O aumento da população de veículos espaciais e satélites impulsiona tecnologias cada vez mais poderosas para consciência situacional espacial (SSA, na sigla em inglês). Embora a rede de vigilância espacial dos EUA (SSN) consiga monitorar objetos com cerca de quatro polegadas de tamanho, por exemplo usando a atualização mais recente do space fence, as exigências associadas limitam a implementação ao rastreamento baseado em solo de objetos em órbita terrestre baixa (LEO) com matrizes de radar em escala de quilômetros. Além da LEO, a perspectiva de tráfego cislunar e as distâncias extremas envolvidas tornam matrizes baseadas em solo impraticáveis. Essa limitação é fundamental para sistemas de radar coerentes: para um dado desempenho de detecção, o tamanho necessário da matriz cresce de forma diretamente proporcional à distância do alvo. Como resultado, pode de fato ser mais simples reduzir a distância de sensoriamento do que ampliar o tamanho das matrizes, e isso só pode ser alcançado ao migrar para uma plataforma de SSA baseada no espaço.
Embora sistemas de radar implantados no espaço ofereçam vantagens distintas em termos de capacidades de sensoriamento, as grandes distâncias associadas à vigilância cislunar ainda exigem aberturas extremamente grandes para desempenho adequado. Isso impõe desafios práticos significativos, baseados em limitações de estruturas implantáveis modernas que, até o momento, não conseguem consistentemente atingir dimensões superiores a 100 metros. Essa limitação surge porque antenas implantáveis de última geração, incluindo arquiteturas de membrana, malha e infláveis, exigem que toda a estrutura seja acomodada dentro de uma única carenagem de lançamento. Em contraste, a perspectiva de montagem em órbita sugere a possibilidade de estruturas escaláveis que não são limitadas pelas restrições de lançamento e, portanto, podem atender aos requisitos desafiadores de SSA de longo alcance.
Propomos um sistema de radar embarcado no espaço que combina o desempenho demonstrado de estruturas mecanicamente estáveis montadas de forma robótica com metamateriais eletromagnéticos volumétricos reconfiguráveis. A primeira tecnologia permite a construção modular e precisa de estruturas volumétricas arbitrárias, enquanto a segunda oferece uma plataforma de projeto sofisticada e prontamente compatível para atender aos requisitos desafiadores de SSA de longo alcance. Ambas as abordagens exploram um procedimento de projeto modular orientado por célula unitária, que possibilita uma escalabilidade quase arbitrária para plataformas de antenas robustas mecanicamente e eletromagneticamente. A capacidade de montar e controlar de forma confiável estruturas de antenas volumétricas dessa maneira abre acesso a novas e poderosas funcionalidades, incluindo varredura (steering) em campos de visão (FOV) amplos, sem a necessidade de varredura mecânica lenta da antena.
O trabalho proposto demonstrará a viabilidade e a escalabilidade de um metamaterial reconfigurável volumétrico em S-band para alcançar diversas capacidades de varredura de feixe. Esse esforço incluirá o avanço de estratégias de projeto de metamateriais para formação de feixe eletromagnético omnidirecional e a avaliação inicial/projeto de uma célula unitária reconfigurável compatível com montagem robótica. O desenvolvimento do procedimento de projeto do metamaterial explorará um modelo de dipolo numericamente eficiente, previamente validado em escalas menores, enquanto o projeto do elemento do metamaterial seguirá métodos numéricos de onda completa estabelecidos. Os conceitos de projeto do sistema incorporarão restrições práticas com base em demonstrações bem-sucedidas de montagem robótica pelos Sistemas Automatizados de Montagem Digital Adaptativa Reconfigurável de Missão (ARMADAS, na sigla em inglês).
Embora o projeto tenha como alvo aplicações de SSA, as considerações de projeto envolvidas também se aplicam a missões que exigem grandes aberturas físicas, como radiometria de baixa frequência para observação da Terra e comunicações no espaço profundo. Como o desempenho (resolução, sensibilidade) de todas as missões de varredura de feixe, radar e observação melhora com o aumento do tamanho das aberturas, a realização de estratégias eletromagnéticas alternativas que ofereçam redução de CSWaP pode trazer vantagens em uma ampla gama de programas da NASA.
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