE 太空飛船
BREEZE（Bioinspired Ray for Extreme Environments and Zonal Exploration）太空船，由紐約州立大學水牛城分校 Javid Bayandor 領導，是一種結合充氣結構與仿生科技的高效飛行器，目標是探索金星大氣，可以在離地約 60 公里處漂浮飛行。太空船採用太陽能電池供電，攜帶的儀器可能包括質譜儀、雲量計（nephelometer）、可見光與近紅外光高分辨率相機、磁量計（magnetometer）、風速計（anemometer）、以及測量大氣壓力 / 溫度 / 密度的感測器。
除了金星，BREEZE 太空船也能應用其他大氣密度夠高的天體上，比如土衛六和地球；再看看它的外型，沒錯，研究人員就是受到了魚鰭的啟發設計出這架飛船，翹曲的機翼可提供推力、控制力、穩定力和額外升力。
金星地表長壽命功率傳輸系統
金星地表長壽命功率傳輸系統（Power Beaming for Long Life Venus Surface Missions），由 NASA 噴射推進實驗室（JPL）Erik Brandon 領導，目標是解決金星極端地表環境的地面型發電挑戰。
功率傳輸還有另一個較親民的通稱，就是無線供電、無線電力傳輸（wireless energy transfer），若是輻射技術類別，則指能量藉由定向能波束在介質（空氣、水等）中傳送，接收器接收後再轉換回電能。
在金星地表長壽命功率傳輸系統中，發射器就像載浮載沉的高空氣球飄在金星大氣，以微波、射頻（Radio frequency，RF）傳輸功率給地面上的接收器，能量經由整流天線轉換為直流電後進入儲能裝置，有高溫熔鹽電池、固體電解質電池、固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）等選擇。
而這個高空氣球除了有發射器外，還有太陽能電池板跟電池，如果沒電了，就會上升到大氣上方照太陽充電，等電池充滿後再次降到金星大氣下層，將能量傳輸到著陸器，如此不斷重複。
智慧太空服 SmartSuit
智慧型太空服 SmartSuit，具有自我修補和收集數據功能，能讓太空人在極端環境中進行艙外活動，穿起來也會比目前的太空服還要舒適。
兩用系外行星望遠鏡
兩用系外行星望遠鏡（Dual Use Exoplanet Telescope，DUET）可以同時以「間接方法（比如徑向速度法、天體測量法）」和「直接方法」探測系外行星，後者是採用牛頓著名稜鏡實驗中的色散技術，讓 DUET 分離出來自系外行星或母恆星的不同光波長，直接判定是否發現一顆系外行星；此外，DUET 的成像收集面積是地面望遠鏡 4 倍之大，但整體重量輕到可以在一次火箭有效載荷中運完。
http://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=17&topic=32538.0微型探針 MP4AE
微型探針 MP4AE （Micro-Probes Propelled and Powered by Planetary Atmospheric Electricity）由美國西維吉尼亞大學 Yu Gu 領導，研究人員受到蜘蛛空飄（ballooning）能力的啟發，設想出可以布署數千個仰賴大氣電學飛行的微型探針 來研究系外行星大氣層。
每個微型探針總質量約 50 毫克，上面攜帶小型有效載荷，包括能量存儲與轉換裝置、致動器、微處理器、感測器等，探針兩側各伸出長約 2.5 公尺的「手臂」感應大氣電位梯度（APG），整體由一個 200 公尺長的線環串著，看起來就像一條項鍊。線環主要作用是提供大氣阻力（atmospheric drag）和靜電升力（electrostatic lifts），屆時微型探針的水平運動方向雖然不受控制，但垂直運動方向可以受到調節。
對蜘蛛空飄能力有興趣的讀者，也可以看看去年一篇相關報導：蜘蛛仰賴全球電場起飛。
SPEAR 探測器
SPEAR（Swarm-Probe Enabled ATEG Reactor）探測器是一種用於深空任務的超輕型核電推進（Nuclear electric propulsion，NEP）探測器，採用新的反應爐減速劑和先進熱電發電系統（advanced thermoelectric generators，ATEGs），大幅降低整體質量，雖然變成無法一次提供太多電力，但能以減少成本、增加任務次數取勝。
該探測器一個重要的分析目標是木衛二歐羅巴（Europa）。
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開傘索創新動力系統
開傘索創新動力系統（Ripcord Innovative Power System，RIPS）由約翰霍普金斯大學 Noam Izenberg 領導，該系統利用下降過程中的大氣阻力來產生電力，可以在短時間內提供高功率（以千瓦計）給有此需求的探測器。
採用雷射推進系統的微型探測器
該微型探測器計畫名為 Power for Interstellar Fly-by，使用雷射推進帆系統來進行星際旅行飛行，當探測器飛過新的恆星系統時，就可以收穫一次能量，類似的飛行器比如由突破攝星（Breakthrough Starshot）計畫正在專注研發的「星片」（StarChip）光帆飛行器。
月球極地採礦飛船
這架月球極地採礦飛船（Lunar-polar Propellant Mining Outpost，LPMO）是一個極具經濟效益的突破性研究，有望大幅降低人類探索月球的成本。LPMO 兩大解決月球極區採礦障礙的創新點在於：第一，對月球地形有新的見解。
該團隊分析發現，在一個靠近極地的小型隕石坑（0.5～1.5 公里）中，有塊區域非常適合飛船著陸，因為該地表面永凍，但是上方 100 公尺處的位置卻可以永久接收到陽光照射，因此團隊可以設計一根桅杆，將太陽能電池陣列放在 100 公尺高處為採礦的月球車提供電力，幾乎不用害怕斷電問題。
第二個創新為團隊 TransAstra 公司發明且申請專利的 Radiant Gas Dynamic（RGD）採礦作業，該技術不是直接挖出冰，而是使用射頻、微波、紅外輻射組合來加熱永凍土和冰沉積物使之昇華，然後收集在低溫冷阱中，將氣體轉為液體形式。
清除太空垃圾的新儀器
遠地軌道導航儀 CHARON（Crosscutting High Apogee Refueling Orbital Navigator）概念便是清理太空垃圾。該飛行器採用無極勞侖茲力推進器（超輕型離子發動機），燃料來自低地軌道～高橢圓軌道間的氧氣、氮氣，不斷自我補充燃料加上飛行器本身耗能極低，使它的壽命年限長達 10 年，可以自由改變軌道高度追捕垃圾目標物。
蒸發集冰的「冷」太陽能系統
冷太陽能系統（Thermal Mining of Ices on Cold Solar System Bodies）由美國科羅拉多礦業學院團隊 George Sowers 領導，也跟月球採礦任務有關，有趣的是該系統並非打洞挖礦，而是利用「人工太陽」加熱冰表面使其蒸發，揮發物再於「帳篷」中重新收集與處理。團隊估計，這種技術足以從月球提取出用於推進劑燃料的水，但耗能比挖礦設備少 60%。
低成本探索太陽系邊疆的小型衛星
直至今日，我們只有新視野號（New Horizons）、航海家 1 號與 2 號（Voyager 1、Voyager 2）、先鋒 10 號與 11 號（Pioneer 10、Pioneer 11）探測器飛過土星軌道，探索外太陽系的風景，每一個探測器重量都大於 250 公斤，背後團隊人數高達 10 人。
NASA 噴射推進實驗室 Robert Staehle 團隊想推出一種探索太陽系邊疆的低成本小衛星（Low-Cost SmallSats to Explore to Our Solar System’s Boundaries），無論是成本還是質量都只有上述探測器的十分之一，但能探索的太陽圈範圍遠達 125 天文單位。
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第二階段入圍研究
新型天文望遠鏡
由 3DeWitt LLC 公司設計的高聚光多目標分光望遠鏡（暫譯，原名 The High Étendue Multiple Object Spectrographic Telescope，縮寫 THE MOST）是種新型、靈活的扁平緊湊望遠鏡，可以捲成圓筒，上太空後再展開，並且克服目前多數天文望遠鏡的難題：觀測視野小、只有小部分物體可獲得高分辨率光譜、望遠鏡尺寸增大後結構會變得很複雜等。 該團隊已經在 NIAC 第一階段證明，THE MOST 比過去任何天文望遠鏡還大 100 倍，且可以獲得視場中每個物體的高分辨率光譜，方法與掠射角（grazing angle）有關，當光波以非常靠近繞射光柵（diffraction grating）表面的角度入射後，光聚焦在無限長無限窄的狹縫上，接著像牛頓的稜鏡實驗一樣散去。
第二階段中，團隊將在實驗室打造出 THE MOST 模型並進行測試。
採用基線干涉技術的合成孔徑成像輻射計
Leidos 公司設計的 R-MXAS（Rotary-Motion-Extended Array Synthesis），為一種具備旋轉繫連天線（rotating tethered antenna）的合成孔徑成像輻射計（synthetic aperture imaging radiometer，SAIR），可以應用在氣候與天氣建模，或者描繪來自太陽繞極軌道的日冕物質拋射（CME），推動行星際旅行。
自動導向的推進器
美國一家工程顧問公司 Texas A&M Engineering Experiment Station 提出具創新推進架構的自動導向推進器「Self-Guided Beamed Propulsion for Breakthrough Interstellar Missions」，可用 10% 光速的速度前往半人馬座。這種推進器的關鍵創新概念，來自中性粒子束與雷射光束的獨特耦合，產生自我導向的能量束，幾乎消除光束在太空傳播時會遇見的熱膨脹（thermal expansion）和繞射（diffraction）問題。在第二階段中，團隊將用電腦建模出推進器的動力學、嘗試分析可行性的動力系統設計。
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探測太陽附近微中子的小型探測器
第一階段中，威奇托州立大學實驗室的太陽微中子太空飛船（Solar Neutrino Spacecraft）已分析出小型微中子探測器重量僅 250 公斤，但能力等同於地球上 3,000 噸的大型探測器。第二階段中，團隊將建造探測太陽附近微中子的小型探測器原型。
超材料新型太陽帆
羅徹斯特理工學院 Grover Swartzlander 團隊以超材料原理設計新的光學薄膜，和背對太陽（或其他光源）的傳統薄膜不同，新薄膜面向光源，改藉光繞射方法作為推進力。而利用光繞射的角度偏差，可以改用電子元件取代機械元件來導向，比如電光學波束控制轉向，使太空船獲得更高加速度。
Solar Surfing 採用高反射率塗層，將能比 2018 年發射升空的派克號太陽探測器（Parker Solar Probe）還要更靠近太陽。派克號與太陽最接近的距離尚有 8.5 倍太陽半徑遠，而 Solar Surfing 將靠近到只剩 1 倍太陽半徑的地方（與太陽表面僅距離 695,000 公里）。在第二階段，NASA 甘迺迪太空中心團隊將開始開發新型塗層。
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