Oko Zemlje danas kruži približno 15.000 satelita. Većina njih, uključujući Međunarodnu svemirsku postaju i svemirski teleskop Hubble, nalazi se u niskoj Zemljinoj orbiti (LEO), koja se prostire do oko 2.000 kilometara iznad površine planeta. Kako se broj lansiranja stalno povećava, taj orbitalni pojas postaje sve zagušeniji, a internetska konstelacija Starlink tvrtke SpaceX u konačnici bi trebala dodati još mnogo tisuća satelita u LEO.
Zbog tog pritiska raste interes za orbitalnu zonu još bližu Zemlji koja bi mogla djelomično rasteretiti postojeću infrastrukturu. Riječ je o vrlo niskoj Zemljinoj orbiti (VLEO), smještenoj na visinama od približno 100 do 400 kilometara iznad Zemljine površine. Sateliti u tom pojasu mogu omogućiti oštrije snimke, brže komunikacije i korisnija opažanja atmosfere, no njihov dugotrajan rad do nedavno je bio ograničen ozbiljnim tehničkim izazovima.
Kako objašnjava Sven Bilén, profesor inženjerstva na Sveučilištu Penn State, sateliti u vrlo niskoj Zemljinoj orbiti nude prednosti u odnosu na sustave na većim visinama upravo zbog manje udaljenosti od površine planeta. Ta blizina omogućuje snimke veće razlučivosti, manju latenciju u komunikacijama i kvalitetnije podatke za atmosferska istraživanja. Bilén ujedno navodi da je suosnivač i suvlasnik tvrtke Victoria Defense, koja nastoji komercijalizirati VLEO i druge tehnologije usmjerene energije za svemirske primjene.
Veća razlučivost snimaka proizlazi iz jednostavne geometrije opažanja, jer sateliti s manjih visina promatraju površinu s manje degradacije slike. To je posebno važno za poljoprivredu, klimatska istraživanja, odgovor na prirodne katastrofe i vojne nadzorne zadaće. U komunikacijskim sustavima prednost se očituje u manjem vremenskom kašnjenju, budući da signal mora prijeći kraću udaljenost, iako se širi istom brzinom. Takva svojstva čine VLEO privlačnim za usluge u stvarnom vremenu, uključujući telefonske i internetske veze.
Meteorologija također može imati koristi od rada u vrlo niskoj orbiti. Velik dio prognoziranja vremena oslanja se na snimke oblaka iznad Zemlje, a snimanje s manjih visina omogućuje veću razlučivost i bogatiji skup podataka za numeričke modele prognoze. Upravo zbog tih potencijalnih dobitaka, državne agencije i industrija intenzivno rade na razvoju satelita za vrlo nisku Zemljinu orbitu.
Glavna prepreka: atmosferski otpor
Svemir se često doživljava kao gotovo savršeni vakuum, no prijelaz između atmosfere i svemira nije nagao. Kao referentna granica često se navodi von Kármánova granica na oko 100 kilometara visine, no iznad te visine atmosfera postupno postaje sve rjeđa bez jasne crte razdvajanja. U vrlo niskoj Zemljinoj orbiti atmosfera je još uvijek dovoljno gusta da stvara značajan otpor kretanju satelita.
Na najnižim visinama taj otpor može uzrokovati gubitak orbite u roku od nekoliko tjedana, pa čak i dana, nakon čega letjelica pri povratku u atmosferu sagorijeva. Kako bi se tome suprotstavio i ostao u orbiti, satelit mora stalno stvarati potisak prema naprijed, slično kao što je za vožnju bicikla u vjetar potrebno neprekidno okretati pedale.
Za održavanje orbite sateliti koriste različite vrste potisnika koji nadoknađuju gubitak brzine. U vrlo niskoj Zemljinoj orbiti takvi potisnici moraju raditi stalno ili gotovo stalno, zbog čega bi konvencionalni sustavi brzo ostali bez goriva. Istodobno, atmosfera na tim visinama još je dovoljno prisutna da se upravo ona može iskoristiti kao pogonski resurs.
Pogon koji koristi atmosferu i dodatni tehnički izazovi
Kako objašnjava Bilén, njegov istraživački rad usmjeren je na razvoj pogonskih sustava sposobnih za rad na iznimno malim visinama. Na Penn Stateu, u suradnji s Georgia Techom, razvija se novi pogonski sustav predviđen za visine od približno 70 do 90 kilometara. Te se visine nalaze čak i ispod vrlo niske Zemljine orbite, što dodatno pojačava izazove povezane s atmosferskim otporom.
Razvijeni sustav prikuplja okolnu atmosferu pomoću usisnog elementa, zatim prikupljeni plin zagrijava mikrovalovima velike snage. Zagrijani plin potom se izbacuje kroz mlaznicu, čime se stvara potisak koji letjelicu gura naprijed. Ovaj koncept poznat je kao “air-breathing microwave plasma thruster.” Prototip je demonstriran u laboratoriju unutar vakuumske komore koja simulira tlak atmosfere kakav se nalazi na visini od oko 80 kilometara.
Takav pristup posebno je primjenjiv na nižim visinama gdje je atmosfera gušća. Na većim visinama, gdje je atmosfera rjeđa, mogu se koristiti druge vrste VLEO potisnika koje razvijaju različiti istraživački timovi kako bi se pokrio širok raspon visina. Na razvoju sličnih tehnologija ne rade samo akademske institucije. Američko Ministarstvo obrane, primjerice, u partnerstvu s obrambenim izvođačem Red Wire razvija Otter, satelit za vrlo nisku Zemljinu orbitu s vlastitom inačicom potisnika koji koristi atmosferu.
Kao dodatnu mogućnost za održavanje satelita u vrlo niskoj orbiti razmatra se i koncept povezivanja satelita u nižoj orbiti s onim u višoj orbiti dugim užetom. Iako NASA nikada nije letjela s takvim sustavom, nastavna misija planirana nakon eksperimenata sa sustavima satelita na užetu iz 1990-ih trebala je uključivati spuštanje satelita u znatno nižu orbitu iz space shuttlea, povezanog vrlo dugim užetom. Taj se koncept ponovno razmatra u izmijenjenom obliku kako bi se procijenila njegova primjenjivost u VLEO-u.
Atmosferski otpor, iako najveći izazov, nije jedini problem. Sateliti u vrlo niskoj Zemljinoj orbiti izloženi su visokim koncentracijama atomskog kisika, izrazito reaktivnog oblika kisika koji brzo nagriza većinu materijala, uključujući plastiku. Uz to, konstrukcija mora izdržati vrlo visoke temperature, jer trenje pri prolasku kroz gornje slojeve atmosfere može zagrijati površine letjelice na više od 1.500 stupnjeva Celzija.
Unatoč tim ograničenjima, potencijal VLEO satelita potiče snažna ulaganja i razvoj konkretnih misija. Prema procjeni Juniper Researcha, u iduće tri godine u taj će se sektor uložiti oko 220 milijardi američkih dolara. Ako se tehničke prepreke uspješno svladaju, sateliti u vrlo niskoj Zemljinoj orbiti mogli bi u bliskoj budućnosti igrati ključnu ulogu u poboljšanju internetskih usluga, meteoroloških prognoza i sigurnosnih sustava na Zemlji.
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.
