Quando os satélites quebram, o que é surpreendentemente frequente, não há muito que você possa fazer sobre eles.

Eles se tornam destroços caros e perigosos, orbitando a Terra por anos ou gerações, até que a gravidade os atrai para uma morte de fogo na atmosfera.

O professor Ou Ma da Universidade de Cincinnati está desenvolvendo tecnologia de robótica para consertar satélites em órbita em seu Laboratório de Robótica Inteligente e Sistemas Autônomos. Ele visualiza satélites robóticos que podem ser acoplados a outros satélites para reparos ou reabastecimento.

Ma disse que um milhão de coisas podem dar errado a cada lançamento de satélite. Mas para a maioria dessas falhas, nada pode ser feito depois que o satélite for implantado.

Um satélite Intelsat de $ 400 milhões do tamanho de um pequeno ônibus escolar apresentou defeito este ano após atingir uma órbita elíptica alta, de acordo com SpaceNews. Alguns dos primeiros 60 satélites Starlink lançados pela SpaceX também não funcionaram bem este ano, mas sua baixa órbita terrestre foi projetada para cair no esquecimento em apenas alguns anos.

Talvez a falha de satélite mais famosa de todos os tempos tenha ocorrido em 1990, quando o Telescópio Espacial Hubble foi implantado apenas para a NASA descobrir que seu espelho estava deformado. Uma missão de reparo subsequente a bordo do ônibus espacial Endeavour em 1993 substituiu o espelho para fornecer imagens surpreendentes do universo.

Enviar humanos ao espaço para reparos de satélites é proibitivamente caro, Ma disse. Quatro missões de serviço subsequentes do Hubble, que custaram bilhões de dólares combinadas, foram realizadas por astronautas do ônibus espacial.

Satélites defeituosos têm perseguido a maioria dos programas espaciais internacionais, do Japão à Rússia. O problema não se limita à órbita da Terra. Em 1999, um orbitador da NASA colidiu com Marte porque os engenheiros usaram libras em vez de newtons métricos no software do propulsor. Os propulsores dispararam com quatro vezes menos força do que o previsto e a órbita da espaçonave ficou criticamente baixa.

A incapacidade de reparar satélites torna-se uma preocupação mais urgente a cada lançamento, Ma disse.

"Os grandes satélites comerciais são caros. Eles ficam sem combustível, funcionam mal ou quebram, "Ma disse." Eles gostariam de poder subir lá e consertar, mas hoje em dia é impossível. "

A NASA espera mudar isso. Em 2022, a agência vai lançar um satélite capaz de reabastecer outros satélites em órbita baixa da Terra. O objetivo é interceptar e reabastecer um satélite do governo dos EUA. Espera-se que o projeto chamado Restore-L forneça uma prova de conceito para reparos de satélites autônomos, NASA disse.

Uma empresa do Colorado chamada Maxar está fornecendo a infraestrutura da espaçonave e braços robóticos para o projeto.

A maioria dos satélites caem em desuso porque esgotam seu suprimento de combustível - não devido a um mau funcionamento crítico, disse John Lymer, roboticista-chefe da Maxar. O reabastecimento por si só seria uma vantagem para a indústria, ele disse.

"Você está desativando um satélite perfeitamente bom porque ficou sem gás, " ele disse.

Lymer disse que está familiarizado com o trabalho que Ma está fazendo em seu Laboratório de Robótica Inteligente e Sistemas Autônomos.

"Ou Ma, com quem trabalhei por muitos anos, trabalha na organização de encontros e proximidade. Existem todos os tipos de soluções técnicas por aí. Alguns serão melhores do que outros. Trata-se de obter experiência operacional para descobrir quais algoritmos são melhores e o que mais reduz o risco operacional. "

Lymer disse que a indústria está prestes a decolar, criando uma benção para estudantes de engenharia aeroespacial como os da UC.

"Acho que é o futuro. Vamos rastejar para dentro dele - não saltar, " ele disse.

No laboratório de Ma, os alunos estão trabalhando na navegação automatizada de que os satélites precisarão para se encaixar em outros satélites no espaço. É um negócio complicado, pois uma colisão inadvertida em gravidade zero pode fazer um ou ambos os veículos tombarem.

"É fácil fazer com que ele tombe no espaço porque nada o segura. Então, o satélite se torna ainda mais difícil de agarrar. Se ele começar a tombar, ele pode cair para sempre, basicamente. Não vai parar por conta própria, "Ma disse.

Simulações de engenharia podem prever o comportamento dinâmico de um satélite alvo para que um satélite se aproximando possa prendê-lo com segurança, ele disse.

"Temos ferramentas de simulação para que possamos prever com precisão seu comportamento, " ele disse.

"Pegar algo no espaço é realmente difícil. E agarrar algo que está caindo no espaço é ainda mais difícil, "Ma disse." Você tem que ter muito cuidado para prever o comportamento dinâmico e executar controles precisos para que você possa 'desmontar' o satélite e segurá-lo com cuidado.

Ma comparou a navegação remota por satélite com a mais recente tecnologia de carros sem motorista. Em seu laboratório, os alunos testam esses algoritmos usando um robô do tamanho de uma caixa de sapatos que se move no que parece uma mesa de air hockey. Mas é o robô que fornece a almofada de ar como um hovercraft em miniatura para imitar o ambiente de microgravidade do espaço.

O candidato ao doutorado Andrew Barth explicou como funciona.

"No momento, é basicamente apenas uma cama de teste. Tem sensores de alcance, câmeras e uma unidade de medição inercial que você não pode ver embaixo, "ele disse." Ele se move com atuadores e oito propulsores direcionais para impulsioná-lo ao redor da mesa. "

Embora esteja limitado a se mover em um eixo X e Y, os conceitos de navegação podem ser aplicados a três dimensões, Barth disse.

Ma também está trabalhando na robótica complicada necessária para que um satélite faça reparos remotos. Seu laboratório tem vários braços robóticos de tamanho industrial com sete articulações que proporcionam uma gama completa de movimentos.

O satélite de reparo mais útil será capaz de realizar várias tarefas, Ma disse. Durante sua carreira, ele trabalhou em vários projetos relacionados aos braços robóticos a bordo da Estação Espacial Internacional e no antigo programa do ônibus espacial. Sua assinatura está flutuando em órbita em um equipamento a bordo da estação espacial.

"Este robô fará alguns testes de controle de algoritmos e tecnologia de sensor, "Ma disse, apontando para um braço robótico de tamanho humano em seu laboratório. "Não estamos simulando uma missão específica, mas a nova tecnologia testada que pode ser usada em missões futuras."

Em seu laboratório, Ma e o associado sênior de pesquisa da UC, Anoop Sathyan, estão desenvolvendo redes robóticas que podem trabalhar de forma independente, mas colaborativa em uma tarefa comum.

Para seu último estudo, Ma e Sathyan colocaram um grupo de robôs em teste com um novo jogo que usa cordas para mover um token anexado a um local designado na mesa. Uma vez que cada robô controla apenas uma corda, eles precisam da cooperação dos outros robôs para mover a ficha para o ponto certo, aumentando ou relaxando a tensão na corda em resposta às ações de cada robô.

Usando uma inteligência artificial chamada lógica fuzzy genética, os pesquisadores conseguiram três robôs e depois cinco robôs para mover o token para onde os pesquisadores queriam.

Seus resultados foram publicados este mês na revista. Robotica .

Os pesquisadores descobriram que, usando cinco robôs, o coletivo poderia realizar a tarefa mesmo se um dos robôs não funcionasse bem.

"Isso será especialmente verdadeiro para problemas com um grande número de robôs, onde a responsabilidade de um robô individual será baixa, "concluíram os pesquisadores.

Ma sempre teve um interesse permanente pelo espaço durante a maior parte de sua carreira. Na New Mexico State University, ele projetou um chicote mecânico que imitava a baixa gravidade. Os alunos que usavam o arnês podiam "pular na lua" em uma esteira com um sexto da gravidade da Terra ou fazer enterradas nas alturas em uma borda de basquete.

Ma disse que consertar satélites no espaço está se tornando uma prioridade crescente na indústria aeroespacial por causa do alto custo de falha.

“Ainda não é muito prático. A tecnologia ainda está em desenvolvimento, "Ma disse." Mas eu imagino que em cinco ou 10 anos, quando a tecnologia estiver madura, eles vão começar a comercializar isso para consertar satélites. "

Gordon Roesler, ex-gerente de programa da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA, disse à revista Astronomy que a incapacidade de reparar ou modificar satélites depois de lançados não faz sentido econômico.

"Não há outro [exemplo] onde construímos algo que vale meio bilhão de dólares ou um bilhão de dólares e nunca olhamos para isso novamente, " ele disse.

Companies will have to build satellites with remote repair or service in mind. Most satellites today are too fragile even to grasp remotely without risking damage.

"So many satellites couldn't be serviced today even if you wanted to. New satellites will need access doors to accommodate basic repairs and docking targets to help with the approach, " student Barth said.

Tempo é essencial. With every launch and every failed satellite, low Earth orbit is approaching the Kessler effect, the theory by Donald Kessler that satellite collisions could create a cascade of debris hampering the safety of future launches as depicted in the fictional 2013 Oscar-winning film "Gravity."

"Think of the speed of these objects. We're not talking about highway speed or even aircraft speed. They're traveling at 17, 000 mph, "Ma disse.

Ma said space is a field dominated by government agencies for the purposes of exploration and discovery. But the field is at the cusp of commercialization, which promises a wealth of aerospace engineering jobs for graduates who want to pursue them.

"Eventualmente, the commercialization of space will be a big industry, " ele disse.

His research is helping to push the frontiers of knowledge that will pave the way for future space projects.

"We're not developing an entire mission. We're developing the underlying technology, " Ma said. "Once the technology is proven, NASA or a commercial company would take it to the next step."

At a university where Neil Armstrong worked as an aerospace engineering professor, first steps can be big ones.