Gdy w czerwcu 2003 r. rakieta Rokot startowała z kosmodromu Plesieck w północnej Rosji, nikt nie spodziewał się, że będzie to historyczne wydarzenie. 30-metrowy pojazd wyczarterowała niemiecka firma Eurockot Launch Services. Nietypowe było to, że na jego pokładzie zamiast jednego satelity znajdowało się osiem.
Niektóre z nich były naprawdę małe. To CubeSaty, czyli sześciany o boku 10 cm, po raz pierwszy zaprojektowane w latach 90. XX wieku. Budowano je ze standardowych części, przez co były tanie i łatwe w montażu. Początkowo stanowiły pomoc naukową dla studentów uczących się, jak projektować „prawdziwe” duże satelity. Szybko jednak okazało się, że CubeSaty mogą być czymś więcej niż tylko edukacyjnym gadżetem.
– Dziś wielu mądrych ludzi w Europie i na całym świecie stara się jak najbardziej zminiaturyzować technologie kosmiczne. Próbują wcisnąć jak najwięcej w te małe pudełka – wyjaśnia Roger Walker z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Takie myślenie przynosi już realne efekty. Miniaturyzacja i związany z nią spadek cen satelitów sprawiły, że możliwe stały się nowe rodzaje przedsięwzięć kosmicznych.
Z małych, tanich satelitów można tworzyć konstelacje
Należą do nich tzw. konstelacje satelitów składające się z dziesiątek, setek, a nawet tysięcy małych pojazdów kosmicznych. Działają zespołowo, co sprawia, że są w stanie realizować misje dla tradycyjnych satelitów niewykonalne. Konstelacje mogą powstawać dzięki temu, że konstrukcje takie jak CubeSat są tanie i da się je produkować masowo.
– Kiedyś zastanawialiśmy się nad tym, ile takich satelitów potrafimy kontrolować jednocześnie i do czego je wykorzystać. Skoro możemy mieć setki punktów pomiarowych w przestrzeni kosmicznej, myśleliśmy, że być może uda nam się zrobić coś, czego nie potrafią wielkie satelity warte grube miliony – wspomina Scott Williams z firmy SRI International, który brał udział w pracach nad wczesnymi wersjami CubeSatów.
Problemem było jednak sterowanie tak wielką grupą CubeSatów. – Nie możesz posadzić tysiąca operatorów w centrum kontroli lotu, by każdy z nich przesyłał instrukcje „swojemu” satelicie. To by się po prostu nie opłacało. Musieliśmy potraktować konstelację jako całość, którą może kontrolować jedna osoba – mówi Scott Williams. A to oznacza, że grupy CubeSatów są sterowane przez algorytmy sztucznej inteligencji, a więc mogą być w sporym stopniu autonomiczne.
Małymi satelitami coraz częściej interesuje się wielki biznes
Pojęcie konstelacji satelitarnych stało się szerzej znane dopiero w 2020 r. Spowodował to Elon Musk, którego firma SpaceX zaczęła umieszczać na orbicie okołoziemskiej dziesiątki swoich satelitów Starlink zapewniających szybki dostęp do internetu. Trafiają one w kosmos w pakietach po 60 sztuk.
Obecnie wokół Ziemi krąży ich już ponad 700, co można czasami obserwować na nocnym niebie, gdzie satelity tworzą „pociągi” świetlistych punktów. Docelowo megakonstelacja Starlink ma liczyć około 12 tys. urządzeń. Z technicznego punktu widzenia nie są to CubeSaty, ale przypominają je – również mają niewielkie rozmiary i są na tyle tanie, że opłaca się ich masowa produkcja.
Nie wszystkich zachwyciły Starlinki. Astronomowie krytykowali Elona Muska za to, że nie konsultował z nimi parametrów satelitów. Ich zagęszczenie może utrudniać obserwacje prowadzone z Ziemi – zarówno w paśmie światła widzialnego, jak i fal radiowych. Na szczęście SpaceX zaczęła zmieniać oprogramowanie Starlinków, co ma doprowadzić do zmniejszenia ich jasności.
Natomiast ESA uważa, że CubeSaty mają ogromny potencjał jako narzędzia badawcze. Dlatego utworzyła osobny wydział zajmujący się małymi satelitami. – Mamy koordynować prace nad tą technologią i szukać dla niej nowych zastosowań – mówi Roger Walker, szef tego wydziału.
Na razie większość tych zastosowań koncentruje się na obserwowaniu Ziemi. Zespół Walkera odkrył np., że niewielka grupa CubeSatów może dokładnie mierzyć poziom tlenków azotu – zanieczyszczeń powietrza emitowanych m.in. przez silniki spalinowe samochodów i inne formy spalania paliw kopalnych.
CubeSaty można też wykorzystać do tzw. obrazowania hiperspektralnego. Konstelacja małych satelitów może fotografować powierzchnię naszej planety w różnych zakresach barw, a także w promieniowaniu podczerwonym i ultrafioletowym niewidzialnym dla ludzkiego oka. – Dzięki temu potrafimy zdalnie śledzić zmiany zachodzące w roślinności, monitorować wilgotność gleby i prognozować wystąpienie powodzi – wyjaśnia Roger Walker.
Jeszcze inny pomysł zakłada, że CubeSaty mogą wychwytywać sygnały satelitów GPS odbite od powierzchni Ziemi. To pozwoliłoby m.in. monitorować zachowanie lodu na biegunach i śledzić przebieg prądów oceanicznych.
Konstelacja CubeSatów może badać asteroidy zagrażające Ziemi
Małe satelity rozszerzają też nasze możliwości badania kosmosu, a nawet zapobiegania katastrofom. Taki jest cel projektu NEO-MAPP (Near Earth Object Modelling And Payload for Protection), który ma na celu modelowanie zagrażających Ziemi asteroid i opracowywanie sposobów zmiany ich kursu. Przedsięwzięcie wspiera Komisja Europejska.
Wciąż bowiem bardzo mało wiemy o asteroidach, a zwłaszcza o strukturze i budowie chemicznej ich powierzchni. A bez tej wiedzy nie umiemy przewidzieć, jak zachowałby się taki obiekt, gdybyśmy np. uderzyli w niego rakietą, by zmienić jego kurs na niegroźny dla naszej planety. Z Ziemi takich badań nie można przeprowadzić, bo asteroidy są niewielkie.
– Tu właśnie można wykorzystać CubeSaty – wyjaśnia Patrick Michel, główny naukowiec projektu NEO-MAPP i dyrektor Obserwatorium Lazurowego Wybrzeża w Nicei. Jego pomysł polega na wysłaniu w kosmos satelitów, z których każdy zbliży się do innej asteroidy znajdującej się w pobliżu Ziemi.
Nawet jeśli CubeSaty będą wyposażone tylko w kamery, zrobią zdjęcia powierzchni różnych obiektów, które będzie można potem ze sobą zestawiać. – Być może odkryjemy jakieś podobieństwa między asteroidami. Moglibyśmy je wtedy podzielić na grupy. To obiecujący pomysł – mówi Patrick Michel. Naukowcy sprawdzą też, w jaki sposób grawitacja asteroidy zniekształca sygnały radiowe nadawane przez satelitę. W ten sposób można byłoby oszacować masy takich obiektów.
To nie wszystko. Sygnał radiowy wysyłany przez satelitę może zakłócić także promieniowanie kosmiczne pochodzące ze Słońca. Ów wiatr słoneczny jest składnikiem tzw. pogody kosmicznej, która wywiera wpływ na Ziemię. Zaburza działanie satelitów i stanowi zagrożenie dla zdrowia astronautów.
Scott Williams, który wpadł na pomysł monitorowania w ten sposób kosmicznej pogody, czerpał inspirację z prac meteorologów. Oni pierwsi zrozumieli, że zjawiska atmosferyczne zakłócają sygnały radiowe w sieciach telefonii komórkowej. – Analizując te zakłócenia, uzyskali nowe dane, dzięki którym powstają dokładniejsze prognozy ziemskiej pogody. A my chcemy zrobić coś podobnego w kosmosie – wyjaśnia Scott Williams.
Satelity przestaną być pasywne. Zmienią się w kosmiczne roboty
To, że CubeSaty można tanio wyprodukować i umieścić na orbicie, sprawia, że do kosmicznej branży zaczynają wchodzić nowe firmy z nowymi pomysłami. Firma SRI International pracuje już nad kolejną generacją małych satelitów.
– Wkrótce przestaną tylko pasywnie zbierać dane. Przyszłość należy do wersji robotycznych – mówi Samson Phan, szef zespołu zajmującego się nowymi CubeSatami. Mają one stać się niewielkimi robotami sterowanymi przez sztuczną inteligencję. Działając zespołowo będą mogły budować w kosmosie duże obiekty, takie jak ogromne teleskopy, których nie dałoby się dostarczyć rakietą w „jednym kawałku”.
– Możemy wyobrazić sobie stada robotów budujące wspólnie radioteleskop średnicy 500 km. Dzięki takiej aparaturze moglibyśmy zobaczyć, jak wyglądają planety krążące w pobliżu niedalekiej gwiazdy, takiej jak Alfa Centauri – mówi z uśmiechem Samson Phan. I choć po chwili dodaje, że to nadal marzenie, a nie konkretny projekt, to przecież właśnie od marzeń zaczynają się wielkie kosmiczne przedsięwzięcia.