Przez dziesięciolecia naukowcy próbowali ustalić minimalną liczbę satelitów, która byłaby w stanie zobaczyć każdy punkt na Ziemi. To pytanie jest częściowo uzasadnione rosnącym problemem odpadów kosmicznych, ale także względami kosztów i wydajności. W połowie lat osiemdziesiątych naukowiec John E. Draim zaproponował rozwiązanie tego problemu w serii badań, twierdząc, że wystarczyła konstelacja czterech satelitów.
Niestety jego rozwiązanie po prostu nie było wówczas praktyczne, ponieważ do utrzymania satelitów na orbicie potrzebna byłaby ogromna ilość paliwa. Ale dzięki niedawnym wspólnym badaniom zespół naukowców znalazł odpowiednią kombinację czynników, aby umożliwić konstelację czterech satelitów. Ich odkrycia mogą przyczynić się do postępu w telekomunikacji, nawigacji i teledetekcji przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.
Badanie, które opisuje ich odkrycia, pojawiło się niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza a kierował nim Patrick Reed, profesor inżynierii lądowej i środowiska na Cornell University. Do Reeda dołączyli inżynierowie i naukowcy z The Aerospace Corporation i University of California, Davis, przy wsparciu National Science Foundation (NSF).
Aby odpowiedzieć na pytanie, jak utrzymać działającą konstelację przy minimalnej liczbie satelitów, zespół rozważył wszystkie czynniki, które powodują deorbitację satelitów w czasie. Należą do nich pole grawitacyjne Ziemi, opór atmosferyczny, grawitacyjny wpływ Księżyca i Słońca oraz ciśnienie promieniowania słonecznego. Jak wyjaśnił Reed:
„Jednym z interesujących pytań było: czy rzeczywiście możemy przekształcić te siły? Czy zamiast degradować system, możemy go tak obrócić, aby konstelacja zbierała energię z tych sił i używała ich do aktywnej kontroli? ”
Wspólne badanie połączyło wiedzę The Aerospace Corporation w zakresie najnowszej astrofizyki, logistyki operacyjnej i symulacji z własną wiedzą Reeda w zakresie narzędzi do wyszukiwania obliczeń opartych na sztucznej inteligencji. Zespół polegał również na superkomputerze Blue Water na University of Illinois, aby przesiewać setki tysięcy możliwych orbit i kombinacji zaburzeń.
Jak wyjaśnił Lake A. Singh, dyrektor ds. Systemów w dziale Architektury Przyszłej The Aerospace Corporation:
„Wykorzystaliśmy wiedzę z zakresu projektowania konstelacji Aerospace, kierując się Cornellem w zakresie inteligentnych analiz wyszukiwania i odkryliśmy wykonalną operacyjnie alternatywę dla projektu konstelacji Draim. Te projekty konstelacji mogą zapewniać planistom misji istotne korzyści w zakresie koncepcji na orbitach geostacjonarnych i nie tylko. ”
Z czasem zespół był w stanie zawęzić projekty konstelacji do dwóch modeli. W jednym satelity mogą krążyć przez 24 godziny i osiągnąć 86% zasięgu globalnego. Z drugiej strony satelity będą orbitować przez 48 godzin i osiągną 95% zasięgu. Podczas gdy obaj nie mieli 100%, zespół stwierdził, że poświęcenie niewielkiego marginesu zasięgu doprowadziłoby do znacznego kompromisu.
Obejmuje to zdolność do wykorzystania większej ilości energii z tego samego promieniowania grawitacyjnego i słonecznego, które zwykle utrudniałyby sterowanie satelitami i powodowałyby rozpad ich orbit. Ponadto operatorzy satelitarni byliby w stanie kontrolować, gdzie wystąpiłyby luki w zasięgu, które trwałyby najwyżej 80 minut dziennie. Jak powiedział Reed, ten kompromis jest tego wart:
„Jest to jedna z tych rzeczy, w których dążenie do perfekcji może faktycznie hamować innowacje. I tak naprawdę nie poddajesz się dramatycznej ilości. Mogą istnieć misje, w których absolutnie potrzebujesz zasięgu z każdego miejsca na Ziemi, w takich przypadkach wystarczy użyć większej liczby satelitów lub czujników sieciowych lub platform hybrydowych. ”
Inne zalety tego typu pasywnej kontroli satelitarnej obejmują sposób, w jaki może potencjalnie wydłużyć żywotność konstelacji z 5 do 15 lat. Wymagałyby także mniejszego paliwa i byłyby w stanie unosić się na wyższych wysokościach, zmniejszając w ten sposób ryzyko zderzenia ze statkiem kosmicznym i innymi obiektami orbitującymi. Jednak największą zaletą jest to, jak opłacalna byłaby ta konfiguracja w porównaniu z konwencjonalnymi konstelacjami satelitów.
To sprawia, że jest szczególnie atrakcyjny dla narodów lub komercyjnych firm lotniczych, które nie dysponują środkami finansowymi niezbędnymi do rozmieszczenia dużych konstelacji.
„Nawet jeden satelita może kosztować setki milionów lub miliardy dolarów, w zależności od tego, jakie czujniki znajdują się na nim i jaki jest jego cel. Posiadanie nowej platformy, z której można korzystać w ramach istniejących i powstających misji, jest całkiem fajne. Istnieje duży potencjał teledetekcji, telekomunikacji, nawigacji, wykrywania szerokopasmowego i informacji zwrotnych w przestrzeni kosmicznej, a to ewoluuje bardzo, bardzo szybko. Prawdopodobnie istnieją wszelkiego rodzaju aplikacje, które mogą skorzystać z długowiecznej, samodopasowującej się konstelacji satelitarnej o zasięgu prawie globalnym ”.
To badanie nie tylko rozwiązuje bieżące pytanie dotyczące zasięgu satelitarnego i utrzymania konstelacji. Może także przyczynić się do postępu w telekomunikacji, nawigacji i teledetekcji. W najbliższej przyszłości niezliczone satelity zostaną wysłane w kosmos w celu zapewnienia satelitarnego internetu (konstelacja StarX SpaceX), prowadzenia eksperymentów naukowych oraz monitorowania atmosfery i powierzchni Ziemi.
Pomiędzy tym a powiązanymi obawami dotyczącymi odpadów kosmicznych, możliwość zrobienia więcej za mniej (i za mniej pieniędzy) przyda się naprawdę!
