Små Satellitter til Rumforskning

• Hvad kan en lille satellit?
• Kan de bruges til videnskab?

Det var spørgsmålene som ISSI stillede os på vegne af COSPAR. ISSI er et Schweizisk institut for international rumforskning og COSPAR er komiteen for rumforskning under FN.

COSPAR's og dermed FN's grund til at spørge er jo naturligvis opblomstringen af små satellitprojekter. Masseoptimering af rumskibe - hvilket vil sige mere funktionalitet for samme eller mindre masse - har stået på stort set siden starten af rum-æraen, men CubeSatsne har sat skub i sagerne. Jeg har tidligere skrevet lidt om den udvikling.

Det COSPAR ønskede var et såkaldt Roadmap. Dem har COSPAR udgivet flere af, fx et for astronomi, et for jordsystemforskning og rumvejret. (Rumvejr handler bla.a. om solstorme). Nu har vi så skrevet: "Small satellites for space science: A COSPAR scientific roadmap". Den er udgivet i Advances in Space Research Vol. 64, issue 8.

Vi, altså forfatterne bag, kommer fra 11 forskellige nationer og 19 forskellige institutioner, centre, universiteter og virksomheder. Det har været en sjov og lærerig proces at slibe ideer af på hinanden og langsomt lade dem træde skarpere og skarpere frem. Vi har ledt efter fællesmængden for: Hvad er fysisk muligt? Hvad er politisk realistisk? og Hvad kan menneskets kreativitet drive det til?

Formidlingsopgaven

Det nytter jo ikke meget at ekspertpanelet får tygget sig frem til 52 siders vejvisning hvis det ikke bliver læst. Derfor starter vi med en 2 siders opsummering, udkrystalliserer pointer undervejs og slutter med én anbefaling til hver af de fem modtagergruper: videnskabsfolk, rumindustrien, agenturerne (ESA, NASA etc), politikere og selvfølgelig COSPAR selv. Vi har brudt tekstblokkene op med hele 27 figurer. Bemærk særligt figur 1.8 som Katrine en af mine studerende har lavet.

Resultatet

Nogle teknologiske udviklinger minder om afsmeltning af et isbjerg. Efterhånden som bjerget smelter ændres massefordelingen og iblandt vil man opleve af bjerget kælver og vælter rundt. Hvad der før var under vand og udenfor rækkevidde er nu over og hvad der før var indenfor rækkevidde er nu under havoverfladen. Selve afsmeltningen er en jævn kontinuert proces, men kælvningerne er abrupte.

I den teknologiske verden kaldes den ækvivalente proces "disruption", altså teknologisk kælvning. Teknologier der før var uegnede, for dyre eller for komplicerede og derfor blev holdt under den økonomiske flydelinie af etablerede teknologier, popper med den teknologiske kælvning pludselig op. Ved samme lejlighed er der stor risiko for at de veletablerede teknologier bliver tvunget under den økonomiske flydelinie.

CubeSats lå da de blev introduceret langt under nogen økonomisk flydelinie. De var kun interessante for undervisere på universiteter, der drømte at lade deres studerende få lov at arbejde med rumhardware. Forskere var helt naturligt ikke imponeret over aperturåbninger på 100 mm. Hubble har en appertur på 2400 mm og samler altså 576 gange så meget lys op. Om det er lys eller radiosignaler er underordnet, større apertur betyder mere signal og bedre opløsning. Men det handler ikke kun om det enkelte teleskops ydeevne, det handler også om massen. Hvad får vi per kilo? Kan vi få mere per kilo ved at gøre det på en anden måde?

Cubesats kan bygges som små ens enheder og de sættes på raketten med en standardkomponent. Dermed åbnes vejen for serie eller endog masseproduktion. Ved den første opsendelse af 7 CubeSats i 2003 begyndte de små satelliter at hakke løs i det rumteknologiske isbjerg. Den første kælvning skete med opsendelsen af firmaet Planets to eksperimentelle satellitter Dove 1 og 2 i november 2013.

Idag har Planet 217 styks af den endelige version Flock i lav jordbane. Både Dove og Flock satelliterne er 3U CubeSats, der vejer omkring 5 kg. Med deres Flock konstellation kan Planet fotografere over 200 millioner kvadratkilometer af jordens overflade en gang i døgnet med 3-5 meters opløsning. Jorden har ca 150 millioner kvadratkilometer landområde.

Sætter vi til sammenligning en 12 megapixel sensor i en Keyhole-11 satellit og kræver samme beskedne opløsning (3 m), kan den overstryge lige under 7 millioner kvadratkilometer pr. døgn. Keyhole-11 vejer cirka 13,5 ton, de 217 Flock vejer tilsammen 1085 kg. Så med en tolvtedel af massen får man 28 gange så mange kvadratkilometer per tidsenhed. Ved at splitte massen op i mindre bidder kan Planet altså tilbyde et helt nyt produkt: meget større afbildet område, meget oftere. Bevares Keyhole satelliten kan levere 50 gange så høj opløsning, men det vil kun reducere det overstrøgne areal. Hubble teleskopet er i familie med Keyhole satellitterne.

Cubesats har acceleret skrumpeprocessen, men den har som nævnt eksisteret stort set fra starten af satellitæraen. I 90'erne var teknologien nået så langt at en satellit på bare 61 kg kunne levere målinger af Jordens magnetfelt med hidtil uhørt høj præcision. Ørsted satelliten reducerede opløsningen fra 1330 km til 670 km. Med Ørsted's data var det muligt at sætte en ny standard for det internationale geomagnetiske referencefelt. For at lave et præcist kort udfra målte data er det nødvendigt at vide præcist hvor ens måleinstrument var for en given måling. Den opgave løste Ørsteds stjernekamera. Kameraet var da det blev introduceret revolutionerende både i ydeevne og størrelse.

Det at de enkelte delsystemers masse skrumper over tid har åbnet op for avancerede mini og mikro satelliter. At fysikkens love holder aperturen konstant pga af et følsomhedskrav, udelukker ikke at computeren, strømforsyning og radioen kan skrumpe. Det er den udvikling, der har muliggjort både OneWeb og Elon Musk's star-link. Spørgsmålet er så om højhastigheds internet serveret fra lav jordbane kan udløse endnu en kælvning af det rumteknologiske isbjerg.

Forskningen bruger også små satellitter

Det er ikke kun kommercielle interesser, der nyder godt af mere-for-mindre udviklingen. I foråret ankom NASA's rover InSight til Mars. Under landingsfasen sendte InSight data til de to Cubesats MarCo A og B. Satelliterne fungerede som relæstationer og tillod NASA at følge landingssekvensen i nær-realtid. MarCo satellitterne vejer hver især 13,5 kg.

En satellit som MarCo er så lille at en raket stort set bare tager den med i lommen uden at gøre meget andet end at reducere ballasten en smule. Dermed kan større missioner som InSight eller ESA's Hera mission blive mere avancerede.

Ved siden af det har de mange CubeSat projekters behov for opsendelse naturligt åbnet et nyt nichemarked. Den efterspørgsel har trænet og øvet raketoperatørerne i at håndtere multi-satellit opsendelser. Så meget at det er blevet en praleparameter for raketoperatørerne: "Vores raket har slået rekorden for antallet af satellitter opsendt med én raket."

Vi har ikke medtaget en statistik for udviklingen i rekord-opsendelser over tid i rapporten. Istedet har jeg har lavet en til jer, se figuren herunder. Det er iøvrigt ISC Kosmotras, Northrop Grumman, Orbital og ISRO der har skiftedes til at holde pokalen. Space-X lurer i kulissen.

Erkendelser

Målet med vores arbejde i skrivegruppen var at nå frem til en række erkendelser omkring udviklingen og potentialet for små satellitter. De erkendelser skulle vi så anvende til at give en række anbefalinger. Personligt fik vores arbejde med rapporten mig til at spekulerede over om man kunne se en masse reduktions-trend. For at undersøge det indsamlede jeg data for en række rumskibstyper fra 1960'erne og til idag. Det ledte mig til nedenstående udtryk (inspireret af Moore's lov):

t er tiden i måneder, n er massehalveringstiden (også i måneder). P0 er startmassen for en rumskibstype og Pt er massen af samme rumskibstype efter tiden t. Det ligner at n var omkring 10,5 år før CubeSat æraen og at n faldt til omkring 3 til 4,5 år da CubeSats kom til. Det betyder at et rumskib med en given mission og ydeevne bygget i 1980 vil veje det dobbelte af et tilsvarende rumskib bygget midt i 1990, 10,5 år senere. Idag tager samme proces altså mellem 3 og 4,5 år.

Opsendelsesmarkedet

CubeSats behov for at flyve på tomlen har skabt et nyt nichemarked for masseopsendelser. Teknologi for masseopsendelser begrænser sig ikke til at kunne have mange passagere med, man skal også kunne sætte dem af forskellige steder i banen. Den teknologi startede med atommissilerne, men der er forskel på at frigive 8-10 sprænghoveder i en balistisk bane som skal ned cirka samme sted og så frigive 104 satellitter i forskellig størrelse som helst ikke skal støde sammen i de efterfølgende kredsløb. Kræsne kunder vil måske have deres egen banehøjde, så genstart af raketmotorer er også blevet hverdag. Alt ialt er det blevet "nemt" og relativt biligt at komme i kredsløb. Regn med at betale omkring 80-100 k€ for 1 kg til lav jordbane. Kræver ens mission en sværm af 20, 50 eller flere enheder i samme bane er det nu også blot et spørgsmål om at have råd til billetterne. Teknologien er klar.

Kommercielle interesser

Vi har allerede set og ser kommercielle missioner baseret på store satellitsværme. Sværmene og den tilhørende teknologi gør at den opsendte masse kan udnyttes mere effektivt. Dermed er vejen banet for at nye forretningsplaner kan inkludere en pasus som fx: "med vores properitære rumbaserede infra-struktur kan vi tilbyde vores kunder et unikt produkt." Jeg spekulerede lidt over hvad den udvikling gør ved lav jordbane i mit forrige blogindlæg.

Forskning - risiko og opløsning

Forskningsmissioner vil også nyde godt af multi-segment missioner. Der er flere muligheder. Et stort rumskib kan få hjælp fra mindre enheder. De kunne fx give længere base-længde i et sensorsystem, som så kan levere større opløsning eller følsomhed. Har man en række små sonder med på en mission kan man være mere risikovillig og sende de små sonder tættere på de objekter, man ønsker at studere. ESA's Hera mission skal til Didymos-Didymoon og har to 3U CubeSat's med. Hvis nu den ene CubeSat var en Flock satellit, så ville den slå Hubble's bedste opløsning når den når ind under 5250 km fra Didymos-Didymoon. Så i stedet for at lade et stort teleskop blive i lav jordbane kunne man også sende et mindre tættere på.

Sværme

Al massen kan også "investeres" i en sværm af små rumskibe. De kan så dække et langt større område end hvad en monolitisk enhed kan. Her bliver udfordringen at sende data tilbage til Jorden hvis hele flokken består af små svage enheder. Det var den udfordring MarCo satelitterne med succes tog op.

Lettere = hurtigere

Endelig kan den rå massereduktion også bruges til at slet og ret at flyve hurtigere. Den begrænsende faktor for vores interstellare rækkevidde er forskeres og rumskibes levetid. Parker Solar probe når 95 km/s når den svinger rundt om solen, men udadgående er det New Horizons med 16,2 km/s der pt har den gule føretrøje. I løbet af en 45 års karriere når rumskibet 154 astronomiske enheder fra Jorden. Det er forbi Kuiperbæltet, men ikke ud til Oortskyen. Stephen Hawking, Yuri Milner og Mark Zuckerberg har foreslået stjerneskudsinitiativet, der går på at sende laser-accellerede rumskibe på 2,4 gram afsted mod Alfa Proxima med 20% af lysets hastighed (60.000 km/s). Sådan et rumskib når frem på kun 20 år.

Før vi kan bygge og flyve relativistiske rumskibe skal vi øve os. Jeg kiggede derfor på hvad et rumskib der kan nå 1/1000 del af ønskehastigheden kan. Som eksempel brugte jeg 'Oumuamua, der kom fræsende igennem solsystemet. 'Omuamua nåede 87,7 km/s ved perihelion den 9. september 2017. En måned senere passerede den jordens bane udadgående, her var hastigheden (i forhold til Solen) faldet til 49,7 km/s. Et lille ét grams rumskib, med ét gram laser-sejl, der kan nå 60 km/s kan altså snildt indhente sådan en extra-solar gæst og studere den nærmere. Se evt figur 2.6 og 2.7 i rapporten.

De erkendelser brugte vi til at formulere anbefalingerne, som jeg vil slutte af med:

Anbefalinger

Videnskaben kan med fordel afsøge mulighederne i mindre rumskibe. Vi kan ikke ændre på aperturligningen, men mindre rumskibe kan betyde flere rumskibe, engangs-rumskibe eller hurtigere rumskibe. Det åbner for at belyse videnskabelige spørgsmål på nye måder eller at stille helt nye spørgsmål.

Rumindustrien kunne med fordel tilbyde de mindre og lettere instrumenter fra fx univeristeter plads på kommercielle missioner. Lettere systemer øger muligheden for sammenskudsmissioner (på samme vis som CubeSats mulighed for at flyve med ombord på store satellitters raketter åbnede for CubeSats).

Agenturerne kan med fordel tilrette procedurer mod de mindre rumskibes karakteristika. Når enhedsprisen kan reduceres og flere ens rumskibe kan flyves samtidigt er en større risiko acceptabelt, hvilket igen sænker udgifterne.

Politikere bør hjælpe med at sikre plads i RF båndet, lette eller supportere ansøgningsprocedurer i forbindelse med opsendelser, arbejde for at rumskrotproblematikken adresseres og håndteres samt forenkle reguleringer.

COSPAR bør facillitere internationale forskningssamarbejde for ekstra store rummissioner baseret på sammenskudsprincippet. Hver deltager sikrer egen fundning, men COSPAR koordinerer rammer og datadeling. Det totale missionsbillede skal være større og mere ambitiøse end hvad enkelte deltagere kan håndtere. Til denne anbefaling blev vi inspireret af missionerne til Halley's komet i 1986 og samarbejdet mellem Ligo observatoriet, der detekterer tyngdebølger og optiske-med-mere observatorier.

Fællesmængden

Vi var 19 forfattere med forskellig politisk og kulturel baggrund. At skulle enes om anbefalinger var ikke uventet den sværreste del. Ovenstående er det uddrag af anbefalingerne som jeg synes er mest realistisk politisk set - og nogen af dem er ambitiøse. Vil man se alle anbefalingerne må man ind og læse selv, rapporten er frit tilgængelig for alle.