Er zijn ongeveer 15.000 satellieten in een baan om de aarde. De meeste daarvan, zoals het internationale ruimtestation ISS en de Hubble-telescoop, bevinden zich in een lage baan om de aarde, of LEO, die maximaal ongeveer 2000 kilometer boven het aardoppervlak ligt. Maar naarmate er steeds meer satellieten in LEO worden gelanceerd, alleen al de Starlink-internetconstellatie van SpaceX zal er uiteindelijk nog vele duizenden meer naartoe sturen, wordt het een beetje druk in dat gebied. Daarom is het een geluk dat er nog een andere baan is, nog dichter bij de aarde, die de drukte kan helpen verlichten.
Deze baan wordt VLEO (Very Low Earth Orbit) genoemd, of zeer lage baan om de aarde, en ligt slechts 100 tot 400 kilometer boven het aardoppervlak. Als ingenieur en professor die technologieën ontwikkelt om de aanwezigheid van de mens buiten de aarde uit te breiden, kan professor Sven G. Bilén vertellen dat satellieten in een zeer lage baan om de aarde, of VLEO, voordelen bieden ten opzichte van satellieten op grotere hoogte. VLEO-satellieten bieden onder andere beelden met een hogere resolutie, snellere communicatie en betere atmosferische wetenschap. Volledige openheid: Sven G. Bilén is ook medeoprichter en mede-eigenaar van Victoria Defense, dat VLEO en andere ruimtevaarttechnologieën op het gebied van gerichte energie wil commercialiseren.
Voordelen van VLEO
De beelden van satellieten in een zeer lage baan om de aarde zijn scherper omdat ze de aarde gewoonweg duidelijker zien dan satellieten die hoger staan, ongeveer zoals je een schilderij beter kunt zien als je dichterbij komt. Dit vertaalt zich in beelden met een hogere resolutie voor landbouw, klimaatwetenschap, rampenbestrijding en militaire bewaking. End-to-end-communicatie is sneller, wat ideaal is voor realtime communicatie, zoals telefoon- en internetdiensten. Hoewel de signalen nog steeds met dezelfde snelheid worden verzonden, hoeven ze minder ver te reizen, waardoor de latentie afneemt en gesprekken soepeler verlopen. Veel weersvoorspellingen zijn afhankelijk van beelden van wolken boven de aarde, dus het maken van die foto's van dichterbij betekent een hogere resolutie en meer gegevens om mee te voorspellen. Vanwege deze voordelen werken overheidsinstanties en de industrie aan de ontwikkeling van satellieten in een zeer lage baan om de aarde.
De hinderpaal: atmosferische weerstand
U vraagt zich misschien af waarom dit deel van de ruimte tot nu toe is vermeden voor langdurige satellietoperaties. Daar is één belangrijke reden voor: atmosferische weerstand. De ruimte wordt vaak gezien als een vacuüm. Maar waar begint de ruimte nu eigenlijk precies? Hoewel ongeveer 100 kilometer hoogte, bekend als de von Kármán-lijn, algemeen wordt beschouwd als het beginpunt, is er geen duidelijke overgang waar de ruimte plotseling begint. In plaats daarvan wordt de atmosfeer dunner naarmate je je van de aarde verwijdert. In en onder een zeer lage baan om de aarde is de atmosfeer nog steeds dik genoeg om satellieten af te remmen, waardoor satellieten op de laagste hoogtes binnen enkele weken of zelfs dagen uit hun baan raken en in wezen verbranden terwijl ze terugvallen naar de aarde. Om deze atmosferische weerstand tegen te gaan en in een baan om de aarde te blijven, moet de satelliet zichzelf voortdurend voortstuwen, net zoals je bij het fietsen tegen de wind in continu moet blijven trappen. Voor voortstuwing in de ruimte gebruiken satellieten verschillende soorten stuwraketten, die de nodige stuwkracht leveren om te voorkomen dat ze vertragen. Maar in VLEO moeten de stuwraketten bijna continu aan staan. Daardoor zouden conventionele stuwraketten snel zonder brandstof komen te zitten. Gelukkig is de atmosfeer van de aarde in VLEO nog steeds dik genoeg om als brandstof te kunnen worden gebruikt.
Innovatieve voortstuwingstechnologieën
Dat is waar mijn onderzoek om de hoek komt kijken. Aan de Penn State University ontwikkelt het team van professor Sven G. Bilén, in samenwerking met Georgia Tech en gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Defensie, een nieuw voortstuwingssysteem dat is ontworpen om te werken op een hoogte van 70 tot 90 kilometer. Technisch gezien liggen deze hoogtes zelfs onder de zeer lage baan om de aarde, wat de uitdaging om de luchtweerstand te overwinnen nog moeilijker maakt. Onze aanpak bestaat erin de atmosfeer op te vangen met een soort schep, alsof je je mond wijd open doet terwijl je fietst, en vervolgens de opgevangen atmosfeer te verwarmen met krachtige microgolven. Het verwarmde gas wordt vervolgens door een straalpijp uitgestoten, waardoor de satelliet vooruit wordt geduwd. Ons team noemt dit concept de luchtademende microgolfplasmaschroef. We hebben een prototype van de stuwraket kunnen demonstreren in het laboratorium in een vacuümkamer die de atmosferische druk op 80 km hoogte simuleert. Deze aanpak is relatief eenvoudig, maar biedt potentieel, vooral op lagere hoogtes waar de atmosfeer dikker is. Hogerop, waar de atmosfeer dunner is, zouden ruimtevaartuigen verschillende soorten VLEO-stuwraketten kunnen gebruiken die door anderen worden ontwikkeld om grote hoogtebereiken te bestrijken.
Ons team is niet het enige dat aan stuwrakettechnologie werkt. Een voorbeeld: het Amerikaanse ministerie van Defensie werkt samen met defensiebedrijf Red Wire aan de ontwikkeling van Otter, een VLEO-satelliet met een eigen versie van stuwrakettechnologie die gebruikmaakt van de atmosfeer. Een andere optie om een satelliet in VLEO te houden, waarbij gebruik wordt gemaakt van een technologie waaraan ik mijn hele carrière heb gewerkt, is om een satelliet in een lagere baan met een lange kabel aan een satelliet in een hogere baan te koppelen. Hoewel NASA nog nooit met een dergelijk systeem heeft gevlogen, was de voorgestelde vervolgmissie op de tether-satellietsysteemmissies die in de jaren negentig werden uitgevoerd, om een satelliet vanuit de spaceshuttle in een veel lagere baan te brengen, verbonden met een zeer lange kabel. We bekijken dat systeem momenteel opnieuw om te zien of het in aangepaste vorm zou kunnen werken voor VLEO.
Andere complicaties
Het overwinnen van luchtweerstand is weliswaar het moeilijkst, maar niet de enige uitdaging. Satellieten in een zeer lage baan om de aarde worden blootgesteld aan zeer hoge concentraties atomaire zuurstof, een zeer reactieve vorm van zuurstof die de meeste stoffen, zelfs kunststoffen, snel aantast. De materialen van de satelliet moeten ook bestand zijn tegen extreem hoge temperaturen, boven 1.500 graden Celsius, omdat wrijving de satelliet opwarmt terwijl deze door de atmosfeer beweegt, een fenomeen dat optreedt wanneer alle ruimtevaartuigen vanuit hun baan weer in de atmosfeer terechtkomen. Het potentieel van deze satellieten stimuleert onderzoek en investeringen, en voorgestelde missies zijn werkelijkheid geworden. Juniper Research schat dat er alleen al in de komende drie jaar 220 miljard dollar zal worden geïnvesteerd. Binnenkort kunnen uw internet, weersvoorspellingen en veiligheid nog beter worden, dankzij VLEO-satellieten.
Bron: Space.com
