如何清理太空垃圾?华东康桥学生出招了!

4月29日中午,中国首个空间站核心舱“天和”发射成功。这个“太空网红”的一波大动作将全世界的眼光带到了地球之外的宇宙中。人类在太空的每一个探索,都值得思考,它意味着人类文明在宇宙延续的能力又近了一步。不少人对太空着迷,华东康桥几位学生也一直关注着太空这片“神秘”的领域,但他们的角度与众不同;因为,他们“盯上”的,是——“太空垃圾”。一起来听听,这群执迷于探索太空魅力的少年们的故事。

问鼎康莱德创业挑战赛

最近,华东康桥的一支队伍带着自主设计的“太空垃圾探测仪——CrypCase”参加了太空科技与商业届的一项顶级赛事——Conrad Spirit Of Innovation Challenge康莱德创业挑战赛,并获得全国冠军!

Conrad Spirit Of Innovation Challenge康莱德创业挑战赛(下文简称“ 康莱德挑战赛”) 以阿波罗12号宇航员Charles “Pete”Conrad 命名。作为人类历史上第三位登上月球的宇航员,他致力于推进航空航天技术发展。他逝世后,他的夫人Nancy Conrad为延续他对创新和创业精神的追求,创立康莱德基金会,康莱德挑战赛就是康莱德基金会主办的旗舰项目。康莱德挑战赛是全球首个将"STEM"和"商科"两大教育主题结合,集科技与技术、创新和培养企业家精神于一体,并受NASA等权威机构支持,MIT RSI夏校认可的青年学生赛事。参赛学生以小组为单位共同完成创意商业项目以解决具有挑战性的社会问题(太空领域为主)。作为青年学生创业竞赛,面向13-18岁的青年学生开放,有着15年办赛历史的康莱德挑战赛,已吸引了全球72个国家的学生参赛。2019-2020赛季的全球赛共有近750个代表队参加。2021年Conrad Challenge 正式登陆中国。

究竟是什么神奇的创造,能够在强校云集的Conrad Challenge里拿到全国冠军?

CrypCase ——改善太空环境助推器

你了解过地球以外的世界吗?
在遥远的太空里有多少垃圾?
找到并清理这些垃圾有什么意义?

根据数据显示,2017年太空中的飞行物数量为17889件,其中仍在工作的航天器仅有1599件,这意味着91%都是太空垃圾。太空垃圾的产生速度不仅不可控、危险性强,还对即将发射的卫星增加了不少计算负担。2009年2月10日,Iridium 33 和Cosmos 2251两颗卫星发生碰撞,太空中碎片数量暴增,即下图所示。

在参赛初期,虽然团队总体方向锁定在了太空领域,但具体着手于什么细分主题确实花了CrypteX小队不少心思,在大量搜集资料并结合现有研究成果后,他们有了更明确的方向:虽然目前太空垃圾最大的信息库已由美国的洲际导弹防御系统雷达网所提供,但由于太空管理上的某些不足,全世界的范围内并没有一种小型的、易操作的太空垃圾探测器供大学、研究机构等灵活地进行太空观测和研究。于是,一个具有独创性的Idea便在这样一个太空需求痛点上展开了。

据介绍,被设计成10cm*10cm的CrypCase在装上特制的雷达后可以实现多方向检测,将相关零部件镶嵌在立方星上的设计不仅能够使现有卫星附增检测的功能,并且大大降低了研究机构们探测太空垃圾以及其他飞行物的成本 。

并且CrypteX运用到了团队成员原创的雷达科技,加上辅助的FMCW RADAR、Magnetorquer以及Solar Sail科技,经过巧妙的模型设计,在太空得以上实现360°全方位观测的功能。在产品的商业对接上,CrypteX团队通过贴合他们自主观测、研究以及保护太空环境的需求,瞄准了超大航天实验室下游的大学、研究机构等市场群体,以合理受众定位使产品最终落地。

华东康桥藏龙卧虎,然而学生们对获此殊荣却抱着一颗难得的平常心,谦谦君子,卑以自牧,直到拿了全国冠军的喜讯传来,我们才从师生的闲聊中得知这个消息。

徐绎杰 Daniel Hsu

在满地干燥柴火面前,只需要划开一根火柴就能燃起一团篝火。华东康桥小队的康莱德夺冠之旅便是在队长Daniel的发起和组织下成行的。据Daniel所说,虽然这次比赛有遇到一些挫折,但是在组建团队的阶段进行得异常顺利。“我擅长3D建模与建筑设计,Luc在科技这一块很有研究,Eddy有强大的学术背景和科研能力, Jerry则在商业方面有过人的经验。四人一拍即合。” Daniel如是说到。

身为队长的Daniel在本次项目中除了扮演统筹、分工等角色外,同时自己出色的3D建模以及设计能力也有一定的发挥空间。由于CrypCase的造型是一个立方星,要在它原有外形的基础上增加其他功能,需将相关零部件巧妙的镶嵌起来,保持立方星的原造型能保持其在太空内飞行功能不受阻碍。

在康桥,学生从小便可以根据兴趣选择不同的科目进行学习,从小便对建筑设计有着极大兴趣的Daniel很早便开始研究起了3D建模和设计,到他们本次参赛的时候,他的3D建模与渲染水平已经超过了同龄学生的水平,CrypCase的外形的巧妙设计便是建立在他的设计经验之上。

说起设计与3D建模,许多人理解起来或许还有点“虚幻”,但Daniel沉酔其中的原因恰恰是设计有着将想法变为现实的“魔力”。甚至于,他早早便以自己的房间为对象小试牛刀,实际效果惊人的神还原,从这我们也许能多少了解到他钟情于设计的原因。

专业的精进,生活中的实践,再到逐渐获得社会上的认可,由热爱引领着去努力,我们常常惊讶于自己能创造的成就所到达的领域和高度,从Daniel身上便可见一斑。

史卓轩 Luc Shi

康莱德挑战赛的其中几大亮点是科技、技术与创新,那CrypteX团队在科技上有何创新?这就不得不提史卓轩 Luc。说到技术的重要性,华为的任正非就曾这样描述过一个程序员:“十几年鼓捣电脑,也不多与人说话,突然有一天他就把2G到3G的算法突破了,我们一下子就领先全世界。”专注、惜字如金、实践性强是我们对科研人员的普遍印象,这不是没有道理的,Luc就是这样的人。

他喜欢科技,准确而言是喜欢“鼓捣”科技产品,和各种“机器”待在一起带给他的成就感远胜于与题海相伴。本次CrypCase的核心科技——雷达便是出自史同学的“科研成果”。

话说在初定项目主题时,四个成员各自提出了不同的方向,而最终能在众多想法中锁定在太空垃圾检测,起决定性的因素便是Luc已经在着手研发的雷达科技已经有了实际的成品,可以在改造后投入使用。

“我小时候就对科学感兴趣,长大之后慢慢接触了电子相关的东西,就起了浓厚的兴趣。因为电子它其实一个很广的话题,我也研究其他很多的产品,最近我是对微波相关的最感兴趣,其中一个比较好实现也比较有意思的小分类就是雷达,雷达是我一直想研究的,而且我们学校课程内有一个扩展论文,我选择雷达作为我的主攻方向,所以我想既然现在都主要在研究雷达了,那么说不定我也能把雷达这个技术用在我们这个比赛上。”Luc说到。

“在原理上这个雷达也有它的创新之处,我把现代汽车上面用的防撞雷达移植到了太空中,因为一般传统的大型雷达都是和军事相关的,这种雷达因为大功率、大体型、远距离和高成本等原因,他们没有办法去把它做小。但是现在地面上的一些汽车的防撞雷达的原理是革新的,他可以做很小比较便宜,我通过改变他的功率把这个雷达移植到卫星上。”

崔彰铉 Eddy Choi

每个团队都少不了一个学霸担当,崔同学就是团队中一个“行走的知识库”。崔同学虽然来自韩国,但从小学六年级便在康桥了,如今中文以及英文水平都已到了母语级别,托福更是考了120分满分,如果说史同学是在某个技术领域走得深,那崔同学就是在这篇海域走得广。

“在设计模型的时候,在模型表层的材质上有个小插曲,最初CrypCase的表面用的材料是铝,这是一个很典型的配置。但我在调查后提出铝并不是最适合的材料,首先是铝材料比较贵,并且在太空中不易被燃烧,太空中的物体一定程度上需要具备易燃性,在比较之后我提议用一个比较新的材料——Mg(镁)来替代铝,因为镁相对比铝更易燃烧并且更轻,”Eddy说到。

他强大的知识储备以及高效的信息检索与整合能力立功不少,不仅预见了技术上可能会出现的小问题,并且在团队突遇技术难题时,高效灵活的化解障碍。“我们虽然有Luc的雷达,但雷达只能往一个方向进行探测,我们得让CrypCase的视野转起来,然后Eddy的检索能力非常强,当时在各种文件中自学了几个附加科技的原理解决了我们全方位探测的问题。”Daniel说到。

吴镇宇 Jerry Wu

康莱德挑战赛是全球首个将"STEM"和"商科"两大教育主题结合的赛事,这意味着CrypteX团队有了好的产品还不够,合理的商业策划使项目与市场结合是成功的临门一脚,这个人选队长Daniel则选定了有创业经验的Jerry,至此,CrypCase便集科技、创新和商业元素于一体,其项目的可行性比一般学术科研类赛事,多了至关重要的一道商业维度。

据Jerry介绍,C最有优势的一点在于它并不好高骛远地指向太空最庞大、最复杂的领域,而是更接地气地选择了易操作的太空垃圾检测,并把市场目标群体指向更小、数量更多的大学及研究机构或企业。这个定位好比在大热点的周围瞄准市场空缺,往往能有出其不意的效果。

“太空垃圾是一个并不陌生的概念,熟悉度使这个领域天生自带了部分市场,虽然某些大国有大型检测太空垃圾的仪器,但是对小型研究机构而言,太过于被动,并且精确度有限,只要价格合理,他们会寻求满足其自主探测太空环境的需求的方式。而我们的C在突破技术难题之后可以和这些机构原有的太空星结合,除了有一举多得的益处,且价格不高,他们完全可以承担。” Jerry这样说到。“并且太空垃圾的产生本就是因为太空环境的公共属性造成的,现在甚至对新卫星的发射造成了不小的计算负担,正是着手处理的时机。如今中国不断的在世界公共领域发挥作用,我们的太空垃圾项目也更容易得到支持。”

我们为四位学生的成绩感到骄傲,更欣慰的是看到他们在各自的领域发光,无论是对学习还是在生活中,他们都饱含着对世界甚至于宇宙的好奇心与活力。

康桥文教集团董事长李万吉先生曾说:“当学习变成一件快乐的事情,孩子会比较容易有成就。”诚然,每个孩子都有自己独特的魔法,当在适宜的环境下,学生领悟了学习的真谛,所有人都会惊叹其能量之大、光芒之耀眼,也许这就是教育的恒久的魅力所在。

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