Jede Mission, die ins All geht, braucht einen „Parkplatz“ am Ziel. Aber diese Parkplätze, Regionen auf Umlaufbahnen, werden schnell belegt oder anfälliger für Kollisionen.
Bei den meisten Objekten, die in den Weltraum starten, handelt es sich um Satelliten, die sich in den Regionen, in denen sie parken, mit einer Geschwindigkeit von mehr als 6 Kilometern pro Sekunde fortbewegen können. Ungefähr 10 Mal Es wird erwartet, dass bis 2030 die Zahl der derzeit im Weltraum befindlichen Satelliten in den Weltraum geschossen wird. Gleichzeitig werden Satellitenkonstellationen entstehen in Zahl und Größe zunehmen. Hierbei handelt es sich um Gruppen von Satelliten, die als System zusammenarbeiten, beispielsweise um GPS, Erdbeobachtung, Internetzugang und andere Arten der Kommunikation zu ermöglichen.
„Bei dieser Satellitendichte wird etwas ausfallen und eine Kollision verursachen. Das ist nur eine Frage der Wahrscheinlichkeit“, sagte David Arnas, Assistenzprofessor für Luft- und Raumfahrt am College of Engineering der Purdue University. „Satellitenkonstellationen werden so groß und zahlreich, dass es selbst mit rechnerischen Mitteln unmöglich wird, sie alle genau zu verfolgen und ihre langfristige Sicherheit zu gewährleisten.“
Arnas und seine Doktoranden untersuchen, wie Umlaufbahnen genutzt werden könnten, um bessere Parkplätze für Satelliten sowohl in erdnahen Gebieten, wo viele dieser verfügbaren Standorte bereits belegt sind, als auch in anderen Teilen des Weltraums zu entwerfen, in denen es bald zu einer Zunahme kommen wird Satellitenpopulation, wie zum Beispiel das große Gebiet zwischen Erde und Mond, das als Cislunarregion bezeichnet wird. Seine Forschungsgruppe entwickelt außerdem neue Methoden, um Satellitenkonstellationen mit zunehmender Größe sinnvoll zu analysieren.
Arnas‘ Ziel ist es, den Raum gerechter zu gestalten. Die Platzierung von Raumfahrzeugen auf ausgewiesenen Parkplätzen statt einfach irgendwo könnte die Wahrscheinlichkeit verringern, dass der Weltraum zu voll wird, als dass Missionen sicher stattfinden könnten.
„Der Weltraum ist eine gemeinsame Ressource der Menschheit, genau wie Wasser und Luft. Auch wenn er sehr groß erscheint, ist er dennoch begrenzt. Es liegt in unserer Verantwortung sicherzustellen, dass auch zukünftige Generationen einen fairen Zugang dazu haben“, sagte er.
Helfen Sie dabei, Satellitenkonstellationen sicherer zu vergrößern
Unabhängig davon, ob sich Satellitenkonstellationen näher an der Erde oder schließlich in der Nähe des Mondes befinden, ist Weltraummüll ein unvermeidbares Problem.
Innerhalb nur eines Monats können Trümmerteile einer Satellitenexplosion oder einer Satellitenkollision in einer erdnahen Umlaufbahn die gesamte Erde bedecken. Diese Trümmer könnten überall hängen bleiben einige Jahre bis mehrere hundert Jahre, abhängig von der Höhe. Wenn die erdnahe Umlaufbahn immer voller wird, werden die Satelliten nur noch wenige Orte haben, an denen sie den Trümmern schnell ausweichen können, bevor sie getroffen werden.
Dies stellt ein Durcheinander einer mathematischen Aufgabe dar. Aber Arnas und seine Studenten finden heraus, wie man große Satellitenkonstellationen organisiert, damit man vorhersagen kann, wie sie sich neu konfigurieren sollten, wenn eine riesige Trümmerwolke auf sie zukommt.
„Wenn wir viele Satelliten in einem Gebiet haben, in dem es zu einem Fragmentierungsereignis gekommen ist, müssen wir diese Satelliten bewegen. Das bedeutet, dass wir nicht nur die endgültigen Positionen der Satelliten optimieren müssen, sondern auch die Manöver, die jeder Satellit durchführen würde.“ „Die Leistung muss in sehr kurzer Zeit erbracht werden. Und das ist derzeit nicht möglich, wenn mehrere große Konstellationen beteiligt sind“, sagte er.
„Wenn man jedoch eine allgemeine Struktur hat, eine Verteilung, die alle Satelliten in der Region enthält, ist das nicht nur möglich, sondern etwas, das wir sogar mit Stift und Papier machen können. Wir können die Möglichkeiten einer Neukonfiguration vorhersehen und sehr schnell reagieren, wenn etwas Unerwartetes passiert.“ das passiert.“
Arnas hat Erkenntnisse darüber gewonnen, wie das geht Schätzen Sie die Orbitkapazität ab und reduzieren Sie das Risiko von Kollisionen innerhalb von Satellitenkonstellationen und entwerfen Satellitenumlaufbahnen, die es sind widerstandsfähiger gegenüber Störungen. Eine von ihm entwickelte Methode würde dabei helfen Berechnen Sie den Mindestabstand, den Satelliten voneinander einhalten sollten Unabhängig davon, was in einer bestimmten Umlaufbahn passiert, ist jeder Satellit weit genug entfernt, um eine Kollision zu vermeiden. Er hat auch einen neuen Weg vorgeschlagen Analysieren Sie große Satellitenkonstellationen in Teilmengen damit sie leichter zu studieren sind.
Momentan, Es gibt nur wenige Richtlinien Regulierung, wo Satelliten im Weltraum platziert werden dürfen. Mit den Tools, die er entwickelt, möchte Arnas dazu beitragen, Entscheidungsträger darüber zu informieren, welche Konsequenzen der Start eines neuen Satelliten oder die Etablierung einer neuen Konstellation haben könnte.
„Ich möchte politischen Entscheidungsträgern eine Möglichkeit geben, zu erfahren, wie sich die Genehmigung einer Mission auf die zukünftige Kapazität und Nachhaltigkeit des Raumfahrtsektors auswirken wird“, sagte er.
Reisen zwischen Erde und Mond treibstoffeffizienter machen
Die Zunahme der Weltraummissionen und der Satellitendichte betrifft nicht nur Raumfahrzeuge, die sich in der Nähe der Erde befinden.
In den nächsten Jahren werden möglicherweise Dutzende Missionen durch die Cislunar-Region reisen, aber es ist schwierig, die Flugbahnen festzulegen, die Raumschiffe für jede einzelne Mission nehmen sollten. Sonnenstrahlung und die kombinierte Anziehungskraft von Erde, Mond und anderen Planeten haben einen großen Einfluss auf Umlaufbahnen und deren Nutzung.
Um zur Lösung dieses Problems beizutragen, erforscht die Forschungsgruppe von Arnas, wie sogenannte Resonanzbahnen genutzt werden könnten, um diese Flugbahnen zu entwerfen und Raumfahrzeugen dabei zu helfen, Treibstoff zu sparen, wenn sie die 238.900 Meilen von der Erde zum Mond zurücklegen.
Arnas und Purdue-Doktorand Andrew Binder bauen darauf auf eine Idee, die die NASA in der Vergangenheit untersucht hat Satelliten aus einer erdnahen Umlaufbahn anzutreiben, ohne Treibstoff zu verbrauchen, indem sehr lange Kabelstrukturen, sogenannte „Tethers“, verwendet werden. Indem sie diese Idee auf die Cislunar-Region anwenden, stellen sich Arnas und Binder den Aufbau einer wiederverwendbaren Infrastruktur im Weltraum vor, die auf einem Paar Halteseilen basiert, die dies könnten „Fangen und Werfen“ von Satelliten zwischen Erde und Mond. Ein Halteseil würde sich in einer Umlaufbahn um die Erde befinden und das andere würde den Mond umkreisen. Die Halteseile würden den Satelliten den notwendigen Impuls geben, den cislunaren Raum zu durchqueren, so dass sie für diese Reise keinen Treibstoff verbrauchen müssten.
Obwohl ihre Ergebnisse vorläufig sind, entwickeln Arnas und Binder komplexere Modelle dieses Haltesystems, von denen sie hoffen, dass sie zu einer effizienteren Art der Fortbewegung durch den cislunaren Raum führen können.
„Wenn Missionen zum Mond und zurück häufiger werden, könnte es sehr nützlich sein, bereits eine Infrastruktur im Orbit zu haben, um Nutzlasten in das cislunare System zu transportieren“, sagte Arnas.