Quanto possono scendere i satelliti? Gli imprenditori VLEO intendono scoprirlo

VLEO consente una risoluzione più nitida e comunicazioni più veloci, ma la resistenza atmosferica rappresenta una sfida

SAN FRANCISCO — Ron Reedy, CEO di Skeyeon, sapeva che i satelliti volanti a bassa quota potevano ridurre drasticamente il costo di una costellazione. Non sapeva se c'erano degli ostacoli.

"Ho chiesto al team di dimostrare che non avrebbe funzionato, il che è un po' arretrato per un imprenditore", ha detto Reedy. "Dopo più di un anno, hanno detto: 'Non solo non possiamo dimostrare che non funzionerà, ma pensiamo di aver dimostrato che funzionerà'".

Era il 2017. Da allora, Skeyeon (pronunciato sky-on) con sede a San Diego ha sviluppato e testato componenti chiave per una costellazione di piccoli satelliti per fornire immagini giornaliere della Terra ad alta risoluzione da un'altitudine di circa 250 chilometri.

Seyeon non è il solo a identificare la promessa di orbite molto al di sotto dei tradizionali satelliti di imaging terrestre. Anche Earth Observant e Albedo di Austin, Texas, con sede a San Francisco, stanno raccogliendo fondi per inviare satelliti in un'orbita terrestre molto bassa (VLEO).

Nel frattempo, l'Unione Europea ha dedicato 5.7 milioni di euro (6.7 milioni di dollari) a Discoverer, un programma di ricerca di Horizon 2020 volto a una "riprogettazione radicale" dei satelliti di osservazione della Terra per operazioni a bassa quota.

Perché tutto l'interesse per VLEO? I costi dei satelliti spesso aumentano con la loro altitudine.

Avvicinarsi a un oggetto di interesse riduce il costo dell'ottica del telescopio. Viaggiare vicino alle stazioni di terra riduce la domanda di energia radio, tagliando i requisiti per i grandi pannelli solari. Per le missioni di comunicazione, orbite inferiori significano trasferimento di dati a latenza inferiore. Inoltre, VLEO espone i satelliti a meno radiazioni, aprendo la strada a più componenti per veicoli spaziali standard.

"Niente di tutto questo è facile, ma il rimborso è potenzialmente molto significativo se riesci a far funzionare queste idee", ha affermato Peter Roberts, coordinatore scientifico di Discoverer e responsabile del tema spaziale dell'Istituto di ricerca aerospaziale dell'Università di Manchester.

La riduzione dell'altitudine di un satellite da 650 chilometri a 160 chilometri porta "a una riduzione di 64 volte della potenza RF del radar, di 16 volte della potenza delle comunicazioni RF e di 4 volte il diametro dell'apertura ottica per ottenere le stesse prestazioni", ha spiegato Thales Alenia Space in un articolo del 2016 su Skimsats, i piccoli satelliti che l'azienda italo-francese ha progettato per VLEO.

"Per ottenere una risoluzione più alta e continuare a giocare in un mondo piccolo, la tua unica opzione è quella di abbassare", ha affermato Scott Herman, CEO di Cognitive Space ed ex chief technology officer di BlackSky.

HAI BISOGNO DI UNA SPINTA?

Naturalmente, ci sono sfide associate a VLEO. Al di sotto di un'altitudine di 450 chilometri, la resistenza atmosferica ridurrà la durata di vita di un satellite a meno che la propulsione a bordo o una forza esterna non lo aumentino. (I veicoli da carico e i propulsori di bordo aiutano la Stazione Spaziale Internazionale, che si trova a circa 400 chilometri, a mantenere la sua altitudine.)

I satelliti VLEO sono già stati utilizzati in precedenza. Il campo di gravità dell'Agenzia spaziale europea e il veicolo spaziale Ocean Circulation Explorer allo stato stazionario, chiamato GOCE, sono rimasti ad altitudini di 240-280 chilometri dal 2009 al 2013 con l'aiuto di propulsori elettrici alimentati allo xeno.

Lo xeno ha anche alimentato i propulsori elettrici che hanno mantenuto il Super Low Altitude Test Satellite (SLATS) della Japan Aerospace Exploration Agency a un'altitudine di circa 200 chilometri dal 2017 al 2019.

Fortunatamente per le piccole aziende focalizzate su VLEO, una varietà di nuovi propulsori elettrici leggeri si stanno dimostrando nei laboratori e in orbita. Inoltre, l'Istituto di sistemi spaziali dell'Università di Stoccarda in Germania ha ricevuto finanziamenti da Discoverer per testare tecnologie chiave per la propulsione elettrica ad aria compressa, un propulsore che trasforma le particelle atmosferiche in propellente per i satelliti VLEO.

E la resistenza atmosferica non è affatto male. Limita i detriti in VLEO e garantisce che i satelliti rientrino rapidamente nell'atmosfera terrestre quando non sono più utili.

NON IL SATELLITE DI TUO PADRE

A differenza dei satelliti squadrati popolari per orbite più alte, i satelliti VLEO possono essere cilindrici o appuntiti come una punta di freccia per ridurre la resistenza atmosferica.

L'Aerospace Corp. vede VLEO come un'applicazione promettente per DiskSat, un satellite a forma di piatto con propulsori a bordo per mantenerlo in posizione verticale. Come parte di una dimostrazione DiskSat, Aerospace prevede di eseguire operazioni sostenute ad altitudini fino a 250 chilometri, ha affermato Richard Welle, scienziato senior di Aerospace Corp. per Mission Systems Engineering.

Entra in gioco anche la scienza dei materiali.

I ricercatori dell'Università di Manchester stanno testando materiali per ridurre la resistenza al suolo nella loro struttura di ricerca sull'aerodinamica orbitale rarefatta e in orbita a bordo del Satellite for Orbital Aerodynamics Research (SOAR), un cubesat finanziato da Discoverer schierato dalla ISS a giugno. SOAR è dotato di uno spettrometro per misurare la densità e la composizione atmosferica e la velocità del vento. Il cubesat a tre unità ha anche alette che agiscono come superfici di controllo del volo di un aereo.

"Siamo interessati all'utilizzo delle superfici di controllo per eseguire alcune manovre di controllo aerodinamico", ha affermato Nicholas Crisp, collega Discoverer in aerodinamica orbitale e docente dell'Università di Manchester. "Potresti mettere diverse appendici sui satelliti per generare coppie aerodinamiche".

Qualunque materiale limiti la resistenza, deve anche dimostrarsi resistente agli alti livelli di ossigeno atomico in VLEO.

Uno strumento a bordo delle SLATS da 400 chilogrammi di JAXA ha misurato l'ossigeno atomico e ne ha monitorato l'effetto sui materiali campione. Ricerche simili continuano nei laboratori di tutto il mondo.

"A un certo punto, l'ossigeno atomico sembrava il problema killer", ha detto Reedy. Tuttavia, in seguito Skeyeon ha identificato materiali campione promettenti in una struttura dedicata ai test dell'ossigeno atomico, che l'azienda sta ora provando su una piattaforma esterna della ISS.

COSTI DI TAGLIO

Gli operatori di costellazioni satellitari sono ben consapevoli dei vantaggi di VLEO.

Planet ha abbassato l'altitudine di SkySat di osservazione della Terra da 500 chilometri a 450 chilometri nel 2019 per migliorare la risoluzione delle immagini SkySat.

SpaceX ha rivelato i piani per inviare circa 7,500 satelliti Starlink ad altitudini comprese tra 335 e 346 chilometri nell'ambito di un piano approvato nel 2018 dalla Federal Communications Commission.

Per le costellazioni future, VLEO promette risparmi sui costi.

"Si scopre che l'altitudine è un enorme fattore determinante per il costo", ha detto Reedy. "E il costo è il fattore determinante per il numero di satelliti che puoi installare".

A $ 200,000 a $ 300,000 per satellite, una costellazione di 100 satelliti per raccogliere immagini globali giornaliere con una risoluzione di un metro per pixel costerebbe da $ 20 a $ 30 milioni.

"È un costo incredibilmente basso, se questo ci consentisse di eseguire il re-imaging quotidiano a una risoluzione di un metro per tre anni", ha affermato Reedy.

Earth Observant sta sviluppando un satellite VLEO per l'imaging della Terra con un contratto di ricerca sull'innovazione per le piccole imprese dell'aeronautica americana del 2020. I fondi del contratto funzionano su un satellite in grado di raccogliere immagini con una risoluzione di 25 centimetri e trasferire dati "direttamente al combattente" in pochi minuti, secondo un abstract pubblicato sul sito Web SBIR.gov.

"VLEO può consentire l'osservazione della Terra a una frazione del costo", ha affermato Christopher Thein, co-fondatore e CEO di Earth Observant. "C'è un enorme potenziale perché le persone vogliono dati a risoluzione più elevata."

Il CEO di Albedo Topher Haddad non si è concentrato su VLEO fino a quando non ha iniziato a cercare un modo per ottenere immagini della Terra con una risoluzione di 10 centimetri per pixel. Il primo passo è stato capire "quanto in basso possiamo volare", ha detto Haddad.

Haddad non è pronto a condividere la risposta, ma la startup ha raccolto 10 milioni di dollari per una costellazione di satelliti delle dimensioni di un frigorifero per raccogliere immagini elettro-ottiche con una risoluzione di 10 centimetri e immagini termiche con una risoluzione di due metri.

MUOVERE LA MENTALITÀ

Aziende come Airbus Defence and Space, BlackSky, Capella Space, Iceye, Maxar Technologies, Planet e Satellogic raccolgono già ampie immagini della Terra con satelliti nelle tradizionali orbite basse e geostazionarie. Tuttavia, il mercato attuale non soddisfa tutti.

Un allevatore che ha contattato Skeyeon, ad esempio, non è stato in grado di trovare immagini a prezzi accessibili, a risoluzione giornaliera di un metro, che mostrassero il suo bestiame che si radunava in dozzine di pozze d'acqua.

Le nuove costellazioni VLEO possono riempire quel tipo di nuova nicchia se riescono a raccogliere fondi per nuove costellazioni e ad affrontare le varie sfide tecnologiche.

"Gran parte del problema con l'orbita terrestre molto bassa in genere sta spostando la mentalità delle persone che sono più convenzionali in termini di satelliti in orbita terrestre bassa e dimostrando che ci sono vantaggi definiti qui e che i problemi non sono insormontabili", ha detto Roberts.

Questo articolo appare nel numero di ottobre 2021 della rivista SpaceNews.

Fonte: https://spacenews.com/how-low-can-satellites-go-vleo-entrepreneurs-plan-to-find-out/