Sateliti za promatranje Zemlje mogli bi se letjeti mnogo niže od trenutnih visina i učiniti bolju znanost
Satelitski inženjeri znaju ono što svaki fotograf zna: približite se svom objektu da biste dobili bolje slike. Ne samo slike vidljivog svjetla, već u cijelom spektru. Niža nadmorska visina također poboljšava stvari poput radara, lidara, komunikacija i GPS-a.
Ali kada je vaš predmet Zemlja, a Zemlja je okružena atmosferom, približavanje je delikatan ples s fizikom. Što se satelit više približava Zemlji, to nailazi na veći atmosferski otpor. A to može značiti neplanirani pad do uništenja za satelite za promatranje Zemlje (EO).
Približavanje satelita u orbiti Zemlji je svojevrsni Sveti gral u promatranju Zemlje. Ako možete približiti satelit, možete smanjiti nosivost i dobiti iste rezultate kao satelit u višoj orbiti, čime se smanjuju troškovi. Ili možete zadržati sličnu nosivost i postići puno bolje rezultate.
Prednosti VLEO satelita su brojne. Koristimo satelite za praćenje uragana, šumskih požara, propuha, monsuna i klimatskih promjena. Koristimo ga za praćenje poljoprivrede, za praćenje razvoja oružja, flota za ribolov na moru i za praćenje početak izbijanja bolesti . Sateliti pružaju GPS pokrivenost, internet pokrivenost i niz drugih komunikacijskih usluga. Približavanje satelita Zemlji koristilo bi svim tim nastojanjima, pa i više. Brzi pogled na NASA-in opservatorij Zemlje to jasno čini.
Za satelite koji promatraju Zemlju, bolji rezultati znače slike i podatke veće razlučivosti, bolji omjer signala i šuma i manje kašnjenje u komunikacijama. “Dodatne prednosti uključuju poboljšanu geoprostornu točnost položaja”, pišu autori u svom radu, “poboljšanja u proračunima komunikacijskih veza i veću sposobnost umetanja lansirnih vozila.”
Promatranje Zemlje je prešlo dug put. Ali kada bi sateliti mogli kružiti bliže Zemlji, u VLEO, tada bi naša opažanja bila puno bolja. Zasluge za sliku: NASA Earth Observatory.
Barijera svim tim poboljšanjima je Zemljina atmosfera. Što se satelit više približava Zemlji, to je atmosfera gušća, stvarajući veći otpor. Bez načina da se suprotstave tom otporu, sateliti koji su preblizu Zemlji mogli bi pretrpjeti orbitalni raspad i uništiti se u atmosferi za nekoliko tjedana. Što treba učiniti?
U novom radu, tim istraživača ispituje probleme u vezi s vrlo niskim promatranjem Zemlje ili VLEO. Rad nosi naslov “ Prednosti vrlo niske Zemljine orbite za misije promatranja Zemlje .” Glavni autor je Nicholas Crisp sa Sveučilišta u Manchesteru, a rad će biti objavljen u časopisu Progress in Aerospace Sciences.
Atmosferski otpor i neželjeno orbitalno raspadanje mogli bi biti najistaknutiji problem s kojim se VLEO suočava, ali kako istraživači ističu u svom radu, to je samo jedna od prepreka.
VLEO orbite se obično definiraju kao one ispod 450 km. Gornji sloj atmosfere na toj visini sadrži atomski kisik. Atmosferski kisik koji udišemo je molekularni kisik (O2), što znači dva atoma kisika povezana zajedno. U gornjim slojevima Zemljine atmosfere, sunčevo ultraljubičasto svjetlo dijeli molekularni kisik u atomski kisik. Dakle, atomski kisik je nevezan, što znači da je vrlo reaktivan. To je samo čekanje da se veže za nešto.
Volumenski udio glavnih sastojaka Zemljine atmosfere u funkciji visine prema atmosferskom modelu MSIS-E-90. Atomski kisik prikazan je plavom bojom, a najgušći je između 200 i 400 km. Zasluge slike: Amaurea – Vlastiti rad, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=71001656
Ova želja za vezanjem uzrokuje erozija kisika , opasnost za satelite koji rade u VLEO. Prvi put je otkriveno kada Space Shuttles su se vratili na Zemlju s oštećenjem njihovih toplinskih pokrivača. 'U prvih nekoliko letova shuttlea, materijali su izgledali smrznuti jer su zapravo bili erodirani i teksturirani', kaže Bruce Banks, viši fizičar iz Alphaporta, podržavajući podružnicu za svemirsko okruženje i eksperimente u NASA-inom Glenn Research Facility. 'Atomski kisik reagira s organskim materijalima na vanjskim površinama svemirskih letjelica, postupno ih oštećujući.'
Za siguran rad u VLEO-u, sateliti moraju biti proizvedeni od materijala koji su otporni na eroziju kisika. ESA je radila na problemu, koristeći njihov atomski generator kisika Laboratorij za materijale i električne komponente . Generator koristi laser za stvaranje atomskog kisika i testira njegove učinke na materijale u vakuumu.
Općenito govoreći, metali su otporniji na atomsku eroziju od polimera, ali su polimeri lakši i pružaju bolju toplinsku izolaciju. Polimeri se široko koriste u elektronici i optici, dijelom zato što su tako lagani. I dok metali bolje odolijevaju eroziji kisika od polimera, oni su teški.
Beta krpice naširoko se koriste u svemirskim aplikacijama, uključujući svemirska odijela, jer su otporne na eroziju kisika. Prostori Space Shuttlea bili su gotovo u potpunosti prekriveni beta tkaninom jer su bili otvoreni u svemiru dulje vrijeme. A NASA je također koristila beta tkaninu da zaštiti Curiosityjevu nuklearnu elektranu. Kao dio njihovog VLEO napora, ESA istražuje bolje beta krpice.
Unutrašnjost teretnog prostora Space Shuttlea bila je gotovo potpuno prekrivena beta tkaninom, kako bi se zaštitila od atomske erozije kisika. Zasluge za sliku: NASA
Još jedna prednost VLEO satelita je izbjegavanje sudara.
Svemirsko smeće sve je veći problem, posebno u LEO-u. Ali u VLEO-u toga je mnogo manje. U svom radu autori pišu: „Osim mikrometeoroida koji se pojavljuju u prirodi, objekti koji opstaju u orbiti uglavnom uključuju svemirske letjelice nakon misije i neuspjele letjelice, gornje stupnjeve lansirne rakete, razmještaj i druge stavke povezane s misijom, te degradaciju površine i
pogonski proizvodi među ostalim raznim objektima.”
To svemirsko smeće ima tendenciju da traje dulje u LEO, budući da orbitalno raspadanje traje dulje. Dakle, LEO postaje sve opasnije mjesto, a krhotine stvorene tamo mogu nadživjeti misiju iz koje je došao. Ne samo da je u VLEO-u manje krhotina, već svi ostaci koji se tamo nalaze imaju tendenciju bržeg raspadanja i uništenja u atmosferi. „Međutim“, pišu autori, „u VLEO-u je gustoća atmosfere veća i svi ostaci koji se
generirani u ovom režimu ili koji u njega uđu s viših orbita, raspadat će se brže.”
Ove dvije brojke iz studije pokazuju simulirano predviđanje budućeg svemirskog otpada prema visini i gustoći. Zasluge za sliku: Crisp et al, 2020.
Zračenje je također problem u Zemljinoj orbiti. “Okruženje zračenja kojem je svemirska letjelica izložena u LEO-u sastoji se od kombinacije energetskih čestica zarobljenih magnetskim poljem Zemlje, sunčevih baklji,
i galaktičke kozmičke zrake”, pišu istraživači. To zračenje predstavlja opasnost za osjetljivu elektroničku opremu na svemirskim letjelicama. I ovdje je VLEO sigurnije — i možda ekonomičnije — okruženje za satelite od LEO.
„Uz sve veći interes i korištenje komercijalnih komponenti bez očvršćavanja radijacijom, smanjenje izloženosti zračenju na nižim visinama može omogućiti dugotrajnije misije koje koriste ove komponente
kako se životna doza na odgovarajući način smanjuje”, pišu. “Alternativno, čak i jeftinije potrošačke komponente mogu se uspješno koristiti u VLEO-u, dodatno smanjujući troškove misije i vrijeme razvoja sustava.”
Sveobuhvatni problem s VLEO satelitima vjerojatno je atmosferski otpor. To je ono što stoji na putu svim prednostima djelovanja tamo. Bez načina za prevladavanje tog otpora, sateliti će jednostavno prerano ispasti iz orbite i izgorjeti pri ponovnom ulasku. Moguće je da bi sateliti mogli biti dizajnirani donekle aerodinamično, kako bi se iskoristila sve gušća atmosfera za stvaranje uzgona. Ovo je aktivno istraživačko područje.
Ali može se dogoditi da je potreban pogonski sustav za suprotstavljanje otporu. Na pomolu su rješenja za to, posebice u obliku Atmosfersko-disanje električni pogon (ABEP.)
Generalizirani koncept električne energije koja diše atmosferu
pogonski (ABEP) sustav. Zasluge za sliku: Crisp et al, 2020.
Iako je atmosfera u VLEO-u vrlo tanka, još uvijek je tu. Kisik u tom okolišu može djelovati kao pogonsko gorivo za ABEP sustave. Problem je niska gustoća.
ESA radi na Elektronički potisnik za disanje zraka , ionski pogon koji koristi atmosferski kisik kao izvor iona, sa satelitskim elektroenergetskim sustavom koji osigurava električnu energiju. Čineći to, sustav ne mora nositi nikakav ksenonski pogonski pogon, umjesto da skuplja atomski kisik u VLEO.
Problem je, opet, niska gustoća tog atomskog kisika. ESA razvija poseban usisnik za njihov potisnik koji bi skupljao i komprimirao kisik, što ga čini održivim kao pogonsko gorivo. Sustav je uspješno testiran u simuliranim VLEO uvjetima.
Crtež kolektora za usis zraka za korištenje na električnim zračnim potisnicima na satelitima. Zasluge za sliku: ESA/VKI/Politechnico di Milano
Prednosti VLEO protežu se od očitih, poput promatranja Zemlje u višoj razlučivosti (EO), do manje očitih, poput boljeg izbjegavanja krhotina. Ali bolji EO ne odnosi se samo na znanost i podatke, tu je i humanitarni aspekt. Autori pišu da je “Međutim, potrebna je potražnja za višom razlučivosti i pravodobnijim slikama kako bi se omogućio brži i precizniji odgovor . Budući VLEO satelitski sustavi mogli bi odgovoriti na ovaj zahtjev podržavajući poboljšanu humanitarnu pomoć i upravljanje krizama.”
No, problemi atmosferskog otpora, erozije atomskog kisika i drugi još uvijek trebaju rješenja. Ako prošlost predviđa budućnost, onda se čini vjerojatnim da će rješenja za ove probleme stići u budućnosti. Kada to učine, pojavit će se promatranje Zemlje, GPS točnost i sve druge prednosti VLEO-a.
