- NASA 資助利用機器人建造太空雷達的研究概念。
- 超材料可作為巨型電磁孔徑的建築塊，提升雷達性能。
- 構想面臨結構可靠性及太空環境挑戰。
- 成功實現可改變太空基礎設施的建造方式。
隨著太空日益擁擠，追蹤環繞地球的物體變得越來越困難。美國國家航空暨太空總署（NASA）目前正在資助一個特別非常規的構想，該構想最終可能有助於利用機器人和模塊化超材料在太空中建立巨型雷達天線。這一概念由杜克大學電氣與計算機工程教授大衞·史密斯（David Smith）所主導，獲選為 2026 年 NASA 創新先進概念（NIAC）第一階段研究專案。該專案名為「機器人組裝的電磁超材料以促進長距離太空態勢感知」。
這仍然是一個研究概念，而非可運作的太空雷達。第一階段的工作旨在確定該方法的基本原理是否最終能變得可行。
太空雷達的必要性
為何要在太空中建造雷達？現有的太空監視網絡已經使用強大的地面雷達來追蹤軌道上的物體。NASA 表示，像升級版的太空圍欄（Space Fence）等系統能夠追蹤低地球軌道上約四英寸（約 10 釐米）的物體。然而，追蹤更小的物體或在更遠距離監測航天器變得相當困難。基本的物理學造成了這一問題。目標越遠，雷達的有效孔徑需要越大以達到給定的探測性能。對於位於低地球軌道以外的物體，NASA 指出地面陣列的尺寸需求可能變得不切實際。
將雷達放置得更靠近物體可能有所幫助，但傳統的太空天線有一個明顯的限制：必須能夠承受發射並適合火箭的可用空間。
這就是不尋常的部分開始的地方。如果天線是在發射後建造的會怎樣？史密斯的構想是將其組件發送到太空中，並由機器人在那裡組裝。NASA 已經通過 ARMADAS（自動可重構任務自適應數位組裝系統）開發相關技術。該專案使用相對簡單的機器人來組裝稱為「體素」（voxels）的標準化結構建築塊。在一次 NASA 的演示中，三台機器人自主地將數百個這些塊組裝成一個約與小屋相當大小的結構。
這些機器人以一種像尺蠖的方式操作，運輸、定位和固定模塊。因此，這一構思與將一個巨型天線送入軌道的想法有所不同，更像是發送一個建設套件。
超材料的應用
超材料進入畫面的地方是，這些建築塊不僅僅是金屬片。史密斯專注於電磁超材料，這些是人工結構化的材料，其幾何形狀可以被設計為以不尋常的方式與電磁波互動。他的杜克大學團隊在 2006 年著名地演示了一個微波頻率的超材料「隱形斗篷」，顯示出工程結構能夠以傳統材料難以達到的方式操控電磁波。在 NASA 的這一概念中，超材料可以有效地成為巨大電磁孔徑的建築塊。研究人員可以將許多小型電磁元件組裝成一個更大的系統，而不是將天線視為一個巨型的傳統結構。
NASA 表示，該專案將調查使用數值建模的超材料設計，同時納入 ARMADAS 展示的機器人組裝的實際限制。
為何要使其變得龐大？對於雷達和其他電磁感測系統而言，較大的孔徑可以提供解析度和靈敏度的優勢。NASA 指出，增加孔徑大小可以改善波束轉向、雷達和觀測任務的性能。這可能使得在太空中組裝的系統對於追蹤越來越遙遠或難以檢測的物體變得有用。該概念並不一定僅限於殘骸追蹤，NASA 表示相同的設計原則最終可能適用於用於地球觀測和深空通信的巨大孔徑儀器。
面臨的挑戰
不過，這一構想也面臨重大未解決的問題。由數千或數百萬個模塊組裝而成的巨大結構必須在軌道上保持機械和電氣的可靠性。個別組件可能會受到微流星體或軌道殘骸的損壞，而該結構必須能夠承受熱循環和惡劣的太空環境。一個特別具挑戰性的方面是，雷達必須在它所設計來監控的同一充滿殘骸的環境中運行。大型模塊化結構可能會被其所要追蹤的高速殘骸撞擊，這引發了有關如何更換受損的超材料元件以及局部故障是否會影響整個天線的問題。
這些並不是 NASA 在其第一階段描述中指出的限制，但它們展示瞭如果該概念超越研究階段，必須回答的實際問題。NASA 的 ARMADAS 工作已經在探索自主建設和重構，但其演示結構相比於為先進太空感測所設想的巨大孔徑而言仍屬於實驗室規模。這正是該新專案的吸引之處，它結合了三種大多數獨立發展的技術：超材料、自主機器人建設和大型太空結構。如果該概念能成功實現，最大的突破可能不僅僅是更好的雷達，而是能在軌道上以新的方式建造巨大的基礎設施，而無需將這些基礎設施作為單一的巨型機器發射。
機器人建造技術的潛在影響
這項研究不僅聚焦於太空雷達的建造，更是探索機器人技術在太空基礎設施中的應用。隨著太空活動的增加，對於更高效的監測系統需求日益迫切。透過模塊化的超材料和自主機器人，未來可能實現更靈活的太空建設方式，這對於太空探索和資源管理具有深遠影響。成功的話，這將開創太空建設的新時代，顯著提升我們的太空能力。