Вчені розробляють новий метод виявлення космічного сміття

Команда дослідників з Університету Меріленда під керівництвом Крістін Гартцелл працює над революційною технологією виявлення космічного сміття, яка може кардинально змінити підходи до моніторингу навколоземного простору. Проект отримав фінансування в рамках програми NIAC Phase II та спрямований на вирішення однієї з найгостріших проблем сучасної космонавтики.

Субсантиметрове космічне сміття на низькій навколоземній орбіті становить серйозну загрозу для пілотованих та безпілотних космічних апаратів. Традиційні методи виявлення та відстеження таких об'єктів виявляються неефективними через їхні малі розміри. Оптичні та радарні системи спостереження не здатні зафіксувати уламки розміром менше одного сантиметра, що створює значні ризики для космічних місій.

Дослідники запропонували принципово новий підхід до моніторингу космічного сміття. Замість прямого спостереження за уламками вони пропонують виявляти плазмові сигнатури, які створюють ці об'єкти під час руху через іоносферу. Попередні дослідження показали, що субсантиметрове космічне сміття може генерувати плазмові солітони — особливий тип хвиль в іоносферній плазмі, які не розсіюються так швидко, як звичайні хвилі.

Плазмові солітони можуть існувати у двох формах. Перший тип — це так звані закріплені солітони, які рухаються разом з уламком космічного сміття. Другий тип — попереджувальні солітони, які поширюються попереду уламка. Обидва типи солітонів несуть інформацію про характеристики космічного сміття, яке їх породило.

Команда вже розробила обчислювальні моделі, які дозволяють передбачити характеристики плазмових солітонів залежно від параметрів конкретного уламка космічного сміття. Ці солітони можуть бути виявлені за допомогою малих супутників формату 12U, обладнаних багатоголковими зондами Ленгмюра.

У рамках другої фази проекту дослідники планують вирішити два ключові технічні завдання. Перше завдання полягає у розробці алгоритму, який дозволить визначити розмір та швидкість космічного сміття на основі спостережуваних характеристик солітонів. Попередні дослідження дали змогу передбачити характеристики солітонів як функцію параметрів уламків, однак зворотна задача не має аналітичного розв'язку.

Для вирішення цієї проблеми команда планує використати алгоритми машинного навчання. Такий підхід дозволить створити систему, здатну автоматично аналізувати спостережувані сигнали солітонів та визначати характеристики космічного сміття, яке їх породило.

Друге завдання стосується оцінки можливості та цінності виявлення швидкості солітонів. Множинні спостереження одного і того ж солітона можуть дозволити визначити відстань, яку солітон подолав від моменту його утворення уламком. Поєднання цієї інформації з іншими характеристиками солітона та знаннями про локальне плазмове середовище може дозволити зворотне моделювання руху солітона в плазмових симуляціях.

Якщо вдасться визначити позицію та вектори швидкості уламків на основі спостережень солітонів, це стане справжнім проривом у сфері ситуаційної обізнаності в космосі для об'єктів, які наразі неможливо виявити традиційними методами. Навіть якщо вдасться визначити лише розмір та швидкість уламків, така технологія все одно стане революційним покращенням існуючих методів характеризації потоку космічного сміття.

Сучасні методи надають дані про космічне сміття лише з багаторічною періодичністю, що значно обмежує можливості оперативного реагування на загрози. Нова технологія може забезпечити набагато більш частий моніторинг навколоземного простору.

Космічне сміття є проблемою не лише для NASA, але й для комерційних та військових постачальників супутникових послуг. Зростання кількості космічних місій та супутникових констеляцій робить проблему космічного сміття все більш актуальною. Розробка ефективних методів моніторингу стає критично важливою для забезпечення безпеки космічної діяльності.

Дослідження також включатиме аналіз різних архітектур місій з точки зору складності та цінності отриманих даних. Команда планує розробити дорожню карту для подальшого розвитку технології, що дозволить визначити оптимальні шляхи її впровадження.

Проект відповідає на ключові технологічні питання щодо обсягу інформації, яку можна отримати з спостережуваних сигналів солітонів. Це дослідження може стати основою для створення нового покоління систем моніторингу космічного простору, здатних виявляти та відстежувати об'єкти, які раніше залишалися невидимими для наземних засобів спостереження.

Успішна реалізація проекту може значно підвищити рівень безпеки космічних операцій та сприяти сталому розвитку космічної діяльності. Технологія плазмового виявлення космічного сміття представляє собою інноваційний підхід, який може доповнити та покращити існуючі системи космічного спостереження.