21 gånger så många satelliter – 2/2

I den första delen fokuserade vi på hur en väldig mängd nya satelliter kan störa forskning som görs med markbaserade teleskop, och hur man, bland annat på SpaceX, jobbar för att man ska konstruera satelliterna för att de inte ska ge störande ljusreflexer från sig. Här ska vi ta en titt på utrymmet satelliterna vistas i och hur förhållandena där ändrar med mängden nya satelliter.

I inlägget om proportioner i omloppsbana beskrivs den något speciella form av ”trängsel” som skapats i vissa omloppsbanor kring Jorden. De animationer som beskriver satelliter, ”döda” satelliter och rester av satelliter och bärraketer har aldrig gjorts så att de skulle vara skalenliga. Det görs så att man snabbt ska få en överblick.

Kan man se en idrottsarena på en bild fotograferad så att hela Jorden faktiskt syns i bilden?

Epic-kameran på NASA’s satellit DSCOVR, som är placerad 1,5 miljoner kilometer från Jorden i riktning Solen i Lagrangepunkt 1, tar varje dag en serie bilder av Jorden. Där syns inte ens staden Brasilia. Än mindre en idrottsarena. Den absolut största konstruerade satelliten är den internationella rymdstationen, ISS, och den är i storlek lik en fotbollsplan. ”Stora” satelliter ligger i storleksklasser mellan en tvättmaskin och en mindre personbil. ICEYE‘s SAR-satelliter har en massa under 100 kg vid uppskjutning. Sen har vi ju också satelliter som bara är något större än mjölkpaket.

Det är klart att satelliter inte skulle synas i videon ovan. Än mindre små metallbitar, skruvar och färgflagor. Den videon till för att man ska få en bild av var allt i omloppsbana kring Jorden rör sig, och det – är betydelsefullt. Det beräknas finnas  750000 föremål på mer än en centimeter i diameter som ligger i omloppsbana kring Jorden. Det finns närmare 600 miljoner kvadratkilometer att vistas på, 400 km över jordytan. Därtill utgör omloppsbanorna skikt som blir allt större ju längre ut man kommer. Men, som tydligt framgår i videon, är föremålen inte jämt utspridda.

Impact_chip
I maj 2016, tog ESA-astronaut Tim Peake den här bilden av en stenskottsliknande skada i en av rutorna i ISS’ Cupola. Skillnaden mot ett stenskott i en bilruta är att den här skadan med en diameter på 7 mm troligen orsakades av en färgflaga eller en metallbit inte större än några få mikrometer. Bild: ESA/NASA

En typisk utgångshastighet på en gevärskula ligger kring 800 m/s. Rymdstationen, liksom allt annat i Low Earth Orbit, LEO, färdas tio gånger så fort: 8 km/s. En tio gånger så hög hastighet medför hundrafalt högre energi. Redan 1978 skissade astrofysikern Donald J. Kessler upp ett möjligt scenario där en satellit kolliderar med en annan satellit eller med någon bit därav och slås sönder. Dessa bitar ökar sedan i sin tur risken för nya kollisioner. Ett dylikt scenario, Kesslersyndromet eller Kesselereffekten, kan starta en kedjereaktion som gör hela omloppsbanor obrukbara för lång framtid.

Indien sköt ”ner” en egen satellit 27:e mars 2019. Satelliten låg i omloppsbana 300 km över jordytan. I september översteg skrotet efter den händelsen 40 bitar. I skrivande stund är det kring dussinet kvar. Taktiskt nog valde man att bevisa sin träffsäkerhet i en så låg omloppsbana. Ju längre ut från Jorden något slås i småbitar – desto längre finns skrotet kvar. Att få ner det är inte lätt. ”Skjuta ner” är ett missvisande uttryck när det gäller satelliter.

Satellite_collisions_create_debris
Simuleringar görs för att man ska kunna minimera skadorna som skulle förorsakas av en kollision i omloppsbana kring Jorden. Läs mer på ESA’s sida eller se videon ”Space debris 2017 – a journey to Earth” Bild: ESA/ID&Sense/ONiRiXEL, CC BY-SA 3.0 IGO, CC BY-SA 3.0 IGO

Betydligt större faror orsakades av Kinas anti-satellit missil-test 2007. Då sköts en vädersatellit sönder 865 km över jordytan. På den höjden kan skrotbitar vara kvar i decennier. Över 2000 bitar större än en golfboll gav det tilltaget upphov till. 30% av bitarna större än 10 cm i genomskärning kan vara kvar i omloppsbana ännu 2035 enligt de beräkningar som gjordes åren efter händelsen. I april 2019 beräknades 30% av de 10000 föremål som hotar säkerheten på den internationella rymdstationen härröra sig från Kinas test 2007.

Starlink_Mission_(47926144123)
En laddning på 60 Starlink-satelliter innan de släppts ut i omloppsbana. Varje satellit med en massa mellan på 260 kg i detta skede.

Fler satelliter innebär ökade risker för kollisioner. Så länge aktörerna var få och de flesta av dem samarbetade var det inte direkt akut att reglera trafiken i rymden. Nu, när något nytt ständigt är på gång och när även privata aktörer placerar ut satelliter, är det svårt att få regelverket att formas i tid. 23:e april 2020 införde FCC, Federal Communications Commission, strängare krav på företag som vill muta in sin del av Jordens närmaste omgivning. Bland annat ska de som placerar nå’t i omloppsbana kring Jorden också ta kollisionsrisken i beaktande, ha en plan för det som ska hända efter att satelliten gjort sitt och ange en sannolikhet för att den planen sen också fungerar. Det kan vara frågan om att dämpa satellitens hastighet så att den småningom kommer in i Jordens atmosfär och i princip förångas. Satelliter i högre omloppsbanor kan ges en extra skjuts för att de ska parkeras i en omloppsbana där de inte ställer till det för andra satelliter. Detta gäller naturligtvis också Starlink-satelliterna. Och det finns en plan.

Starlink-solar-array-deploy-SpaceX-pano-3-crop-c
Starlink-satelliternas solpaneler vecklas ut efter att de lämnat uppskjutningsmodulen. Med hjälp av strömmen från solcellerna kan satelliterna styras med krypton Hall-effekt elektrostatisk drift. Det är så som satelliterna styrs till sina rätta platser i omloppsbana.

På samma sätt som Starlink-satelliterna styrs till sina arbetspositioner kan de också ”tas ner” när de gjort sitt. I skrivande stund har ett par icke-fungerande satelliter gått upp i atomer i det att de återinträtt i Jordens atmosfär. Också tidigare har satelliter varit utrustade med solpaneler. Strömmen som solpanelerna producerat har då gått åt till satelliternas instrument och kommunikation. För att styra själva satelliten har man använt raketmotorer. Det är effektivt men bränslet utgör en starkt begränsande faktor. Med hjälp av el från solpaneler och kryptongas i HET, Hall-Effect Thrusters, kan man gott styra en satellit tills den blir omodern.

1024px-Xenon_hall_thruster
6 kW Hall thruster i drift på NASA’s Jet Propulsion Laboratory. Bild: NASA/JPL-Caltech

Förutom möjligheten att styra och plocka ner satelliterna från Jorden är varje Starlink-satellit utrustad med ett automatiskt system för att undvika kollisioner i omloppsbana. Efter en fadäs 2.9.2019, när ESA tvingades till en undanmanöver med sin jordobservations-satellit AEOLUS för att undvika en kollision med en av två Starlink-satelliter som i ett test skulle tas ur omloppsbana, har SpaceX varit noggrannare med att delge information om sina satelliter. Här har vi ett delikat scenario att förhålla oss till;

Normalt kan man beräkna varje satellits exakta bana en vecka framåt i tiden. För Starlink-satelliterna är den tiden satt till 32 timmar. Detta just på grund av satelliternas autonoma system för att undvika kollisioner. Det är svårt att förutse hur en satellit rör sig ifall man inte vet hur den beter sig, säger T.S. Kelso på CelesTrak.

Hur man än vänder det är en kollision i omloppsbana en katastrof. Hittills har antalet satelliter varit så få att det varit möjligt att placera dem i omloppsbana och i stort sett fokusera på satellitens uppdrag. Det har funnits gott om tid att manuellt justera deras bana när någon farosituation uppstått. Den tiden kan mycket väl vara förbi.

ClearSpace-1_with_captured_Vespa
ClearSpace-1 är planerad för lift-off 2025. Målet är att den första farkosten i sitt slag ska plocka ner en bit av de övre steget av en Vespa-adapter som lämnat kvar i omloppsbana efter ESA’s andra uppskjutning med Vega under 2013. Den bit som ska infångas har en massa på 100 kg men är till sin form ett behändigt övningsobjekt.

Det är inte bara SpaceX med sina Starlink-satelliter som är på gång. OneWeb har 74 satelliter i omloppsbana. Däremot gick deras finanser om intet i corona-krisens spår. Återstår att se om någon tar över och fortsätter deras arbete. Sen finns ju också Amazon med sitt Project Kuiper. Därtill har vi ju satelliter för en hel del annat än kommunikationsändamål. Förutom de stora aktörerna finns en hel del privata innovativa aktörer som exempelvis ICEYE som ska täcka varje kvadratkilometer varje timme och kunna delge information om fartygstrafik, isläge, oljespill, jordbävningar, vulkanutbrott, jordskred…

ESA håller också de på att utarbeta ett automatiskt system för att undvika kollisioner i omloppsbana. Kan det vara så att vi snart, om vi inte undanröjt problemet, ändå har nåt vaccinliknande mot kollisioner i rymden. Det fullt möjligt att SpaceX kommer in med de pusselbitar som behövs.

 


JanJan är lärare i matematik och vetenskapliga tillvalsämnen på Sursik skola i Pedersöre, Finland, Rymdambassadör för Nordic ESERO samt resursperson på skolresurs.fi. Inom rymdfysiken och astronomin stöter man ofta på frågan ”Varför?”. När fysiker frågar så menar de vanligtvis ”Hur?” och den frågan är god att peta i. Att dryfta stora frågor ger nyfikenheten näring, vilket i sin tur är en av nyckelingredienserna i framgångsberättelser.

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut /  Ändra )

Google-foto

Du kommenterar med ditt Google-konto. Logga ut /  Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut /  Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut /  Ändra )

Ansluter till %s