[論文レビュー] AttoSats: ChipSats, other Gram-Scale Spacecraft, and Beyond

Andreas M. Hein, Zachary Burkhardt+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2019

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 46被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、電子機器およびメカニカルシステムの極限的ミニチュリゼーションを可能にする、1–10グラムの宇宙船「AttoSats」を提案している。これにより、低コストで迅速な反復が可能な新しい宇宙ミッションのパラダイムが実現される。本研究では、分散型合成開口レーダー、大量の冗長性、極低高度軌道におけるイン・サイト科学など、従来の宇宙船では達成できない独自の能力を実現する方法を示している。今後、ミリグラムスケールの「ゼプトサット」や「ヨクトサット」がスマートダストおよびナノエレクトロニクスを用いて実現可能になる可能性がある。

ABSTRACT

The miniaturization of electronic and mechanical components has allowed for an unprecedented downscaling of spacecraft size and mass. Today, spacecraft with a mass between 1 to 10 grams, AttoSats, have been developed and operated in space. Due to their small size, they introduce a new paradigm in spacecraft design, relying on agile development, rapid iterations, and massive redundancy. However, no systematic survey of the potential advantages and unique mission concepts based on AttoSats exists. This paper explores the potential of AttoSats for future space missions. First, we present the state of the art of AttoSats. Next, we identify unique AttoSat characteristics and map them to future mission capabilities. Finally, we go beyond AttoSats and explore how smart dust and nano-scale spacecraft could allow for even smaller spacecraft in the milligram range: zepto- and yocto spacecraft.

研究の動機と目的

• AttoSats（1–10gの宇宙船）およびChipSatsが可能にする潜在的利点と独自のミッション能力を体系化すること。
• AttoSatsの極限的ミニチュリゼーションと低コストが、大がかりな宇宙船では実現不可能な新しいミッションアーキテクチャを可能にする方法を同定すること。
• さらにミニチュリゼーションをミリグラムスケールの宇宙船（ゼプトサットおよびヨクトサット）にまで拡大する可能性とその実現可能性、影響を調査すること。
• 将来の超小型宇宙船における主な障壁である電力供給と通信の課題を特定し、分散システムを活用した解決策を提案すること。
• 超小型衛星技術およびミッションコンセプト分野における今後の研究のロードマップを提示すること。

提案手法

• Sprite、SpinorSat、Drexel PinPoint、ThumbSatなどの、打ち上げ済みおよび開発中のプロトタイプを含む、既存のAttoSatおよびChipSatハードウェアプロジェクトを体系的に調査する。
• 低質量、低コスト（10–100ドル）、短い開発期間（6か月）、高い冗長性といった、AttoSatの独自の特徴を、新たなミッション能力にマッピングする。
• マルチチップモジュール（MCMs）、アプリケーションスペシフィックインテグレーテッドサーキット（ASICs）、スマートダストを含む、1グラム未満の宇宙船を可能にする新技術を分析する。
• AttoSatsの群れを用いた、分散通信、合成開口レーダー、健康状態モニタリングなどのミッションコンセプトをモデル化する。
• エネルギー・ビット伝送の理論的限界を用いて、電力と通信の制約を評価し、光機械的データ反射およびテザーを用いた電力回収によって解決策を提案する。
• ナノエレクトロニクス、分子エレクトロニクス、ナノエレクトロメカニカルシステム（NEMS）を用いた、さらなるミニチュリゼーションの理論的道筋を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–10グラムのAttoSats（宇宙船）は、大がかりな宇宙船では達成できない、どのような独自のミッション能力を実現できるか？
• RQ2 低コスト、迅速な開発、大量の冗長性を併せ持つAttoSatsが、宇宙ミッション設計および技術検証のあり方をどのように変革できるか？
• RQ3 宇宙船のさらなるミニチュリゼーションにおける技術的・物理的限界は何か？ また、ミリグラムスケール（ゼプトサット）またはミリグラム未満（ヨクトサット）の宇宙船を実現可能にする新技術は何か？
• RQ4 分散システムアーキテクチャを活用することで、超小型宇宙船における電力供給と通信のボトル neck をどのように克服できるか？
• RQ5 スマートダストおよびナノスケールエレクトロニクスは、イン・サイトの宇宙科学および探査ミッションの新しいクラスをどのように可能にするか？

主な発見

• 1–10グラムのAttoSatsは、3Uキューブサットから打ち上げられたSpriteやSpinorSatなどのChipSatsが実際に宇宙空間で打ち上げられ、運用に成功している。
• AttoSatsの開発コストは10–100ドルのオーダーであり、打ち上げまでの期間は6か月程度にまで短縮可能で、迅速な反復と宇宙への民主的アクセスを可能にする。
• AttoSatsの群れに大量の冗長性を組み込むことで、信頼性の高い統計的データ収集と、故障に強いミッションアーキテクチャが実現できる。
• 分散型合成開口レーダーおよび分散型通信は、AttoSats間での正確な編隊飛行と信号処理の協調によって、実現可能なミッションコンセプトである。
• 電力供給と通信が、特に1グラム未満の宇宙船では、今後のミニチュリゼーションの主なボトル neck であり、ビットあたりのエネルギー伝送に根本的な制限がある。
• ASIC（例：StarChip）、スマートダスト（1グラム未満のノード）、ナノエレクトロニクス（NEMS、分子エレクトロニクス）といった新技術が、ミリグラムスケールの宇宙船を可能にし、かつては現実的でないと考えられていたミッションタイプの実現を可能にする可能性がある。