Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, die Mindestanzahl von Satelliten herauszufinden, die jeden Punkt auf der Erde sehen können. Diese Frage ist teilweise durch das wachsende Problem der Weltraummüll motiviert, aber auch durch Überlegungen zu Kosten und Effizienz. Mitte der 1980er Jahre schlug der Forscher John E. Draim in einer Reihe von Studien eine Lösung für dieses Problem vor und behauptete, dass nur eine Konstellation mit vier Satelliten erforderlich sei.
Leider war seine Lösung zu diesem Zeitpunkt einfach nicht praktikabel, da eine enorme Menge Treibmittel benötigt würde, um die Satelliten im Orbit zu halten. Dank einer kürzlich durchgeführten Verbundstudie hat ein Forscherteam die richtige Kombination von Faktoren gefunden, um eine Konstellation mit vier Satelliten zu ermöglichen. Ihre Erkenntnisse könnten Fortschritte in den Bereichen Telekommunikation, Navigation und Fernerkundung vorantreiben und gleichzeitig die Kosten senken.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Zeitschrift Naturkommunikation und wurde von Patrick Reed geleitet, einem Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Cornell University. Reed wurde von Ingenieuren und Wissenschaftlern der Aerospace Corporation und der University of California, Davis, unterstützt, die von der National Science Foundation (NSF) unterstützt wurden.
Um die Frage zu beantworten, wie eine funktionierende Konstellation mit einer minimalen Anzahl von Satelliten am Laufen gehalten werden kann, berücksichtigte das Team alle Faktoren, die dazu führen, dass Satelliten im Laufe der Zeit desorbieren. Dazu gehören das Schwerefeld der Erde, der Luftwiderstand, der Gravitationseinfluss von Mond und Sonne sowie der Druck durch Sonnenstrahlung. Wie Reed erklärte:
„Eine der interessanten Fragen, die wir hatten, war, können wir diese Kräfte tatsächlich transformieren? Können wir das System, anstatt es zu verschlechtern, tatsächlich so umdrehen, dass die Konstellation Energie aus diesen Kräften gewinnt und sie verwendet, um sich selbst aktiv zu kontrollieren? “
Die kollaborative Studie brachte das Know-how der Aerospace Corporation in den Bereichen Astrophysik, Betriebslogistik und Simulationen mit Reeds eigenem Know-how in AI-basierten Computersuchwerkzeugen zusammen. Das Team verließ sich auch auf den Supercomputer von Blue Water an der Universität von Illinois, um Hunderttausende möglicher Umlaufbahnen und Kombinationen von Störungen zu sichten.
Als Lake A. Singh erklärte der Systemdirektor der Abteilung Future Architectures der Aerospace Corporation:
„Wir haben das Know-how von Aerospace im Bereich Konstellationsdesign mit Cornells führender Position in der intelligenten Suchanalyse genutzt und eine betrieblich realisierbare Alternative zum Draim-Konstellationsdesign entdeckt. Diese Konstellationsentwürfe können Missionsplanern wesentliche Vorteile für Konzepte auf geostationären Umlaufbahnen und darüber hinaus bieten. “
Im Laufe der Zeit konnte das Team seine Konstellationsdesigns auf zwei Modelle eingrenzen. In einem Fall könnten die Satelliten 24 Stunden lang umkreisen und eine globale Abdeckung von 86% erreichen. Auf der anderen Seite würden die Satelliten 48 Stunden lang umkreisen und eine Abdeckung von 95% erreichen. Während beide unter 100% zurückblieben, stellte das Team fest, dass das Opfer einer kleinen Deckungsspanne zu einem erheblichen Kompromiss führen würde.
Dies schließt die Fähigkeit ein, mehr Energie aus derselben Gravitations- und Sonnenstrahlung zu nutzen, die es normalerweise schwierig machen würde, Satelliten zu kontrollieren und ihre Umlaufbahnen zu zerfallen. Darüber hinaus könnten Satellitenbetreiber steuern, wo die Versorgungslücken auftreten würden, und diese würden höchstens 80 Minuten pro Tag dauern. Wie Reed sagte, lohnt sich dieser Kompromiss:
„Dies ist eines der Dinge, bei denen das Streben nach Perfektion die Innovation tatsächlich behindern könnte. Und Sie geben nicht wirklich dramatisch auf. Es könnte Missionen geben, bei denen Sie unbedingt überall auf der Erde abdecken müssen, und in diesen Fällen müssten Sie einfach mehr Satelliten oder vernetzte Sensoren oder Hybridplattformen verwenden. “
Weitere Vorteile dieser Art der passiven Satellitensteuerung sind die Möglichkeit, die Lebensdauer einer Konstellation von 5 auf 15 Jahre zu verlängern. Sie würden auch weniger Treibmittel benötigen und könnten in höheren Lagen schweben, wodurch das Risiko eines Aufpralls auf Raumfahrzeuge und andere umlaufende Objekte verringert würde. Das größte Verkaufsargument ist jedoch, wie kostengünstig dieses Setup im Vergleich zu herkömmlichen Satellitenkonstellationen wäre.
Dies macht es besonders attraktiv für Nationen oder kommerzielle Luft- und Raumfahrtunternehmen, die nicht über die erforderlichen finanziellen Ressourcen verfügen, um große Konstellationen einzusetzen.
„Selbst ein Satellit kann Hunderte von Millionen oder Milliarden Dollar kosten, je nachdem, welche Sensoren sich darauf befinden und wozu er dient. Eine neue Plattform zu haben, die Sie für alle bestehenden und aufkommenden Missionen verwenden können, ist also ziemlich ordentlich. Es gibt viel Potenzial für Fernerkundung, Telekommunikation, Navigation, Erkennung mit hoher Bandbreite und Feedback im gesamten Raum, und das entwickelt sich sehr, sehr schnell. Es gibt wahrscheinlich alle Arten von Anwendungen, die von einer langlebigen, sich selbst anpassenden Satellitenkonstellation mit nahezu globaler Abdeckung profitieren könnten. “
Diese Studie löst nicht nur eine laufende Frage zur Satellitenabdeckung und zur Aufrechterhaltung von Konstellationen. Es soll auch Fortschritte in den Bereichen Telekommunikation, Navigation und Fernerkundung vorantreiben. In naher Zukunft werden unzählige Satelliten in den Weltraum geschickt, um Satelliten-Internet (StarX-Starlink-Konstellation) bereitzustellen, wissenschaftliche Experimente durchzuführen und die Erdatmosphäre und -oberfläche zu überwachen.
Zwischen diesem und verwandten Bedenken hinsichtlich Weltraummüll wird es sehr nützlich sein, mit weniger (und für weniger Geld) mehr erreichen zu können!
