Новая лазерная технология ЕКА для предотвращения столкновений на орбите

На вершине горы Тейде на испанском острове Тенерифе развернута система из двух телескопов, которая с помощью мощного лазера отслеживает фрагменты космического мусора на орбите и предупреждает об их угрозе для спутников. В будущем эта же технология может быть использована для того, чтобы мягко отводить обломки от столкновения с космическими аппаратами.

Лазерные станции Izaña-1 и Izaña-2, принадлежащие Европейскому космическому агентству (ЕКА), были построены немецкой компанией DiGOS, специализирующейся на лазерной локации. Izaña-1 работает с 2021 года и уже применялась для лазерного сканирования спутников, однако теперь, после завершения строительства Izaña-2, обе обсерватории решают более амбициозную задачу в рамках программы ЕКА по космической безопасности.

Телескопы работают синхронно: Izaña-2 излучает лазерные импульсы в сторону фрагмента космического мусора, а Izaña-1 улавливает отраженный свет. Это позволяет системе с высокой точностью отслеживать траекторию движения объекта, определять параметры его орбиты и оценивать риск столкновения со спутниками.

Как пояснил инженер-оптик ЕКА Андреа Ди Мира, для работы с некооперативными целями, то есть объектами, не предназначенными для отслеживания, пришлось значительно увеличить мощность лазера на Izaña-2. Это необходимо для компенсации крайне малого количества фотонов, которые отражаются от такой цели и возвращаются к станции.

Проблема космического мусора крайне актуальна. Столкновение может не только вывести из строя дорогостоящий спутник, но и породить множество новых обломков, что, в худшем сценарии, способно запустить опасную каскадную реакцию — синдром Кесслера. В этом случае околоземное пространство может стать непригодным для использования из-за чрезмерно высокой плотности мусора. Поэтому критически важно заранее отслеживать опасные объекты, чтобы спутники могли своевременно уклониться от них.

В настоящее время система Izaña работает в полуавтоматическом режиме и может использоваться даже в дневное время. За процессом дистанционно наблюдает команда операторов, однако конечной целью является достижение полной автономности. Как отметил Ди Мира, полная автоматизация значительно повысит продуктивность сбора данных.

Но на этом амбиции разработчиков не заканчиваются. В настоящее время при угрозе столкновения манёвр уклонения приходится совершать самому спутнику, затрачивая драгоценное топливо. Технология «передачи лазерного импульса» предлагает альтернативное решение.

«Одна из возможностей — это передача лазерного импульса для того, чтобы мягко подтолкнуть космический мусор на его орбите немного в сторону, чтобы он не столкнулся с действующими спутниками», — пояснил управляющий директор DiGOS Андре Клот.

Лазер установки Izaña-2 сможет отклонять обломки, аналогично тому, как фотоны воздействуют на солнечный парус. Это позволит спутникам сохранять топливо и продлевать срок своей службы.

Таким образом, комбинация Izaña-1, отслеживающей мусор, и Izaña-2, отводящей его, представляет собой комплексную схему избежания космических столкновений. Эта работа интегрирована в другой проект ЕКА под названием OMLET (Orbital Maintenance via Laser momEntum Transfer), который должен предоставить операторам спутников систему для точного определения местоположения их аппаратов относительно мусора и возможности его удаления. По сути, OMLET может стать своего рода космическим регулировщиком движения.

Кроме того, лазер Izaña-2 потенциально может быть использован для испытаний лазерной связи, передавая данные на спутники для их дальнейшей ретрансляции. По сравнению с радиоволнами, оптические и инфракрасные лазеры имеют меньше помех и поддерживают квантовое шифрование (QKD), где ключ для шифрования данных кодируется в квантовом состоянии фотонов.

Мощность современных лазеров позволяет им работать даже в условиях облачной погоды. Спутники дистанционного зондирования Земли уже регулярно используют лидары для сканирования поверхности планеты сквозь облака и смог. Кроме того, китайские ученые недавно провели первый в мире успешный эксперимент по лазерной локации Луны в дневное время.

Спустя шестьдесят пять лет после своего изобретения лазеры продолжают освещать путь к более безопасному будущему в освоении космоса.