Πώς το σμήνος διαστημόπλοιο θα μπορούσε να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τη Γη όπως ποτέ άλλοτε

Ο βρυχηθμός των κινητήρων από το όχημα εκτόξευσης Rockot χώρισε τον αέρα καθώς απογειώθηκε από το κοσμοδρόμιο Plesetsk στη βόρεια Ρωσία στις 30 Ιουνίου 2003. Ο πύραυλος είχε ύψος 30 μέτρα και είχε ναυλωθεί από τη γερμανική εταιρεία Eurockot Launch Services. Αλλά αντί να μεταφέρει έναν μεγάλο δορυφόρο σε τροχιά, το Rockot μετέφερε οκτώ μικρότερους.

Τότε κανείς δεν του έδινε ιδιαίτερη σημασία. Σε τελική ανάλυση, δεν ήταν η εκτόξευση μιας εμβληματικής αποστολής δισεκατομμυρίων δολαρίων. Ωστόσο, εκ των υστέρων μπορούμε να δούμε ότι αυτό ακριβώς έκανε την εκτόξευση τόσο σημαντική – ίσως ακόμη και ένα ορόσημο στον τρόπο που χρησιμοποιούμε και εξερευνούμε το διάστημα.

Μερικοί από τους δορυφόρους που τέθηκαν σε τροχιά εκείνη την ημέρα ήταν μικροσκοπικοί CubeSats, με διαστάσεις μόλις 10 x 10 x 10 cm. Κατασκευασμένα από τυποποιημένα εξαρτήματα, τα CubeSat είναι σχετικά γρήγορα και απλά στην κατασκευή.

Όταν συνελήφθησαν στα τέλη της δεκαετίας του 1990, θεωρήθηκαν ως εκπαιδευτικά εργαλεία για να διδάξουν στους μαθητές τα βασικά για το πώς να κατασκευάζουν δορυφόρους. Η ιδέα ήταν ότι οι μαθητές θα έπαιρναν τις γνώσεις που απέκτησαν στο CubeSats και θα τις εφαρμόσουν στο μεγάλο διαστημόπλοιο της παραδοσιακής βιομηχανίας δορυφόρων.

Και ενώ κάποιοι έκαναν ακριβώς αυτό, άλλοι χρησιμοποίησαν την εμπειρία τους για να αντιμετωπίσουν μια εντελώς διαφορετική πρόκληση:να χρησιμοποιήσουν τους μικροσκοπικούς δορυφόρους για κάτι περισσότερο από την απλή εκπαίδευση.

«Υπάρχουν τώρα μερικοί πολύ έξυπνοι άνθρωποι στην Ευρώπη και σε όλο τον κόσμο που έχουν θέσει στον εαυτό τους μια πρόκληση να μικρογραφήσουν την τεχνολογία έτσι ώστε να χωράει σε έναν πολύ μικρό όγκο. Οι άνθρωποι το αναφέρουν ως σκέψη μέσα στο κουτί», λέει ο Roger Walker από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA).

Αυτού του είδους η σκέψη αρχίζει να αποδίδει καρπούς. Το πρότυπο CubeSat είναι φθηνό και επιτρέπει την ανάπτυξη πολλών περισσότερων αποστολών από ποτέ. Και καθώς η τεχνολογία συνεχίζει να συρρικνώνεται και αναπτύσσονται νέες τεχνικές, γίνονται δυνατοί περισσότεροι τύποι αποστολών – μερικές από τις οποίες ήταν πρακτικά αδιανόητες μέχρι πρόσφατα, όπως τα σμήνη δορυφόρων.

Τα δορυφορικά σμήνη είναι δεκάδες, εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες μικροσκοπικά διαστημόπλοια που όλα συνεργάζονται για να κάνουν κάτι που είναι αδύνατο ή πρακτικό με τα παραδοσιακά διαστημόπλοια. Μπορούν να οραματιστούν σμήνη που περιέχουν τόσο τεράστιες ποσότητες CubeSats επειδή το καθένα είναι τόσο φθηνό στην κατασκευή.

Διαβάστε περισσότερες από τις ιδέες που πρέπει να κατανοήσετε το 2021:

• Rise of the Clones:7 τρόποι με τους οποίους η κλωνοποίηση συμβαίνει ήδη
• Αναστροφή:Μπορεί να σώσει την άγρια ​​ζωή μας και να μετριάσει την κλιματική αλλαγή;
• Οι ρωγμές στην κοσμολογία:Γιατί το Σύμπαν μας δεν αθροίζεται
• Φοβίες, παράνοια και PTSD:Γιατί η θεραπεία εικονικής πραγματικότητας είναι το όριο της θεραπείας ψυχικής υγείας

Ο Scott Williams είναι διευθυντής προγράμματος στη SRI International, ο οποίος συμμετείχε στην πρώιμη ανάπτυξη του CubeSats. Θυμάται να σκέφτεται:«Εντάξει, πόσους μπορούμε να πετάξουμε; Τι μπορούμε να τους κάνουμε; Εάν μπορούμε να πάρουμε πολλά σημεία μέτρησης στο διάστημα, δεν δημιουργούμε μια παρόμοια, ή ίσως κατά κάποιο τρόπο καλύτερη, ικανότητα από μια μοναδική, εξαιρετική μέτρηση από έναν δορυφόρο τρισεκατομμυρίων δολαρίων;»

Ο Williams συνειδητοποίησε ότι για πολλές εφαρμογές, η απάντηση ήταν ένα ηχηρό ναι. Αλλά πώς μπορείτε να ελέγξετε ένα σμήνος, ας πούμε, 1.000 CubeSats;

«Αυτό που δεν μπορείτε να κάνετε είναι να έχετε 1.000 χειριστές σε επίγειους σταθμούς, να πληκτρολογούν μεμονωμένα εντολές σε κάθε έναν από τους δορυφόρους», λέει. «Δεν κλιμακώνεται οικονομικά. πρέπει να μπορείτε να αντιμετωπίζετε το δίκτυο ως μια ενιαία οντότητα.

«Αφού έχετε έναν μόνο χειριστή που διαχειρίζεται τον αστερισμό σας των εκατοντάδων εκατομμυρίων δολαρίων, τότε επιτυγχάνετε μια πραγματική οικονομία κλίμακας και έχετε ένα εξαιρετικό οικονομικό πλεονέκτημα». Στην πράξη, αυτό σημαίνει ανάπτυξη κάποιου επιπέδου τεχνητής νοημοσύνης για τα CubeSats, ώστε να μπορούν να καθοδηγηθούν.

Μικροί δορυφόροι, μεγάλες δυνατότητες

Το κοινό άνοιξε πραγματικά τα μάτια του σε σμήνη δορυφόρων, ή «μεγααστερισμούς», όπως αποκαλούνται συχνά, το 2020 λόγω των πολυάριθμων εκτοξεύσεων των δορυφόρων Starlink του Έλον Μασκ. Εκτοξεύτηκαν σε παρτίδες των 60, τράβηξαν την προσοχή της λαϊκής προσοχής επειδή λίγο μετά την άφιξή τους σε τροχιά, έγιναν ορατά ως φωτεινά «τρένα» που κινούνται στον ουρανό.

Σχεδόν 800 περιφέρονται τώρα γύρω από τη Γη, με σχέδια να απαιτούν συνολικά σχεδόν 12.000 προκειμένου να παρέχεται γρήγορο Διαδίκτυο παντού στον πλανήτη. Αν και οι δορυφόροι Starlink δεν είναι CubeSats, εφαρμόζουν πολλές από τις ίδιες αρχές, όπως η σμίκρυνση και η μαζική παραγωγή, που κρατούν το κόστος χαμηλό.

Η ESA θεωρεί το CubeSats ως έναν πολλά υποσχόμενο δρόμο προς τα εμπρός που έχει δημιουργήσει ένα ειδικό τμήμα του οργανισμού για να τα αναπτύξει, να επιδείξει τις δυνατότητές του και να χαράξει τα είδη των πραγμάτων που καθιστούν δυνατά όσον αφορά τις διαστημικές αποστολές.

Ο Walker είναι ο επικεφαλής της μονάδας συστημάτων CubeSat. «Η δουλειά μας είναι να συντονίσουμε τις τεχνολογικές εξελίξεις που απαιτούνται για να επιτρέψουν νέες δυνατότητες αυτών των πολύ μικρών δορυφόρων», λέει.

Πολλές εφαρμογές περιστρέφονται γύρω από την παρατήρηση της Γης. Για παράδειγμα, η μονάδα του Walker συνειδητοποίησε ότι ένας μικρός στόλος CubeSats θα μπορούσε να μετρήσει με ακρίβεια τις εκπομπές διοξειδίου του αζώτου που παράγονται από την οδική κυκλοφορία και την καύση ορυκτών καυσίμων σε πόλεις και μικρότερους οικισμούς.

Μια άλλη εφαρμογή είναι η «υπερφασματική απεικόνιση» της Γης. Αυτό περιλαμβάνει έναν στόλο CubeSats που λαμβάνουν συνεχώς εικόνες της Γης σε δεκάδες χρώματα και άλλες φασματικές ζώνες, όπως υπέρυθρες και υπεριώδεις. "Αυτό θα επέτρεπε στους ανθρώπους να παρακολουθούν αλλαγές στη βλάστηση, για παράδειγμα, ή την υγρασία και τις πλημμύρες στην επιφάνεια της Γης", λέει ο Walker.

Μια άλλη ιδέα είναι ένας στόλος CubeSats που συλλέγουν την αδέσποτη αντανάκλαση των σημάτων sat-nav από την επιφάνεια της Γης για να μετρήσουν την κίνηση του πάγου στους πόλους και τα ωκεάνια ρεύματα σε όλο τον κόσμο.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την εξερεύνηση του διαστήματος:

• Πώς να φτιάξετε μια βάση σελήνης
• Τι σημαίνει η εύρεση νερού στη Σελήνη για το μέλλον της εξερεύνησης του διαστήματος;
• Κάνοντας πράσινο τον Κόκκινο Πλανήτη:Πώς θα καλλιεργήσουμε καλλιέργειες στον Άρη

Αστεροειδή από κοντά

Εκτός από τις τηλεπικοινωνίες και την τηλεπισκόπηση, υπάρχουν επίσης νέα είδη επιστήμης και εξερεύνησης που μπορούν να γίνουν με το CubeSats. Ο Patrick Michel, διευθυντής έρευνας στο CNRS στο Observatoire de la Côte d'Azur στη Νίκαια της Γαλλίας, είναι ο κύριος ερευνητής του NEO-MAPP (Near Earth Object Modeling And Payload for Protection), ενός έργου της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για τη μελέτη τεχνικών εκτροπής αστεροειδών και ερευνήστε άλλες μεθόδους για την αποφυγή πρόσκρουσης αστεροειδών στη Γη.

Ένα από τα μεγαλύτερα άγνωστα σε αυτή την έρευνα είναι οι επιφανειακές ιδιότητες και οι συνθέσεις των αστεροειδών. Χωρίς να γνωρίζουμε τις φυσικές και χημικές ιδιότητες ενός αστεροειδούς, δεν μπορούμε να προβλέψουμε με ακρίβεια πώς θα ανταποκρινόταν στην πρόσκρουση ενός βλήματος που έχει σχεδιαστεί για να τον ωθήσει σε τροχιά σύγκρουσης με τη Γη.

Και δεν μπορούμε να πάρουμε αυτές τις πληροφορίες από τη Γη επειδή οι αστεροειδείς είναι τόσο μικροί που τα επίγεια παρατηρητήρια δεν μπορούν να τους δουν με επαρκή λεπτομέρεια. "Αυτό είναι ένα παράδειγμα όπου το CubeSats μπορεί να είναι πολύ χρήσιμο", λέει ο Michel.

Η ιδέα του είναι απλή. Στείλτε έναν στόλο CubeSat στο διάστημα, το καθένα σχεδιασμένο για να συναντήσει έναν διαφορετικό αστεροειδή κοντά στη Γη. Ακόμα κι αν το CubeSat είναι εξοπλισμένο μόνο με κάμερα, οι ερευνητές μπορούν να αρχίσουν να εξετάζουν τις διαφορετικές επιφάνειες και να τις κατηγοριοποιούν. «Μπορεί να δούμε κάποια κοινά σημεία για ορισμένα είδη αστεροειδών. Τότε μπορούμε να τα [ταξινομήσουμε]. Επομένως, νομίζω ότι αυτή είναι μια πολύ καλή προσέγγιση», λέει.

Είναι επίσης πιθανό ότι η παραμόρφωση του ραδιοφωνικού σήματος κάθε CubeSat που προκαλείται από τη βαρύτητα του αστεροειδούς θα μπορούσε να αναλυθεί για να δώσει τη μάζα κάθε αστεροειδούς.

Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Ο Williams εργάζεται πάνω στην ιδέα της ανάλυσης άλλων παραμορφώσεων στα ραδιοσήματα ενός CubeSat για να προβλέψει με μεγαλύτερη ακρίβεια το μεταβαλλόμενο περιβάλλον ακτινοβολίας στο διάστημα. Γνωστή ως διαστημικός καιρός, η ακτινοβολία έρχεται με τη μορφή υποατομικών σωματιδίων που εκπέμπονται από τον Ήλιο. Μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία των ηλεκτρονικών και, στην πιο σοβαρή του περίπτωση, μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την υγεία των αστροναυτών.

Η Williams και οι συνεργάτες τους εμπνεύστηκαν από τον τρόπο που χρησιμοποιούνται τα κινητά τηλέφωνα για τη βελτίωση της επίγειας πρόβλεψης καιρού. Οι μετεωρολόγοι στη Γη άρχισαν να μετρούν τον «θόρυβο» σε μεμονωμένα σήματα μικροκυμάτων που μεταδίδονται στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, επειδή ο θόρυβος καθορίζεται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες στις οποίες διασχίζει το φούρνο μικροκυμάτων.

«Το μόνο που έχουν να κάνουν είναι να συλλέξουν τα δεδομένα για τον θόρυβο και ξαφνικά έχουν πληροφορίες για τον καιρό και φτιάχνουν πολύ πιο ακριβείς καιρικές προβλέψεις κάνοντας αυτό. Θα κάνουμε το ίδιο πράγμα στο διάστημα», λέει ο Williams.

Επόμενα βήματα

Εκτός από το ότι είναι φθηνό στην κατασκευή, τα CubeSat είναι επίσης φθηνά στην κυκλοφορία επειδή είναι τόσο μικρά και αυτό οδηγεί σε μια νέα βιομηχανία εμπορικών εταιρειών πυραύλων.

Όταν πρόκειται για σμήνη δορυφόρων, τα όρια καθορίζονται πραγματικά μόνο από τη φαντασία των μηχανικών και των επιστημόνων και την υπολογιστική ισχύ που μπορεί να συσκευαστεί σε αυτά τα μικροσκοπικά διαστημόπλοια.

Ο Samson Phan είναι ανώτερος ερευνητής μηχανικός στο Signals and Space Technology Laboratory, SRI International. Είναι δουλειά του να αναπτύξει την επόμενη γενιά CubeSats, συμπεριλαμβανομένων των σμηνών, και έχει μεγάλες ιδέες. "Για μένα, όλα έχουν να κάνουν με τη ρομποτική και τη χειραγώγηση", λέει.

Στο όραμα του Phan, το CubeSats δεν θα είναι παθητικοί συλλέκτες δεδομένων. Αντίθετα, θα είναι μεμονωμένα ρομπότ ικανά να συνεργάζονται με τεχνητή νοημοσύνη για την κατασκευή νέου διαστημικού υλικού, όπως γιγάντια τηλεσκόπια που είναι πολύ μεγάλα για να εκτοξευθούν ολόκληρα.

«Έχω αυτά τα οράματα από μεγάλα σμήνη μικρών ρομπότ που βασίζονται σε δορυφόρους που συναρμολογούν μια διάταξη μήκους 5.000 χιλιομέτρων, ώστε να μπορούμε να οπτικοποιήσουμε πώς μοιάζουν οι πλανήτες του Άλφα Κενταύρου», λέει χαμογελώντας, προτού ξεκαθαρίσει ότι το όραμά του είναι ένας τελικός στόχος. παρά ένα έργο στο οποίο εργάζεται αυτή τη στιγμή. Αλλά τέτοια οράματα είναι που οδηγούν την καινοτομία.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 358 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ