Autonomiczne satelity: autonomiczna flota odkrywców kosmosu

• Autor:
• nazwisko autora

  Foresight Quantumrun
• 23 grudnia 2022 r.

Podsumowanie spostrzeżeń

Małe satelity poczyniły ogromne osiągnięcia, od monitorowania asteroid po gromadzenie danych. Jednakże rosnące ograniczenia budżetowe skłoniły naukowców do poszukiwania alternatywnych, opłacalnych rozwiązań dla satelitów, w tym samosterowania i oszczędzania energii. Długoterminowe konsekwencje rozwoju autonomicznych satelitów mogą obejmować lepsze misje badawcze na inne planety i efektywne zarządzanie śmieciami kosmicznymi.

Kontekst autonomicznych satelitów

Według badań przeprowadzonych przez holenderski Delft University of Technology, małe satelity są zwykle definiowane jako statki kosmiczne o masie 500 kilogramów (kg) lub mniejszej. Modele te obejmują minisatelity (100-500 kg), mikrosatelity (10-100 kg), nanosatelity (1-10 kg), pikosatelity (0.1-1 kg) i femtosatelity (0.01-0.1 kg). Wskaźnik powodzenia misji satelitarnych wzrósł dzięki postępowi w technologii miniaturyzacji. W rezultacie więcej grup uniwersyteckich, firm i agencji kosmicznych proponuje małe misje satelitarne do badań naukowych.

Jednak kilka problemów może utrudniać zarządzanie małymi operacjami satelitarnymi ze stacji naziemnej. Wyzwania te obejmują jednoczesne śledzenie wielu statków kosmicznych przy ograniczonych zasobach, zwiększenie liczby misji przy jeszcze mniejszej liczbie dostępnych źródeł śledzenia oraz koszty energii i operacyjne dla tych zespołów misyjnych. 

Mając na uwadze te wyzwania, naukowcy koncentrują się na systemach autonomicznych. Systemy nawigacyjne najbardziej skorzystałyby na autonomii, ponieważ systemy te opierają się na naziemnym śledzeniu radiometrycznych elementów obserwacyjnych (zasadniczo szacowaniu pozycji i prędkości statku kosmicznego za pomocą sygnałów radiowych). Ponadto sterowanie statkiem kosmicznym odbywa się zwykle za pomocą poleceń wysyłanych ze stacji naziemnych, często z opóźnieniem; autonomiczne systemy mogłyby uniknąć takich ograniczeń i szybciej reagować na przeszkody.

Zakłócający wpływ

Autonomia może potencjalnie obniżyć koszty misji lub zwiększyć wydajność dzięki minimalnemu wykorzystaniu operacji naziemnych lub sprzętu. Alternatywnie, statek kosmiczny może wykonać określone zadanie szybciej niż system naziemny, jeśli może samodzielnie nawigować w przestrzeni kosmicznej i zbierać informacje. Ponadto zadania, takie jak zbieranie okazów, można wykonywać tylko autonomicznie, szczególnie w badaniach głębokiego kosmosu. 

Autonomiczna nawigacja była używana w kilku misjach kosmicznych, w tym Deep Space 1, Stardust i Deep Impact. Eksploracje te były wspierane przez Autonomous Optical System (AutoNAV) Jet Propulsion Laboratory oraz SMART-1, opracowany przez amerykańską Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA). Misje te wykorzystywały głównie nawigację optyczną, która wykorzystuje czujniki do obliczania pozycji statku kosmicznego, prędkości i innych stanów w stosunku do ciał docelowych.

Prowadzonych jest kilka eksperymentów, aby uczynić satelity samosterujące bardziej niezależnymi i wszechstronnymi. Na przykład w 2022 roku Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych zaczęło opracowywać plan umożliwiający wycofanym z eksploatacji satelitom kierowanie z powrotem na Ziemię i usuwanie bałaganu w przestrzeni kosmicznej. Propozycja sugeruje, aby nowe satelity były wyposażone w cienkie „pępowiny” o długości około jednego kilometra. Przepuszczając prąd elektryczny przez przewód, satelita mógłby następnie wykorzystać swoje pole elektryczne i pole magnetyczne Ziemi, aby skierować się z powrotem w dół, zamiast rozbijać się przypadkowo.

Tymczasem w 2019 roku satelity Starlink firmy SpaceX były pierwszymi wystrzelonymi modelami, które mogą autonomicznie unikać kolizji z innymi orbitującymi obiektami. Po otrzymaniu ostrzeżenia o jednym ze swoich Starlinków, SpaceX natychmiast wyśle ​​informacje do satelity, aby mógł on odpowiednio uniknąć za pomocą elektrycznych silników odrzutowych.

Implikacje autonomicznych satelitów

Szersze implikacje autonomicznych satelitów mogą obejmować: 

• Misje eksploracyjne na pobliskie planety i Księżyc, które są częściowo lub w pełni autonomiczne, obniżają koszty operacyjne.
• Kosmiczne satelity internetowe są w stanie uniknąć kolizji, co ma kluczowe znaczenie dla coraz bardziej zatłoczonej niskiej orbity okołoziemskiej (LEO).
• Uniwersytety i inne publiczne organizacje badawcze będą mogły prowadzić eksploracje kosmosu za pomocą minisatelitów przy coraz niższych kosztach.
• Agencje kosmiczne opracowują bardziej autonomiczne systemy wspierające długoterminowe eksploracje i zakładanie kolonii.
• Zmniejszenie ilości śmieci kosmicznych pochodzących z kolizji satelitów. Ten trend może zminimalizować zanieczyszczenie przestrzeni i marnotrawstwo.
• Zwiększona wydajność satelitarnych obserwacji Ziemi, usprawniająca monitorowanie w czasie rzeczywistym zmian środowiskowych i miejskich oraz zarządzanie nimi.
• Większa niezawodność i zmniejszone opóźnienia w globalnych sieciach komunikacyjnych, z korzyścią szczególnie dla odległych i słabo rozwiniętych regionów.
• Rządy przyjmują nowe ramy regulacyjne w celu zarządzania ruchem autonomicznych satelitów, zapewniając bezpieczne i zrównoważone operacje kosmiczne.

Pytania do rozważenia

• Jakie są inne potencjalne korzyści z samojezdnych satelitów i statków kosmicznych?
• Jak myślisz, w jaki sposób ta technologia przyspieszy odkrycia kosmosu?