Al tientallen jaren proberen wetenschappers het minimumaantal satellieten te achterhalen dat elk punt op aarde zou kunnen zien. Deze vraag wordt gedeeltelijk ingegeven door het groeiende probleem van ruimteafval, maar ook door overwegingen van kosten en efficiëntie. Halverwege de jaren tachtig stelde onderzoeker John E. Draim in een reeks onderzoeken een oplossing voor dit probleem voor en beweerde dat een constellatie met vier satellieten alles was wat nodig was.
Helaas was zijn oplossing op dat moment gewoon niet praktisch, omdat er een enorme hoeveelheid drijfgas nodig zou zijn om de satellieten in een baan om de aarde te houden. Maar dankzij een recent gezamenlijk onderzoek heeft een team van onderzoekers de juiste combinatie van factoren gevonden om een opstelling met vier satellieten mogelijk te maken. Hun bevindingen zouden vooruitgang in telecommunicatie, navigatie en teledetectie kunnen stimuleren en tegelijkertijd de kosten verlagen.
Het onderzoek dat hun bevindingen beschrijft, verscheen onlangs in het tijdschrift Nature Communications en werd geleid door Patrick Reed, hoogleraar burgerlijke en milieutechniek aan de Cornell University. Reed werd vergezeld door ingenieurs en wetenschappers van The Aerospace Corporation en de University of California, Davis, met steun van de National Science Foundation (NSF).
Om de vraag te beantwoorden hoe een functionerende constellatie met een minimum aantal satellieten gaande kan worden gehouden, heeft het team alle factoren overwogen die ervoor zorgen dat satellieten in de loop van de tijd deorbiteren. Deze omvatten het zwaartekrachtveld van de aarde, atmosferische weerstand, de zwaartekrachtinvloed van de maan en de zon en druk van zonnestraling. Zoals Reed uitlegde:
'Een van de interessante vragen die we hadden was: kunnen we die krachten daadwerkelijk transformeren? Kunnen we, in plaats van het systeem te vernederen, het zo omdraaien dat de constellatie energie van die krachten verzamelt en ze gebruikt om zichzelf actief te beheersen? ”
Het samenwerkingsonderzoek bracht de expertise van The Aerospace Corporation op het gebied van geavanceerde astrofysica, operationele logistiek en simulaties samen met Reed's eigen expertise in op AI gebaseerde computerzoekhulpmiddelen. Het team vertrouwde ook op de supercomputer van Blue Water aan de Universiteit van Illinois om honderdduizenden mogelijke banen en combinaties van verstoringen te doorzoeken.
Lake A. Singh, de systeemdirecteur van de afdeling Future Architectures van The Aerospace Corporation, legde uit:
"We maakten gebruik van Aerospace's expertise op het gebied van constellatieontwerp met Cornell's leiderschap in intelligente zoekanalyse en ontdekten een operationeel haalbaar alternatief voor het ontwerp van Draim-constellatie. Deze constellatieontwerpen kunnen missieplanners substantiële voordelen bieden voor concepten die zich in geostationaire banen en daarbuiten bevinden. ”
In de loop van de tijd kon het team hun constellatieontwerpen tot twee modellen beperken. In één zouden de satellieten 24 uur in een baan om de aarde kunnen draaien en een wereldwijde dekking van 86% kunnen bereiken. Aan de andere kant zouden de satellieten een baan van 48 uur draaien en een dekking van 95% bereiken. Hoewel beide 100% schuwden, ontdekte het team dat het opofferen van een kleine dekkingsmarge zou leiden tot een aanzienlijke afweging.
Dit omvat het vermogen om meer energie te benutten van dezelfde zwaartekracht- en zonnestraling die satellieten normaal gesproken moeilijk te besturen zouden maken en hun banen zouden doen vervallen. Bovendien zouden satellietexploitanten kunnen controleren waar de hiaten in de dekking zouden optreden en deze zouden hoogstens 80 minuten per dag duren. Zoals Reed zei, is deze wisselwerking de moeite waard:
“Dit is een van die dingen waar het streven naar perfectie de innovatie daadwerkelijk zou kunnen belemmeren. En je geeft niet echt een dramatisch bedrag op. Er kunnen missies zijn waarbij je absoluut overal op aarde dekking nodig hebt, en in die gevallen zou je gewoon meer satellieten of netwerksensoren of hybride platforms moeten gebruiken. '
Andere voordelen van dit type passieve satellietcontrole zijn de manier waarop het de levensduur van een sterrenbeeld mogelijk kan verlengen van 5 tot 15 jaar. Ze zouden ook minder drijfgas nodig hebben en in staat zijn om op grotere hoogten te drijven, waardoor het risico op inslag met ruimtevaartuigen en andere in een baan om de aarde bewegende objecten wordt verkleind. Maar het grootste verkoopargument is hoe kosteneffectief deze opstelling zou zijn in vergelijking met conventionele satellietconstellaties.
Dit maakt het vooral aantrekkelijk voor landen of commerciële ruimtevaartbedrijven die niet over de nodige financiële middelen beschikken om grote sterrenbeelden in te zetten.
'Zelfs één satelliet kan honderden miljoenen of miljarden dollars kosten, afhankelijk van welke sensoren erop zitten en wat het doel ervan is. Dus het hebben van een nieuw platform dat je kunt gebruiken in de bestaande en opkomende missies is best netjes. Er is veel potentieel voor teledetectie, telecommunicatie, navigatie, detectie van hoge bandbreedte en feedback in de ruimte, en dat evolueert heel, heel snel. Er zijn waarschijnlijk allerlei toepassingen die baat kunnen hebben bij een langlevende, zelfaanpassende satellietconstellatie met een bijna wereldwijde dekking. "
Deze studie lost niet alleen een lopende vraag op over satellietdekking en het onderhoud van sterrenbeelden. Het stimuleert ook de vooruitgang op het gebied van telecommunicatie, navigatie en teledetectie. In de nabije toekomst zullen talloze satellieten de ruimte in worden gestuurd om satelliet-internet te leveren (SpaceX's Starlink-constellatie), wetenschappelijke experimenten uit te voeren en de atmosfeer en het oppervlak van de aarde te volgen.
Tussen deze en gerelateerde zorgen over ruimteafval, zal het van pas komen om meer te kunnen doen met minder (en voor minder geld)!
