Novi algoritam pronašao više od dva milijuna putanja do asteroida bliskih Zemlji

Deseci tisuća asteroida i kometa prolaze relativno blizu Zemlje, ali planiranje misija do takvih malih svjetova i dalje je jedan od težih zadataka svemirske navigacije. Novo istraživanje Alessandra Beolchija sa Sveučilišta Khalifa za znanost i tehnologiju i njegovih suradnika pokazuje da bi se do tih ciljeva moglo dolaziti uz manje računalnog opterećenja, manju energiju pri lansiranju i sigurniji povratak kroz Zemljinu atmosferu.

Ako želimo slati više sondi prema malim tijelima u blizini Zemlje, neće biti dovoljno znati koji su asteroidi blizu. Ključno pitanje bit će kako brzo pronaći putanje koje štede gorivo, smanjuju cijenu misije i omogućuju sigurniji povratak kroz atmosferu. Novi model upravo tu donosi najveću promjenu: umjesto jedne moguće rute, otvara velik skup izvedivih putanja među kojima se mogu birati najpovoljnije.

Bliski asteroidi nisu nužno laki ciljevi

Objekti bliski Zemlji često se opisuju kao najdostupniji prirodni resursi u Sunčevu sustavu. Neki od njih sadrže metale, vodu ili druge materijale koji bi jednoga dana mogli biti korisni za robotske i ljudske misije. No “blizu” u astronomskom smislu ne znači automatski i “jednostavno” u inženjerskom smislu.

Da bi se letjelica susrela s asteroidom, nije dovoljno samo stići do njegove trenutačne lokacije. Potrebno je uskladiti brzinu, smjer gibanja i vrijeme dolaska, a zatim, u slučaju povratne misije, izračunati novu putanju natrag prema Zemlji. Kod tisuća mogućih ciljeva i golemog broja orbitalnih kombinacija, taj problem brzo postaje računalno vrlo zahtjevan.

U klasičnom planiranju međuplanetarnih letova putanja se često dijeli na jednostavnije dijelove. U svakom se dijelu računa dominantan gravitacijski odnos, primjerice između Sunca i letjelice, dok se utjecaj drugih tijela pojednostavljuje ili privremeno zanemaruje. Takav pristup desetljećima je bio dovoljno dobar za brojne misije, osobito dok su se letjelice uglavnom oslanjale na kemijske raketne motore s kratkim i snažnim paljenjima.

Nova računica polazi od drukčije stvarnosti. Današnje misije sve češće moraju štedjeti gorivo, koristiti slabije, ali dugotrajnije oblike pogona i iskoristiti gravitacijsku geometriju sustava Zemlja-Sunce umjesto da se prema asteroidima kreću najizravnijom mogućom putanjom.

Lagrangeove točke kao izlazna vrata prema asteroidima

Beolchi i suradnici zato kombiniraju dva modela orbitalne dinamike. U blizini Zemlje koriste model koji uključuje gravitacijski odnos Sunca, Zemlje i letjelice. Time u račun ulaze Lagrangeove točke, područja u kojima se gravitacijski utjecaji mogu iskoristiti za stabilnije ili energetski povoljnije putanje.

Te točke nisu samo zgodna mjesta za “parkiranje” letjelica. Oko njih postoji cijela mreža dinamičkih putanja kojima se letjelica može udaljavati od Zemlje uz vrlo malu potrošnju goriva. U praksi, to znači da se odlazak prema asteroidu ne mora promatrati kao naglo napuštanje Zemljine gravitacijske okolice, nego kao postupno korištenje prirodnih orbitalnih prolaza.

Kada se letjelica dovoljno udalji od Zemlje, model se pojednostavljuje. Tada se prelazi na klasičniji problem dvaju tijela, u kojem se promatra odnos Sunca i letjelice, bez detaljnog uključivanja Zemljina utjecaja. Odlazna putanja prema asteroidu i povratna putanja prema Zemlji računaju se odvojeno, a zatim se povezuju na samom cilju.

Takva podjela smanjuje računalni teret. Umjesto da se cijela misija računa kao jedan golemi problem s mnogo međusobno povezanih utjecaja, putanja se slaže iz dijelova koji bolje odgovaraju stvarnim fazama leta.

Slabi pogon koji radi mjesecima mijenja pravila igre

Druga važna promjena odnosi se na pogon. Klasični orbitalni izračuni često pretpostavljaju kratka i snažna paljenja motora, kakva su tipična za kemijske rakete. No mnoge moderne letjelice koriste solarnu električnu propulziju. Takav pogon ne daje snažan potisak u jednom trenutku, nego malu silu koja djeluje dugo.

To zvuči skromno, ali u svemiru dugotrajno ubrzavanje mijenja mnogo toga. Potisak može biti vrlo slab, gotovo usporediv s težinom lista papira na dlanu, no ako djeluje mjesecima ili godinama, letjelici može znatno promijeniti brzinu.

Istraživači su zato prilagodili računalni model tako da ne traži samo putanje prikladne za nagla paljenja motora. U račun su uveli i sporije, kontinuirane promjene brzine, kakve odgovaraju solarnom električnom pogonu. Time se otvara veći prostor mogućih rješenja, osobito za misije kod kojih je važnija ušteda energije nego najkraće vrijeme leta.

Dva milijuna izvedivih ruta i dvije zanimljive mete

Nakon što su postavili model, istraživači su ga testirali na stvarnim asteroidima. U simulacije su uključili 80 objekata s relativno ravnim orbitama i malim ekscentricitetom. Rezultat je bio iznimno velik skup mogućnosti: više od dva milijuna različitih izvedivih povratnih putanja.

Dva slučaja posebno su se izdvojila. Prvi je asteroid 1991 VG, objekt koji je neko vrijeme bio privremeni Zemljin “mini-mjesec”. Za njega je model pronašao zanimljivu prijelaznu putanju u kojoj bi robotska sonda mogla napustiti Zemlju preko područja oko Lagrangeove točke L1, posjetiti asteroid, a zatim se vratiti prema Zemlji preko područja oko L2, na suprotnoj strani planeta.

Drugi primjer je Apophis, poznati asteroid s nagnutom i izrazito izduženom orbitom. Upravo takvi ciljevi često su zahtjevni za planiranje, ali novi algoritam, prema autorima rada, dobro je pronašao moguće putanje i za taj objekt.

Kada su rezultate usporedili s NASA-inom bazom NHATS, koja sadrži podatke o objektima bliskima Zemlji dostupnima za ljudske svemirske letove, pokazala se ključna prednost. Ukupna promjena brzine, poznata kao delta-v, bila je slična kao kod standardnih pristupa. No nova metoda znatno je smanjila energiju potrebnu za napuštanje Zemlje pri lansiranju.

To je važna razlika. Manja energija pri lansiranju može značiti lakšu letjelicu, manji trošak ili veću masu znanstvenih instrumenata. Još jedan rezultat posebno je važan za povratne misije: povratak prema Zemlji odvijao se pri manjim brzinama. Letjelica bi u atmosferu ulazila sigurnije, uz manja toplinska opterećenja i potencijalno manje zahtjeve za toplinsku zaštitu.

Ako se buduće misije prema asteroidima budu sve više oslanjale na male sonde, električni pogon i pažljivo korištenje gravitacijskih prolaza, ovakvi modeli mogli bi postati važan dio planiranja. Ne obećavaju spektakularno brze letove, nego nešto možda korisnije: više izvedivih opcija, nižu cijenu i povratak kući uz manji rizik.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.