Οι δορυφόροι παρατήρησης της γης θα μπορούσαν να πετάξουν πολύ χαμηλότερα από τα σημερινά ύψη και να κάνουν καλύτερη επιστήμη
Οι μηχανικοί δορυφόρων γνωρίζουν αυτό που γνωρίζει κάθε φωτογράφος: πλησιάστε το θέμα σας για να τραβήξετε καλύτερες φωτογραφίες. Όχι μόνο εικόνες ορατού φωτός, αλλά σε όλο το φάσμα. Το χαμηλότερο υψόμετρο βελτιώνει επίσης πράγματα όπως ραντάρ, lidar, επικοινωνίες και gps.
Αλλά όταν το θέμα σας είναι η Γη και η Γη περιβάλλεται από μια ατμόσφαιρα, το να πλησιάσετε είναι ένας λεπτός χορός με τη φυσική. Όσο πιο κοντά πλησιάζει ένας δορυφόρος στη Γη, τόσο περισσότερη ατμοσφαιρική αντίσταση συναντά. Και αυτό μπορεί να σημαίνει μια απρογραμμάτιστη πτώση σε καταστροφή για τους δορυφόρους Earth-Observing (EO).
Το να φέρουμε τους δορυφόρους σε τροχιά πιο κοντά στη Γη είναι ένα είδος Ιερού Δισκοπότηρου στην παρατήρηση της Γης. Εάν μπορείτε να πλησιάσετε έναν δορυφόρο, μπορείτε να μειώσετε το ωφέλιμο φορτίο και να έχετε τα ίδια αποτελέσματα με έναν δορυφόρο σε υψηλότερη τροχιά, μειώνοντας έτσι το κόστος. Ή, μπορείτε να διατηρήσετε ένα παρόμοιο ωφέλιμο φορτίο και να έχετε πολύ καλύτερα αποτελέσματα.
Τα οφέλη των δορυφόρων VLEO είναι πολλά. Χρησιμοποιούμε δορυφόρους για να παρακολουθούμε τυφώνες, δασικές πυρκαγιές, ρεύματα ρεύματος, μουσώνες και κλιματική αλλαγή. Το χρησιμοποιούμε για την παρακολούθηση της γεωργίας, για την παρακολούθηση της ανάπτυξης όπλων, των στόλων υπεράκτιας αλιείας και για την παρακολούθηση της έναρξη εστιών ασθενειών . Οι δορυφόροι παρέχουν κάλυψη GPS, κάλυψη Διαδικτύου και πλήθος άλλων υπηρεσιών επικοινωνίας. Η προσέγγιση των δορυφόρων στη Γη θα ωφελούσε όλες αυτές τις προσπάθειες και όχι μόνο. Μια γρήγορη ματιά στο Παρατηρητήριο Γης της NASA το κάνει σαφές.
Για τους δορυφόρους παρατήρησης της γης, καλύτερα αποτελέσματα σημαίνει εικόνες και δεδομένα υψηλότερης ανάλυσης, καλύτερες αναλογίες σήματος προς θόρυβο και χαμηλότερη καθυστέρηση στις επικοινωνίες. «Τα πρόσθετα οφέλη περιλαμβάνουν βελτιωμένη ακρίβεια γεωχωρικής θέσης», γράφουν οι συγγραφείς στην εργασία τους, «βελτιώσεις στους προϋπολογισμούς συνδέσεων επικοινωνιών και μεγαλύτερη ικανότητα εισαγωγής οχήματος εκτόξευσης».
Η Παρατήρηση της Γης έχει προχωρήσει πολύ. Αλλά αν οι δορυφόροι μπορούσαν να περιφέρονται πιο κοντά στη Γη, στο VLEO, τότε οι παρατηρήσεις μας θα ήταν πολύ καλύτερες. Πίστωση εικόνας: Παρατηρητήριο Γης της NASA.
Το εμπόδιο σε όλες αυτές τις βελτιώσεις είναι η ατμόσφαιρα της Γης. Όσο πιο κοντά πλησιάζει ένας δορυφόρος στη Γη, τόσο πιο πυκνή είναι η ατμόσφαιρα, δημιουργώντας μεγαλύτερη αντίσταση. Χωρίς τρόπο να αντιμετωπιστεί αυτή η έλξη, οι δορυφόροι πολύ κοντά στη Γη θα μπορούσαν να υποστούν τροχιακή αποσύνθεση και να καταστραφούν στην ατμόσφαιρα μέσα σε λίγες εβδομάδες. Τι πρέπει να γίνει;
Σε μια νέα εργασία, μια ομάδα ερευνητών εξετάζει τα ζητήματα που αφορούν την Παρατήρηση της Πολύ Χαμηλής Γης ή VLEO. Η εφημερίδα έχει τίτλο « Τα οφέλη της πολύ χαμηλής τροχιάς της γης για αποστολές παρατήρησης της γης .» Ο κύριος συγγραφέας είναι ο Nicholas Crisp από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και η εργασία θα δημοσιευθεί στο περιοδικό Progress in Aerospace Sciences.
Η ατμοσφαιρική έλξη και η ανεπιθύμητη τροχιακή αποσύνθεση μπορεί να είναι το πιο σημαντικό ζήτημα που αντιμετωπίζει το VLEO, αλλά όπως επισημαίνουν οι ερευνητές στην εργασία τους, είναι μόνο ένα από τα εμπόδια.
Οι τροχιές VLEO ορίζονται συνήθως ως τροχιές κάτω των 450 km. Η ανώτερη ατμόσφαιρα σε αυτό το υψόμετρο περιέχει ατομικό οξυγόνο. Το ατμοσφαιρικό οξυγόνο που αναπνέουμε είναι μοριακό οξυγόνο (O2), δηλαδή δύο άτομα οξυγόνου συνδεδεμένα μεταξύ τους. Στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης, το υπεριώδες φως του Ήλιου διασπά το μοριακό οξυγόνο σε ατομικό οξυγόνο. Έτσι, το ατομικό οξυγόνο είναι αδέσμευτο, που σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά αντιδραστικό. Απλώς περιμένει να δεθεί με κάτι.
Το κλάσμα όγκου των κύριων συστατικών της ατμόσφαιρας της Γης σε συνάρτηση με το ύψος σύμφωνα με το ατμοσφαιρικό μοντέλο MSIS-E-90. Το ατομικό οξυγόνο εμφανίζεται με μπλε χρώμα και είναι το πιο πυκνό μεταξύ 200 και 400 km. Πίστωση εικόνας: By Amaurea – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=71001656
Αυτή η προθυμία για δεσμό προκαλεί διάβρωση οξυγόνου , ένας κίνδυνος για δορυφόρους που λειτουργούν στο VLEO. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά όταν Τα διαστημικά λεωφορεία επέστρεψαν στη Γη με φθορές στις θερμικές κουβέρτες τους. «Στις πρώτες πτήσεις με λεωφορείο, τα υλικά έμοιαζαν παγωμένα επειδή στην πραγματικότητα είχαν διαβρωθεί και είχαν υφή», λέει ο Bruce Banks, ανώτερος φυσικός της Alphaport, που υποστηρίζει το τμήμα Space Environment and Experiments στο Glenn Research Facility της NASA. «Το ατομικό οξυγόνο αντιδρά με οργανικά υλικά στο εξωτερικό του διαστημικού σκάφους, καταστρέφοντάς τα σταδιακά».
Για να λειτουργούν με ασφάλεια στο VLEO, οι δορυφόροι πρέπει να κατασκευάζονται από υλικά που ανθίστανται στη διάβρωση του οξυγόνου. Η ESA εργάζεται για το πρόβλημα, χρησιμοποιώντας την ατομική της γεννήτρια οξυγόνου Εργαστήριο Υλικών και Ηλεκτρικών Εξαρτημάτων . Η γεννήτρια χρησιμοποιεί ένα λέιζερ για να δημιουργήσει ατομικό οξυγόνο και δοκιμάζει τα αποτελέσματά του στα υλικά στο κενό.
Γενικά, τα μέταλλα είναι πιο ανθεκτικά στην ατομική διάβρωση από τα πολυμερή, αλλά τα πολυμερή είναι ελαφρύτερα και παρέχουν καλύτερη θερμομόνωση. Τα πολυμερή χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρονική και την οπτική, εν μέρει επειδή είναι τόσο ελαφριά. Και ενώ τα μέταλλα αντιστέκονται στη διάβρωση του οξυγόνου καλύτερα από τα πολυμερή, είναι βαριά.
Βήτα πανιά χρησιμοποιούνται ευρέως σε διαστημικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των διαστημικών στολών, επειδή αντιστέκονται στη διάβρωση του οξυγόνου. Οι κόλποι του διαστημικού λεωφορείου ήταν σχεδόν εξ ολοκλήρου καλυμμένοι με ύφασμα βήτα επειδή ήταν ανοιχτοί στο διάστημα για μεγάλες χρονικές περιόδους. Και η NASA χρησιμοποίησε ένα ύφασμα βήτα για την προστασία του πυρηνικού σταθμού του Curiosity. Ως μέρος της προσπάθειάς τους για το VLEO, η ESA διερευνά καλύτερα υφάσματα βήτα.
Το εσωτερικό του κόλπου φορτίου των διαστημικών λεωφορείων ήταν σχεδόν πλήρως καλυμμένο με ύφασμα βήτα, για να το προστατεύσει από τη διάβρωση του ατομικού οξυγόνου. Πίστωση εικόνας: NASA
Ένα άλλο πλεονέκτημα των δορυφόρων VLEO είναι η αποφυγή σύγκρουσης.
Τα διαστημικά σκουπίδια είναι ένα αυξανόμενο πρόβλημα, ειδικά στο LEO. Αλλά στο VLEO, υπάρχει πολύ λιγότερο από αυτό. Στην εργασία τους, οι συγγραφείς γράφουν: «Εκτός από τα φυσικά μικρομετεωροειδή, τα αντικείμενα που παραμένουν σε τροχιά περιλαμβάνουν κυρίως διαστημόπλοια μετά την αποστολή και αποτυχία, ανώτερα στάδια οχημάτων εκτόξευσης, ανάπτυξη και άλλα στοιχεία που σχετίζονται με την αποστολή και υποβάθμιση της επιφάνειας και
προϊόντα πρόωσης μεταξύ άλλων διάφορων αντικειμένων.»
Αυτά τα διαστημικά σκουπίδια τείνουν να επιμένουν περισσότερο στον LEO, αφού η τροχιακή αποσύνθεση διαρκεί περισσότερο. Έτσι, το LEO γίνεται όλο και πιο επικίνδυνο μέρος και τα συντρίμμια που δημιουργούνται εκεί μπορούν να διαρκέσουν περισσότερο από την αποστολή από την οποία προήλθε. Όχι μόνο υπάρχουν λιγότερα συντρίμμια στο VLEO, αλλά και τυχόν συντρίμμια που υπάρχουν εκεί τείνουν να αποσυντίθενται πιο γρήγορα και να καταστρέφονται στην ατμόσφαιρα. «Ωστόσο», γράφουν οι συγγραφείς, «στο VLEO η ατμοσφαιρική πυκνότητα είναι υψηλότερη και τυχόν συντρίμμια που είναι
που δημιουργείται ή εισέρχεται σε αυτό το καθεστώς από υψηλότερες τροχιές θα αποσυντεθεί με ταχύτερο ρυθμό».
Αυτά τα δύο σχήματα από τη μελέτη δείχνουν μια προσομοιωμένη πρόβλεψη για μελλοντικά διαστημικά σκουπίδια ανά υψόμετρο και πυκνότητα. Πίστωση εικόνας: Crisp et al, 2020.
Η ακτινοβολία είναι επίσης ένα πρόβλημα στην τροχιά της Γης. «Το περιβάλλον ακτινοβολίας στο οποίο εκτίθεται ένα διαστημικό σκάφος στο LEO αποτελείται από έναν συνδυασμό ενεργητικών σωματιδίων παγιδευμένων από το μαγνητικό πεδίο της Γης, ηλιακές εκλάμψεις,
και γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες», γράφουν οι ερευνητές. Αυτή η ακτινοβολία αποτελεί κίνδυνο για τον ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό στα διαστημόπλοια. Και εδώ, το VLEO είναι ένα ασφαλέστερο —και ίσως πιο οικονομικό— περιβάλλον για δορυφόρους από το LEO.
«Με αυξανόμενο ενδιαφέρον και χρήση εμπορικών εξαρτημάτων εκτός ραφιού χωρίς σκλήρυνση από ακτινοβολία, η μείωση της έκθεσης στην ακτινοβολία σε χαμηλότερα υψόμετρα μπορεί να επιτρέψει αποστολές μεγαλύτερης διάρκειας με χρήση αυτών των εξαρτημάτων
καθώς αντίστοιχα μειώνεται η δόση εφ' όρου ζωής», γράφουν. «Εναλλακτικά, ακόμη και φθηνότερα εξαρτήματα για καταναλωτές μπορεί να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία στο VLEO, μειώνοντας περαιτέρω το κόστος αποστολής και τον χρόνο ανάπτυξης του συστήματος».
Το γενικότερο πρόβλημα με τους δορυφόρους VLEO είναι πιθανώς η ατμοσφαιρική αντίσταση. Αυτό είναι που εμποδίζει όλα τα οφέλη της λειτουργίας εκεί. Χωρίς τρόπο να ξεπεραστεί αυτή η οπισθέλκουσα, οι δορυφόροι απλώς θα πέσουν από την τροχιά πολύ σύντομα και θα καούν κατά την επανείσοδο. Είναι πιθανό ότι οι δορυφόροι θα μπορούσαν να σχεδιαστούν κάπως αεροδυναμικά, ώστε να χρησιμοποιούν την όλο και πιο πυκνή ατμόσφαιρα για να δημιουργήσουν ανύψωση. Αυτή είναι μια ενεργή ερευνητική περιοχή.
Αλλά μπορεί να είναι η περίπτωση που απαιτείται ένα σύστημα πρόωσης για την εξουδετέρωση της οπισθέλκουσας. Υπάρχουν λύσεις στον ορίζοντα για αυτό, ειδικά με τη μορφή Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP.)
Γενικευμένη έννοια ενός ηλεκτρικού που αναπνέει ατμόσφαιρα
σύστημα πρόωσης (ABEP). Πίστωση εικόνας: Crisp et al, 2020.
Αν και η ατμόσφαιρα είναι πολύ λεπτή στο VLEO, είναι ακόμα εκεί. Το οξυγόνο σε αυτό το περιβάλλον μπορεί να λειτουργήσει ως προωθητικό για τα συστήματα ABEP. Το πρόβλημα είναι η χαμηλή πυκνότητα.
Η ESA εργάζεται σε ένα Ηλεκτρονικός προωθητής που αναπνέει αέρα , μια κίνηση ιόντων που χρησιμοποιεί το ατμοσφαιρικό οξυγόνο ως πηγή ιόντων, με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας ενός δορυφόρου να παρέχει την ηλεκτρική ενέργεια. Κάνοντας αυτό, το σύστημα δεν χρειάζεται να φέρει προωθητικό ξένον, αντί να συλλέγει το ατομικό οξυγόνο στο VLEO.
Το πρόβλημα, πάλι, είναι η χαμηλή πυκνότητα αυτού του ατομικού οξυγόνου. Η ESA αναπτύσσει μια ειδική εισαγωγή για τον προωθητή τους που θα συλλέγει και θα συμπιέζει το οξυγόνο, καθιστώντας το βιώσιμο ως προωθητικό. Το σύστημα έχει δοκιμαστεί με επιτυχία σε συνθήκες προσομοίωσης VLEO.
Ένα σχέδιο ενός συλλέκτη εισαγωγής αέρα για χρήση σε ηλεκτρικούς προωθητές αέρα σε δορυφόρους. Πίστωση εικόνας: ESA/VKI/Politechnico di Milano
Τα οφέλη του VLEO εκτείνονται από το προφανές, όπως η Παρατήρηση Γης υψηλότερης ανάλυσης (EO), έως τα λιγότερο προφανή, όπως η καλύτερη αποφυγή συντριμμιών. Αλλά το καλύτερο EO δεν αφορά μόνο την επιστήμη και τα δεδομένα, υπάρχει και μια ανθρωπιστική πτυχή σε αυτό. Οι συγγραφείς γράφουν ότι «Ωστόσο, απαιτείται ζήτηση για υψηλότερη ανάλυση και πιο έγκαιρη απεικόνιση για να καταστεί δυνατή μια πιο γρήγορη και ακριβής απόκριση. Τα μελλοντικά δορυφορικά συστήματα VLEO μπορεί να είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν αυτή τη ζήτηση υποστηρίζοντας βελτιωμένη ανθρωπιστική βοήθεια και διαχείριση κρίσεων».
Αλλά τα προβλήματα της ατμοσφαιρικής αντίστασης, της διάβρωσης του ατομικού οξυγόνου και άλλα, εξακολουθούν να χρειάζονται λύσεις. Εάν το παρελθόν προβλέπει το μέλλον, τότε φαίνεται πιθανό ότι οι λύσεις σε αυτά τα προβλήματα θα φτάσουν στο μέλλον. Μόλις το κάνουν, η παρατήρηση της γης, η ακρίβεια GPS και όλα τα άλλα οφέλη του VLEO θα γίνουν πραγματικότητα.