على مدى عقود ، حاول العلماء معرفة الحد الأدنى لعدد الأقمار الصناعية التي ستكون قادرة على رؤية كل نقطة على الأرض. هذا السؤال مدفوع جزئيًا بالمشكلة المتزايدة للحطام الفضائي ، ولكن أيضًا لاعتبارات التكلفة والكفاءة. بحلول منتصف الثمانينيات ، اقترح الباحث جون إي دريم حلًا لهذه المشكلة في سلسلة من الدراسات ، مدعيا أن كوكبة من أربعة أقمار صناعية هي كل ما هو مطلوب.
لسوء الحظ ، لم يكن حله عمليًا في ذلك الوقت حيث ستحتاج كمية هائلة من الوقود إلى إبقاء الأقمار الصناعية في المدار. ولكن بفضل دراسة تعاونية حديثة ، وجد فريق من الباحثين المزيج الصحيح من العوامل لجعل كوكبة من أربعة أقمار صناعية ممكنة. يمكن أن تؤدي النتائج التي توصلوا إليها إلى دفع التقدم في الاتصالات والملاحة والاستشعار عن بعد مع تقليل التكاليف أيضًا.
وقد ظهرت الدراسة التي تصف نتائجهم مؤخرًا في المجلة اتصالات الطبيعة وكان بقيادة باتريك ريد ، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في جامعة كورنيل. وانضم إلى ريد مهندسون وعلماء من شركة الفضاء وجامعة كاليفورنيا في ديفيس ، بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية (NSF).
لمعالجة السؤال حول كيفية الحفاظ على كوكبة عاملة مع الحد الأدنى من الأقمار الصناعية الجارية ، نظر الفريق في جميع العوامل التي تتسبب في حدوث السواتل في مدار مع مرور الوقت. وتشمل هذه مجال جاذبية الأرض ، والسحب الجوي ، والتأثير الجاذبية للقمر والشمس ، والضغط من الإشعاع الشمسي. كما أوضح ريد:
"كان أحد الأسئلة المثيرة للاهتمام التي طرحناها ، هل يمكننا بالفعل تحويل تلك القوى؟ بدلاً من تحطيم النظام ، هل يمكننا فعلاً قلبه بحيث تقوم الكوكبة بتجميع الطاقة من تلك القوى واستخدامها للسيطرة بنشاط على نفسها؟ "
جمعت الدراسة التعاونية بين خبرة شركة Aerospace Corporation في أحدث الفيزياء الفلكية ، والخدمات اللوجستية التشغيلية ، والمحاكاة بخبرة Reed الخاصة في أدوات البحث عن الحوسبة القائمة على الذكاء الاصطناعي. اعتمد الفريق أيضًا على الكمبيوتر العملاق لشركة Blue Water في جامعة إلينوي لفحص مئات الآلاف من المدارات المحتملة ومجموعات الاضطرابات المحتملة.
كما أوضحت ليك أ. سينج ، مدير الأنظمة في قسم البنى المستقبلية لشركة الفضاء الجوي:
"لقد استفدنا من خبرة تصميم كوكبة الفضاء مع قيادة كورنيل في تحليلات البحث الذكية واكتشفنا بديلاً عمليًا لتصميم Draim كوكبة. قد توفر تصميمات الكوكبة هذه مزايا جوهرية لمخططي المهام فيما يتعلق بالمفاهيم في المدارات المستقرة بالنسبة إلى الأرض وما بعدها ".
بمرور الوقت ، تمكن الفريق من تضييق تصميمات الكوكبة إلى نموذجين. في أحدها ، يمكن أن تدور الأقمار الصناعية لمدة 24 ساعة وتحقق تغطية عالمية بنسبة 86٪. من ناحية أخرى ، ستدور الأقمار الصناعية لمدة 48 ساعة وتحقق تغطية بنسبة 95 ٪. في حين انخفض كلاهما بنسبة 100 ٪ ، وجد الفريق أن التضحية بهامش صغير من التغطية سيؤدي إلى مقايضة كبيرة.
وهذا يشمل القدرة على تسخير المزيد من الطاقة من نفس الإشعاع الثقالي والشمسي الذي يجعل من الصعب عادة التحكم في الأقمار الصناعية وتسبب في انحلال مداراتها. بالإضافة إلى ذلك ، سيتمكن مشغلو السواتل من التحكم في مكان حدوث الثغرات في التغطية وستستمر لمدة 80 دقيقة فقط على الأكثر. وكما قال ريد ، فإن هذه المقايضة تستحق العناء:
"هذه إحدى الأشياء التي يمكن فيها للسعي نحو الكمال أن يعيق الابتكار. وأنت لا تتخلى حقًا عن قدر كبير. قد تكون هناك مهام تحتاج فيها تمامًا إلى تغطية كل مكان على الأرض ، وفي هذه الحالات ، سيكون عليك فقط استخدام المزيد من الأقمار الصناعية أو أجهزة الاستشعار المتصلة بالشبكة أو المنصات المختلطة. "
تشمل المزايا الأخرى لهذا النوع من التحكم في القمر الصناعي السلبي الطريقة التي يمكن أن تمدد بها عمر كوكبة من 5 إلى 15 عامًا. كما أنها ستحتاج إلى وقود أقل وقادرة على الطفو عند ارتفاعات أعلى ، وبالتالي تقليل خطر الاصطدام بالمركبة الفضائية والأجسام المدارية الأخرى. لكن أكبر نقطة بيع هي مدى فعالية هذا الإعداد مقارنةً بمجموعات الأقمار الصناعية التقليدية.
وهذا يجعلها جذابة بشكل خاص للدول أو شركات الطيران التجارية التي لا تملك الموارد المالية اللازمة لنشر مجموعات كبيرة.
"حتى قمر صناعي واحد يمكن أن يكلف مئات الملايين أو مليارات الدولارات ، اعتمادًا على أجهزة الاستشعار الموجودة عليه والغرض منه. لذا فإن امتلاك منصة جديدة يمكنك استخدامها عبر المهام الحالية والناشئة يعد أمرًا رائعًا. هناك الكثير من الإمكانات للاستشعار عن بُعد والاتصالات والملاحة واستشعار النطاق الترددي المرتد والتعليقات حول الفضاء ، وهذا يتطور بسرعة كبيرة جدًا. هناك على الأرجح جميع أنواع التطبيقات التي قد تستفيد من كوكبة أقمار صناعية طويلة العمر وقابلة للتكيف الذاتي مع تغطية شبه عالمية. "
لا تحل هذه الدراسة فقط مسألة مستمرة حول تغطية الأقمار الصناعية وصيانة الأبراج. كما أنها تقف لدفع التقدم في الاتصالات والملاحة والاستشعار عن بعد. في المستقبل القريب ، سيتم إرسال عدد لا يحصى من الأقمار الصناعية إلى الفضاء لتوفير الإنترنت عبر الأقمار الصناعية (كوكبة Starlink's Spacelink) ، وإجراء التجارب العلمية ، ومراقبة الغلاف الجوي والسطح للأرض.
بين هذا والمخاوف ذات الصلة بشأن الحطام الفضائي ، فإن القدرة على القيام بالمزيد بأقل مبلغ (وقليل من المال) ستكون مفيدة للغاية!
