Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire il numero minimo di satelliti che sarebbero stati in grado di vedere ogni punto sulla Terra. Questa domanda è in parte motivata dal crescente problema dei detriti spaziali, ma anche da considerazioni di costi ed efficienza. A metà degli anni '80, il ricercatore John E. Draim propose una soluzione a questo problema in una serie di studi, sostenendo che una costellazione di quattro satelliti era tutto ciò che era necessario.
Sfortunatamente, la sua soluzione non era semplicemente pratica all'epoca poiché sarebbe necessaria un'enorme quantità di propellente per mantenere in orbita i satelliti. Ma grazie a un recente studio collaborativo, un team di ricercatori ha trovato la giusta combinazione di fattori per rendere possibile una costellazione di quattro satelliti. Le loro scoperte potrebbero guidare i progressi nel campo delle telecomunicazioni, della navigazione e del telerilevamento, riducendo al contempo i costi.
Lo studio che descrive i loro risultati è apparso di recente sulla rivista Nature Communications ed era guidato da Patrick Reed, professore di ingegneria civile e ambientale alla Cornell University. A Reed si sono uniti ingegneri e scienziati della Aerospace Corporation e dell'Università della California, Davis, con il supporto fornito dalla National Science Foundation (NSF).
Per rispondere alla domanda su come mantenere una costellazione funzionante con un numero minimo di satelliti attivi, il team ha preso in considerazione tutti i fattori che causano il deorbit dei satelliti nel tempo. Questi includono il campo di gravità terrestre, la resistenza atmosferica, l'influenza gravitazionale della Luna e del Sole e la pressione delle radiazioni solari. Come ha spiegato Reed:
“Una delle domande interessanti che abbiamo avuto è stata: possiamo davvero trasformare quelle forze? Invece di degradare il sistema, possiamo davvero capovolgerlo in modo tale che la costellazione raccolga energia da quelle forze e le usi per controllarsi attivamente? ”
Lo studio collaborativo ha riunito l'esperienza di The Aerospace Corporation in astrofisica, logistica operativa e simulazioni all'avanguardia con l'esperienza di Reed negli strumenti di ricerca informatica basati sull'intelligenza artificiale. Il team ha anche fatto affidamento sul supercomputer di Blue Water presso l'Università dell'Illinois per setacciare centinaia di migliaia di possibili orbite e combinazioni di perturbazioni.
Come ha spiegato Lake A. Singh, direttore dei sistemi del dipartimento Future Architectures di The Aerospace Corporation:
"Abbiamo sfruttato l'esperienza nella progettazione di costellazioni di Aerospace con la leadership di Cornell nell'analisi intelligente delle ricerche e abbiamo scoperto un'alternativa operativamente fattibile al design della costellazione di Draim. Questi progetti di costellazioni possono offrire vantaggi sostanziali ai pianificatori di missioni per concetti in orbite geostazionarie e oltre. "
Nel tempo, il team è stato in grado di restringere i design delle costellazioni a due modelli. In uno, i satelliti potrebbero orbitare per un periodo di 24 ore e raggiungere una copertura globale dell'86%. Dall'altro, i satelliti orbiterebbero per un periodo di 48 ore e raggiungerebbero una copertura del 95%. Mentre entrambi sono scesi al 100%, il team ha scoperto che sacrificare un piccolo margine di copertura avrebbe portato a un significativo compromesso.
Ciò include la capacità di sfruttare più energia dalla stessa radiazione gravitazionale e solare che normalmente renderebbe i satelliti difficili da controllare e causerebbe il decadimento delle loro orbite. Inoltre, gli operatori satellitari sarebbero in grado di controllare dove si verificherebbero le lacune nella copertura e queste durerebbero al massimo per soli 80 minuti al giorno. Come ha detto Reed, questo compromesso vale la pena:
“Questa è una di quelle cose in cui la ricerca della perfezione potrebbe effettivamente ostacolare l'innovazione. E non stai davvero rinunciare a un importo drammatico. Potrebbero esserci missioni in cui hai assolutamente bisogno di copertura ovunque sulla Terra e, in quei casi, dovresti semplicemente usare più satelliti o sensori di rete o piattaforme ibride. ”
Altri vantaggi di questo tipo di controllo satellitare passivo includono il modo in cui potrebbe potenzialmente prolungare la durata di una costellazione da 5 a 15 anni. Inoltre richiederebbero meno propellente e sarebbero in grado di galleggiare a quote più elevate, riducendo così il rischio di impatto con veicoli spaziali e altri oggetti in orbita. Ma il principale punto di forza è quanto questa configurazione sia conveniente rispetto alle costellazioni satellitari convenzionali.
Ciò lo rende particolarmente attraente per le nazioni o le società aerospaziali commerciali che non dispongono delle risorse finanziarie necessarie per distribuire grandi costellazioni.
“Anche un satellite può costare centinaia di milioni o miliardi di dollari, a seconda di quali sensori sono presenti e quale sia il suo scopo. Quindi avere una nuova piattaforma che puoi usare in tutte le missioni esistenti ed emergenti è piuttosto semplice. Esistono molte potenzialità di telerilevamento, telecomunicazione, navigazione, rilevamento ad alta larghezza di banda e feedback nello spazio, e questo si sta evolvendo molto, molto rapidamente. Esistono probabilmente tutti i tipi di applicazioni che potrebbero trarre vantaggio da una costellazione satellitare di lunga durata e autoadattante con copertura quasi globale. "
Questo studio non solo risolve una domanda in corso sulla copertura satellitare e sul mantenimento delle costellazioni. Supporta anche i progressi nella telecomunicazione, nella navigazione e nel telerilevamento. Nel prossimo futuro, innumerevoli satelliti verranno inviati nello spazio per fornire Internet via satellite (costellazione Starlink di SpaceX), condurre esperimenti scientifici e monitorare l'atmosfera e la superficie della Terra.
Tra questo e le relative preoccupazioni sui detriti spaziali, essere in grado di fare di più con meno (e per meno soldi) tornerà utile!
