اندازه‌گیری لیزری برای رصد زباله‌های فضایی و آب‌ها

پیش‌بینی‌های دقیق‌تر مدار برای ماهواره‌ها و زباله‌های فضایی

تحقیقات در دانشگاه فناوری گراتس (TU Graz) با استفاده از اندازه‌گیری‌های لیزری ماهواره‌ای، به پیش‌بینی‌های دقیق‌تری برای مدار ماهواره‌ها و زباله‌های فضایی و همچنین درک بهتری از توده‌های آبی موجود در زمین دست یافته است. اما چه ارتباطی بین میدان گرانشی زمین و مسیرهای ماهواره‌ها و زباله‌های فضایی وجود دارد؟ میدان گرانشی زمین بر مدارهای همسایگان ما در فضا تأثیر می‌گذارد و تغییرات در این مدارها به نوبه خود می‌تواند اطلاعاتی درباره تغییرات میدان گرانشی و در نتیجه توده‌های آبی موجود به ما بدهد.

پروژه COVER و بهبود محاسبات میدان گرانشی

در پروژه COVER، مؤسسه ژئودزی دانشگاه فناوری گراتس اندازه‌گیری‌های میدان گرانشی با استفاده از ماهواره‌ها را با روش اندازه‌گیری لیزری ماهواره‌ای (SLR) ترکیب کرده است. این کار به بهبود پایدار محاسبات میدان گرانشی و مشاهده اشیاء در فضا و پیش‌بینی مدارهای آن‌ها کمک کرده است. نتایج این تحقیقات در نرم‌افزار سیستم برنامه‌نویسی شی‌گرا برای بازیابی گرانش (GROOPS) گنجانده شده است که مؤسسه ژئودزی به صورت رایگان از طریق گیت‌هاب در دسترس قرار داده است.

دقت در حل میدان گرانشی طول‌موج بلند زمین

سندرو کروس از مؤسسه ژئودزی دانشگاه فناوری گراتس می‌گوید: “ماموریت‌های ماهواره‌ای مانند گریس، گریس فالو-آن و قبل از آن GOCE داده‌های بسیار ارزشمندی برای محاسبه میدان گرانشی زمین ارائه داده‌اند. اما طول‌موج بلند میدان گرانشی که شامل توده‌های قاره‌ای می‌شود، به خوبی با استفاده از این ماموریت‌ها قابل حل نیست.” از طرف دیگر، اندازه‌گیری با SLR می‌تواند این بخش طول‌موج بلند را با دقت بسیار بالا حل کند. برای این منظور، یک شبکه از ایستگاه‌های SLR لیزری به سمت ماهواره‌هایی با بازتابنده‌های نوری نشانه‌گذاری می‌کند که نور لیزر منتشر شده را بازتاب می‌دهند. با اندازه‌گیری زمان سفر نور، موقعیت ماهواره‌ها می‌تواند با دقت سانتی‌متری تعیین شود و از طریق اندازه‌گیری‌های متعدد، تغییرات در مدار ناشی از تغییرات توده‌های روی سطح زمین نیز قابل شناسایی است.

او ادامه می‌دهد: “اگر SLR را با سایر روش‌های اندازه‌گیری ماهواره‌ای ترکیب کنید، می‌توان میدان گرانشی را با دقت بیشتری محاسبه کرد، زیرا می‌توانید تمام طول‌موج‌های میدان گرانشی را به دقت حل کنید. این امکان به ما اجازه می‌دهد که توده‌های آبی موجود در زمین را با جزئیات بیشتری تعیین کنیم.”

پیش‌بینی دقیق موقعیت ماهواره‌ها و زباله‌های فضایی

در عین حال، می‌توانیم از داده‌های به‌دست‌آمده از اندازه‌گیری‌ها برای پیش‌بینی موقعیت ماهواره‌ها و زباله‌های فضایی به‌طرز قابل‌توجهی بهتری استفاده کنیم. این داده‌ها به ما کمک می‌کند تا آن‌ها را شناسایی کرده و با استفاده از اندازه‌گیری‌های لیزری (SLR) نقشه‌برداری کنیم و مدارهای آینده آن‌ها را با دقت بسیار بالا پیش‌بینی کنیم. این امر به افزایش ایمنی در مدار کمک می‌کند.

در حال حاضر، حدود ۴۰,۰۰۰ قطعه زباله فضایی با اندازه‌ای بزرگ‌تر از ده سانتی‌متر در حال گردش به دور زمین هستند و حدود ۱ میلیون قطعه نیز با اندازه‌ای یک سانتی‌متر یا بزرگ‌تر وجود دارد. این اجسام با سرعتی حدود ۳۰,۰۰۰ کیلومتر در ساعت حرکت می‌کنند و همه آن‌ها در یک جهت پرواز نمی‌کنند. بنابراین، برخورد با این زباله‌ها تأثیر زیادی خواهد داشت و می‌تواند ماهواره‌ها را نابود کرده و جان انسان‌ها در ایستگاه‌های فضایی یا دیگر فضاپیماهای سرنشین‌دار را به خطر بیندازد. به همین دلیل، شناسایی مدارهای تمام این اجسام و پیش‌بینی مسیرهای آینده آن‌ها به دقت هرچه بیشتر اهمیت دارد.

اندازه‌گیری‌های راداری و چالش‌های آن

در حال حاضر، اندازه‌گیری‌های راداری برای نظارت بر تمام اجسام زباله فضایی استفاده می‌شود، اما دقت آن‌ها محدود است. پیش‌بینی‌های موجود از مدار نیز به دلیل این که تنها دقتی در حد چند کیلومتر داشتند، با مشکل مواجه بودند. این موضوع شناسایی آن‌ها را دشوارتر کرده است. با همکاری ایستگاه اندازه‌گیری لیزری ماهواره‌ای مؤسسه تحقیقات فضایی آکادمی علوم اتریش در رصدخانه لستبیهل، پیشرفت‌های قابل‌توجهی در این زمینه حاصل شده است.

مؤسسه ژئودزی از مدل‌های نیروی خود استفاده کرده است که می‌توانند موقعیت یک ماهواره یا زباله فضایی را با دقت حدود ۱۰۰ متر تعیین کنند. این امر پیگیری و ثبت دقیق آن‌ها را با استفاده از لیزر اندازه‌گیری آسان‌تر کرده است. اندازه‌گیری‌های بیشتر در طی پروازهای بعدی تصویر دقیق‌تری از رفتار مدار ارائه داد که به محققان این امکان را داد تا پیش‌بینی‌ها را بهبود بخشند.

مدل‌سازی نیروها برای پیش‌بینی مدار

تورستن مایر-گور از مؤسسه ژئودزی دانشگاه TU گراتس می‌گوید: “برای پیش‌بینی مدار، باید تمام نیروهای وارد بر ماهواره‌ها را مدل‌سازی کنیم.” این شامل نیروی گرانشی زمین است که تحت تأثیر وجود جرم‌هایی مانند آب قرار دارد. ترکیب مدل‌سازی مدار ما با اندازه‌گیری‌های SLR اکنون محاسبات بسیار دقیق‌تری را در نرم‌افزار GROOPS ما که برای همه به‌صورت رایگان در دسترس است، امکان‌پذیر می‌سازد. تا آنجا که ما می‌دانیم، ما تنها کسانی هستیم که چنین بسته جامع و کاملی برای تعیین میدان گرانشی، تعیین مدار و پردازش SLR را به‌صورت رایگان ارائه می‌دهیم. این دسترسی متن‌باز برای ما مزیتی دارد که به سرعت بازخورد دریافت می‌کنیم اگر چیزی نیاز به بهبود داشته باشد.”