Сучасна космічна промисловість і технології, від яких дедалі більше залежить суспільство — електричні мережі, авіація та зв’язок — підлягають одній загрозі: космічній погоді.
Космічна погода охоплює будь-які зміни в середовищі простору між Сонцем та Землею. Однією з поширених подій космічної погоди є міжпланетні викиди корональної маси.
Ці викиди є скупченнями магнітних полів і частинок, що походять від Сонця. Вони можуть рухатися зі швидкістю до 1 242 миль на секунду (2 000 км/с) і викликати геомагнітні шторми.
Ці шторми можуть створювати красиві спектри полярних сяйв, які іноді видно на небі, але також можуть порушувати діяльність супутників, відключати електричні мережі та наражати астронавтів під час майбутніх місій на Місяць та Марс на небезпечні дози радіації.
Я є фахівцем у галузі геліофізики та експертом з космічної погоди, і моя команда розробляє супутникову констеляцію нового покоління під назвою SWIFT, яка покликана прогнозувати потенційно небезпечні події космічної погоди заздалегідь. Наша мета — точніше і раніше передбачити екстремальні космічні погодні умови.
Небезпеки космічної погоди
Комерційні інтереси вже відіграють важливу роль у космічних дослідженнях, зосереджуючи увагу на космічному туризмі, будівництві супутникових мереж та видобутку ресурсів з Місяця й поруч розташованих астероїдів.
Космос також є критично важливим простором для військових операцій. Супутники забезпечують необхідні можливості для військових комунікацій, спостереження, навігації та збору розвідданих.
Оскільки такі країни, як США, стають дедалі більше залежними від інфраструктури в космосі, екстремальні події космічної погоди становлять серйозну загрозу. Сьогодні космічна погода загрожує активам на суму до 2,7 трильйонів доларів США у всьому світі.
У вересні 1859 року відбулася найбільш потужна зареєстрована подія космічної погоди, відома як подія Каррінгтона, що спричинила пожежі в Північній Америці та Європі, сильно зарядивши телеграфні лінії. У серпні 1972 року ще одна подія, подібна до Каррінгтона, ледве не уразила астронавтів, що оберталися навколо Місяця. Доза радіації могла бути фатальною. Нещодавно, у лютому 2022 року, SpaceX втратила 39 зі своїх 49 новозапущених супутників Starlink через помірну подію космічної погоди.
Сучасні монітори космічної погоди
Служби космічної погоди значною мірою залежать від супутників, які контролюють сонячний вітер — потік магнітних полів і частинок, що виходять від Сонця, та передають свої спостереження на Землю. Вчені можуть порівнювати ці спостереження з історичними даними, щоб передбачити космічну погоду та досліджувати, як Земля може реагувати на спостережувані зміни в сонячному вітрі.
Земне магнітне поле природним чином захищає живі організми та супутники, що обертаються навколо Землі, від більшості негативних наслідків космічної погоди. Проте екстремальні події космічної погоди можуть стискати або, в деяких випадках, знімати частини земного магнітного щита.
Цей процес дозволяє частинкам сонячного вітру проникати у наш захищений простір — магнітосферу, піддаючи супутники та астронавтів на космічних станціях жорстким умовам.
Більшість супутників, які безперервно контролюють космічну погоду, обертаються відносно близько до планети. Деякі супутники розташовані на низькій земній орбіті, приблизно за 100 миль (161 км) від поверхні Землі, тоді як інші перебувають на геосинхронній орбіті, приблизно 25 000 миль (40 000 км) від Землі.
На цих відстанях супутники залишаються в межах захисного магнітного поля Землі й можуть надійно вимірювати реакцію планети на умови космічної погоди. Однак, щоб більш безпосередньо дослідити вхідний сонячний вітер, дослідники використовують додаткові супутники, розташовані далі від Землі — сотні тисяч миль.
США, Європейське космічне агентство та Індія експлуатують моніторингові супутники космічної погоди, розташовані навколо точки Лагранжа L1 — майже за 900 000 миль (1 450 000 км) від Землі — де гравітаційні сили Сонця та Землі врівноважують одна одну. З цього огляду монітори космічної погоди можуть давати до 40 хвилин попередження про вхідні сонячні події.
Попередження про космічну погоду
Розширення часу попередження понад 40 хвилин — це поточний час, який ми маємо — допоможе операторам супутників, планувальникам електромереж, диспетчерам рейсів, астронавтам і офіцерам Космічних сил краще підготуватися до екстремальних подій космічної погоди.
Наприклад, під час геомагнітних штормів атмосфера нагрівається та розширюється, збільшуючи опір супутникам на низькій земній орбіті. За достатньою попередженням оператори можуть оновити свої розрахунки опору, щоб запобігти зниженню супутників і їхньому згоранню під час цих подій. Оновивши розрахунки, оператори супутників зможуть використати системи пропулсії, щоб підняти супутники вище в орбіті.
Авіакомпанії можуть змінювати свої маршрути, щоб уникнути високих доз радіації для пасажирів та персоналу під час геомагнітних штормів. А майбутні астронавти на шляху до Місяця або Марса, які не мають захисту від цих частинок, можуть отримати попередження заздалегідь про необхідність укриття.
Любителям польотних сяйв також буде приємно мати більше часу, щоб дістатися до своїх улюблених місць спостереження.
Фронтир дослідження космічної погоди
Моя команда та я розробляємо нову супутникову констеляцію космічної погоди, під назвою Фронтир дослідження космічної погоди (SWIFT). SWIFT вперше розмістить монітор космічної погоди за межами точки L1, на відстані 1,3 мільйона миль (2,1 мільйона км) від Землі. Це дасть науковцям змогу попереджати приймаючі рішення про космічну погоду, що наближається до Землі, до 60 хвилин до її прибуття.
Супутники з традиційними хімічними та електричними системами пропулсії не можуть підтримувати орбіту на цій відстані — далі від Землі і ближче до Сонця — протягом тривалого часу. Це зумовлено тим, що їм потрібно постійно спалювати паливо, щоб протистояти гравітаційній силі Сонця.
Щоб вирішити цю проблему, наша команда протягом багатьох років розробляє нову систему пропулсії. Наша розробка дозволяє досягти дистанції ближче до Сонця, ніж традиційна точка L1, і надійно працювати там більше десяти років, використовуючи доступний та надійний ресурс — сонячне світло.
SWIFT використовуватиме безпаливну систему пропулсії, відому як сонячний парус, щоб досягти своєї орбіти. Сонячний парус — це дуже тонка відображаюча поверхня — подібна до дуже тонкого дзеркала — яка має площу приблизно одну третину футбольного поля. Він збалансовує силу світлових частинок, що приходять з Сонця, які його відpushують, з гравітацією Сонця, що його притягує.
Як яхта використовує підйом, згенерований вітром, що тече по кривим вітрилам, щоб пересуватися по воді, так сонячний парус використовує імпульс фотонів сонячного світла, яке відбивається від його великого, блискучого вітрила, щоб просунути космічний апарат у космос. Як яхта, так і сонячний парус використовують передачу енергії із навколишнього середовища для руху без використання традиційних палив.
Сонячний парус може дозволити SWIFT увійти в нестабільну під-L1 орбіту без ризику вичерпання пального.
NASA успішно запустила свій перший сонячний парус у 2010 році. Ця демонстрація у космосі, яка називалася NanoSail-D2, мала вітрило площею 107 квадратних футів (10 м²) і перебувала на низькій земній орбіті. Того ж року Японське космічне агентство запустило більшу місію сонячного вітрила, IKAROS, яка розгорнула вітрило площею 2,110 квадратних футів (196 м²) у сонячному вітрі та успішно оберталася навколо Венери.
Planetary Society та NASA продовжили справу, запустивши два вітрила на низькій земній орбіті: LightSail площею 344 квадратних фути (32 м²) та систему звичайного композитного сонячного вітрила площею 860 квадратних футів (80 м²).
Демонстраційна місія команди SWIFT, Solar Cruiser, буде обладнана набагато більшим вітрилом — понад 17 793 квадратних футів (1 653 м²) та планується до запуску не раніше 2029 року. Минулого року ми успішно розгорнули один квадрант вітрила на Землі.
Щоб доставити його в космос, команда ретельно складе та щільно помістить вітрило всередині невеликого контейнера. Найбільшим викликом буде розгортання вітрила після виходу в космос та використання його для керування супутником по орбітальному шляху.
У разі успішності, Solar Cruiser відкриє шлях для констеляції чотирьох супутників SWIFT. Констеляція включатиме один супутник з вітровою пропулсією, який буде розміщено на орбіті за межами L1, та три менших супутники з хімічною пропулсією на орбіті у точці Лагранжа L1.
Супутники будуть безстроково знаходитися на та за межами L1, без перешкод збираючи дані в сонячному вітрі. Кожен з чотирьох супутників зможе спостерігати за сонячним вітром з різних місць, допомагаючи ученим точніше прогнозувати, як він може еволюціонувати перед досягненням Землі.
Оскільки сучасне життя дедалі більше залежить від космічної інфраструктури, подальші інвестиції у прогнозування космічної погоди можуть захистити як космічні, так і наземні технології.