Da in den nächsten 10 Jahren Dutzende Missionen in den Raum zwischen Erde und Mond gehen, wird es zwangsläufig Verkehr geben.
Um zu verhindern, dass diese Raumschiffe ineinander stoßen, untersucht die Ingenieurin der Purdue University, Carolin Frueh, wie man alle von Menschenhand geschaffenen Objekte beobachten und verfolgen und die Auswirkungen ihrer potenziellen Schäden in dieser Erde-Mond-Umgebung, der sogenannten Cislunarregion, vorhersagen kann.
Laut Frueh, einem außerordentlichen Professor für Luft- und Raumfahrt an der Purdue University, werden Lösungen für den Weltraumverkehr in der cislunaren Region in Wirklichkeit bewegliche Ziele sein. Die von ihr entwickelten Methoden sollen sich an die Verkehrsveränderungen in dieser Region anpassen.
„Eine endgültige Lösung für ein Problem des Weltraumverkehrsmanagements wird es nie geben, denn wenn der kommerzielle Sektor wächst und sich die Fähigkeiten und Typen der vorhandenen Fahrzeuge ändern, wird sich auch das Problem weiterentwickeln“, sagte sie. „Wenn wir also über die Techniken nachdenken, die wir verwenden möchten, müssen wir auch sicher sein, dass sich das, was wir im Sinn haben, im Laufe der Zeit weiterentwickeln kann.“
Das wirtschaftliche Potenzial des cislunaren Raums wird auf geschätzt mehr als 30 Milliarden US-Dollar über einen Zeitraum von 20 Jahren unter Berücksichtigung staatlicher Investitionen, der Nachfrage nach Weltraumtelekommunikationsdiensten und anderer Faktoren.
Mit 238.900 Meilen ist die Entfernung zwischen der Erde und dem Mond 18-mal länger als die Chinesische Mauer. Das scheint genug Platz für Raumfahrzeuge zu sein, um sich zu bewegen, ohne sich gegenseitig zu treffen, aber die cislunare Region ist weitaus weniger verstanden als erdnahe Umlaufbahnen, die sich 24.000 Meilen über die Erdoberfläche hinaus bis zu einem „Sweet Spot“ namens geosynchrone Region erstrecken, der dies ermöglicht Satelliten, um mit der Erdrotation Schritt zu halten. Die meisten Satelliten befinden sich in erdnahen Umlaufbahnen. Zu den berühmten Bewohnern dieser Gegend zählen das Hubble-Weltraumteleskop und die Internationale Raumstation.
Selbst mit mehr Wissen über erdnahe Umlaufbahnen, ungefähr 130 Millionen Teile Weltraummüll umgeben die Erde. Ein Großteil dieser Trümmer ist von Satelliten abgebrochen, die explodierten oder mit anderen Objekten kollidierten. Trümmer haben es bereits zum Mond geschafft: Ein abtrünniger Raketentriebwerk stürzte letzten März auf die Mondoberfläche.
Um den bevorstehenden Verkehr im cislunaren Raum anzugehen, hat Frueh ihre Forschungen aufgegriffen wie Raumschiffe zu Trümmern werden. Sie arbeitet mit Weltraumagenturen auf der ganzen Welt zusammen, um Datenbanken von Weltraumobjekten zu verbessern.
Dasselbe für den cislunaren Raum zu tun, wird schwierig sein, wenn man nicht so viel von dieser größeren Region sehen kann. Für erdnahe Umlaufbahnen zählen Teleskope im Weltraum und in begrenztem Umfang auch Teleskope auf der Erde zu den „Verkehrskameras“ für Satelliten. Allerdings gibt es in der cislunaren Region keine Teleskope, da dort noch nicht viel Satellitenaktivität zu beobachten ist. Weltraumteleskope könnten Cislunar-Satelliten besser verfolgen, wenn mehr von ihnen dieses Gebiet bevölkern, da bodengestützte Teleskope einen interessierenden Satelliten im Cislunar-Raum nur dann erkennen können, wenn Satellit, Mond und Erde genau richtig ausgerichtet sind.
Zusammen mit ihrer Schülerin Surabhi Bhadauria entwickelt Frueh einen Weg, „Sichtbarkeitskarten„Das würde die besten Regionen zeigen, die Teleskope nutzen sollten, um von Menschen geschaffene Objekte im cislunaren Raum zu finden und zu verfolgen – einschließlich aktiver Satelliten, toter Satelliten und Fragmente von Satelliten.
Im Vergleich zu anderen Ansätzen bewältigen diese Karten eine große Herausforderung bei der Überwachung der Cislunarregion besser: Der Raum verändert sich ständig. Die sich ständig verändernden Positionen von Erde, Mond und Sonne beeinflussen, was ein Teleskop zu einem bestimmten Zeitpunkt beobachtet und welche Umlaufbahnen es nutzen kann, um Raumfahrzeuge gut zu sehen. Aktuelle Kartierungsmethoden müssen für jede Bedingung, die sich auf die Umlaufbahn eines Teleskops und die gesamte Betrachtungsgeometrie auswirken würde, zu jedem Zeitpunkt erneut ein Modell ausführen, was rechenintensiv ist.
Die Sichtbarkeitskarten von Frueh basieren auf Modellen, die schneller und umfassender anzeigen, wohin Teleskope gehen sollten, um so viel wie möglich von der Cislunarregion zu beobachten. Die Karten ermöglichen es, mehr von einer Region zu sehen, indem sie alle Umlaufbahnen mitteln, die ein Teleskop verwenden könnte, anstatt jede Umlaufbahnänderung im Laufe der Zeit zu integrieren, wie es bei anderen Kartierungsmethoden der Fall ist. Fruehs Methode erfordert auch keine zusätzliche Rechenzeit, um zu zeigen, welche Satelliten unter welchen Bedingungen von verschiedenen Standorten aus beobachtet werden können.
„Es ist, als würde man einen Roadtrip planen. Im Moment haben wir interessante Punkte in der Cislunar-Region identifiziert, die wir mit Teleskopen beobachten können, aber wir haben noch nicht die Route gefunden, um die Teleskope dort zu platzieren“, sagte Frueh.
Selbst wenn Teleskope schließlich in die Cislunar-Region gebracht werden, werden Satelliten auf den Bildern, die diese Teleskope aufnehmen, wahrscheinlich nur wie weiße Punkte oder Streifen aussehen. Aber Frueh ist es gewohnt, aus diesen Formen in Teleskopbildern von Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen aussagekräftige Informationen zu gewinnen. Sie arbeitet an einer Methode, die es Forschern und Missionsplanern ermöglichen würde, die Umlaufbahnen zu erkennen, die ein Satellit für seine Mission nutzt. Die Methode wäre so konzipiert, dass sie in einer Reihe von Szenarien funktioniert – selbst wenn nur sehr wenig über den Satelliten bekannt ist.
Da es unvermeidlich ist, dass es im cislunaren Raum zu Verkehrsunfällen kommt, denkt Frueh auch darüber nach, wie der Schaden abgeschätzt werden kann, den ein Unfall verursachen könnte. Wenn es zu einer Kollision oder Explosion kommt, wo landen dann alle Teile?
Ihre Forschung zeigt, dass Teile eines fragmentierten Satelliten in relativ kurzer Zeit weite Strecken zurücklegen können. Sie und ihr Student Ariel Black stellten kürzlich eine Studie am vor AAS/AIAA-Treffen zur Raumfahrtmechanik 2023 Der Nachweis, dass diese Stücke mühelos von tiefer in den cislunaren Raum zurück zur Erde gelangen können.
„Wir legen den Grundstein, von dem wir glauben, dass er die Art und Weise beeinflussen wird, wie Probleme des Weltraumverkehrsmanagements in der Cislunar-Region angegangen werden“, sagte Frueh.