Klucz do uporania się ze (skrajnymi) zdarzeniami związanymi z pogodą kosmiczną
Podatność satelitów na wpływ pogody kosmicznej w żadnym wypadku nie jest pieśnią przeszłości. Ostatnie poważne zdarzenie miało miejsce w 2003 r.: w dniach 29-31 października tzw. burza słoneczna Halloween zakłóciła pracę ponad 47 satelitów i doprowadziła do utraty japońskiego satelity wartego 640 mln USD, co wywołało poważne obawy władz rządowych, operatorów satelitów i innych interesariuszy takich jak firmy ubezpieczeniowe. Choć wydarzyło się to prawie 15 lat temu, niedawne przypadki takie jak awaria zegarów atomowych systemu nawigacyjnego Galileo czy utrata kazachskiego satelity pod koniec marca 2017 r. – które nadal są przedmiotem dochodzenia – również spowodowane mogły być promieniowaniem związanym z pogodą kosmiczną. – Pogoda kosmiczna może prowadzić do zakłóceń trwających tygodnie, a nawet miesiące, co może być bardzo kosztowne dla operatorów satelitów. W przypadku KazSat-2 wiemy, że do incydentu doszło w wyniku wzmożenia pasów promieniowania. A to tylko ostatni przykład. Po tych wszystkich latach i dzięki zebranemu doświadczeniu nadal dochodzi do uszkodzeń satelitów, które z dużym prawdopodobieństwem powodowane są przez zdarzenia związane z pogodą kosmiczną – mówi prof. Richard Horne, lider ds. naukowych w organizacji British Antarctic Survey oraz koordynator projektu SPACESTORM (Modelling space weather events and mitigating their effects on satellites). Projekt SPACESTORM powstał, ponieważ zaobserwowano, że istnieje możliwość udoskonalenia istniejących modeli przewidywania pogody kosmicznej, że nie wiemy dostatecznie dużo na temat wpływu pogody kosmicznej na niską i średnią orbitę okołoziemską oraz że interesariusze powinny być w stanie podejmować bardziej świadome decyzje w sprawie projektowania satelitów. I wreszcie konsorcjum chciało odpowiedzieć na pytanie, którego większość stron zainteresowanych nie ośmieli się zadać: ile satelitów utracono by w razie skrajnego zdarzenia związanego z pogodą kosmiczną? Aby odpowiedzieć na to pytanie, prof. Horne wraz ze swoim zespołem postanowili częściowo skupić swą uwagę na systemie Galileo. – Informacje na temat projektów satelitów Galileo oraz ich ochrony przed promieniowaniem utrzymywane są w dużej tajemnicy, podobnie jak w przypadku większości komercyjnych statków kosmicznych. Dlatego też bardzo trudno jest dokonać ich oceny – wyjaśnia prof. Horne. – W związku z tym postanowiliśmy dowiedzieć się, jakie warunki panują na średniej orbicie okołoziemskiej, w obrębie której poruszają się satelity Galileo. Obliczyliśmy widmo elektronowe w najgorszym z możliwych scenariuszy i sprawdziliśmy, ile osłon należy zastosować, aby chronić statek. Podobne obliczenia przeprowadzono dla orbity geostacjonarnej. W tym celu wykorzystano statystyczną analizę dostępnych danych oraz model fizyczny stworzony w ramach projektu. – To niezwykłe, że dwie tak różniące się od siebie metody pozwoliły uzyskać bardzo podobne wyniki. Dzięki temu jesteśmy pewni naszego podejścia – mówi prof. Harne, dodając – Udało nam się ustalić wartości graniczne między 5 x 105 a 2 x 106 cm-2 s-1 sr-1. Odpowiada to wartości od 1 i 4 pA cm-2 — co wykracza o 10% poza zalecenia NASA. W oparciu o uzyskane wyniki zespół wykazał, że projektanci powinni podwoić osłony satelitów, aby mieć pewność, że przetrwają one skrajne zdarzenia związane z pogodą kosmiczną. – Decyzje w tej sprawie leżą oczywiście po stronie kadry zarządzającej – zauważa prof. Horne. – Ochrona satelitów jest możliwa, aczkolwiek wiąże się z ogromnymi kosztami wyniesienia statku na orbitę. Środowisko naukowe utrzymuje, że prawdopodobieństwo wystąpienia skrajnego zdarzenia wynosi 1 na 100 lub 150 lat. Pojawia się zatem pytanie, czy przedsiębiorstwa chcą przygotować się na takie ryzyko? Analiza przeszłości, przewidywanie przyszłości Kolejnym istotnym wynikiem projektu jest pogłębienie wiedzy na temat przeszłych, jak i przyszłych kosmicznych zdarzeń pogodowych. Zespół nawiązał bliską współpracę z przedsiębiorstwami, rządami i Europejską Agencją Kosmiczną, pragnąc zapewnić, że rozumieją zagrożenia i są w stanie podjąć świadome decyzje co do najlepszego sposobu działania. Aby umożliwić podjęcie takich decyzji, naukowcy opracowali modele pasów promieniowania i odtworzyli ostatnie 30 lat promieniowania w całym zewnętrznym pasie, z uwzględnieniem niskiej i średniej orbity okołoziemskiej, dla których dotychczas dostępnych było bardzo mało danych. Odbyło się to przy znacznie większej precyzji niż kiedykolwiek wcześniej. – Przetestowaliśmy odtworzone przez nas środowisko, porównując je z danymi dla kilku okresów średniej orbity okołoziemskiej, np. z danymi satelity Giove, uzyskując wskaźnik Heidkego na poziomie 0,7. Wskaźnik ten służy do oceny trafności prognozy: wynik wynoszący „1” oznacza idealną prognozę, natomiast „0” złą. Uzyskana przez nas wartość jest całkiem niezła – zachwyca się prof. Horne. Firmy ubezpieczeniowe okazują już zainteresowanie tymi modelami. Chcą zbadać, jakie promieniowanie występowało podczas kosmicznych wydarzeń pogodowych z przeszłości. Ukoronowaniem wysiłków naukowców było stworzenie strony internetowej pozwalającej przewidzieć z trzygodzinnym wyprzedzeniem zmiany w pasie promieniowania. Strona internetowa – w połączeniu z przewidywaniami co do wpływu na konstrukcje statków kosmicznych – prezentuje wskaźnik ryzyka dla czterech głównych zagrożeń dla satelitów związanych z pogodą kosmiczną. – Jeżeli na podstawie prognozy operatorzy wiedzą, że ich satelity będą narażone na wysokie ryzyko, być może będą mogli opóźnić manewry czy aktualizację oprogramowania, zaangażować dodatkowe osoby lub natychmiast zwiększyć zdolność przesyłową – mówi prof. Horne. Partnerzy projektu z francuskiej ośrodka ONERA poszli o krok dalej. Przeprowadzili oni nowe eksperymenty obejmujące główne materiały używane do budowy satelitów. Ich celem było ustalenie, czy aktualne laboratoryjne metody ekspozycji materiałów na intensywne promieniowanie przez krótki czas rzeczywiście odzwierciedla efekty długotrwałego – trwającego nawet 15 lat – narażenia na promieniowanie w przestrzeni kosmicznej. – Wkrótce oczywiste stało się, że bardzo duże znaczenie mają właściwości elektryczne – mówi prof. Horne. Napromieniowywanie niektórych materiałów, takich jak taśmy kaptonowe, prowadzi do zmiany ich przewodnictwa. Dlatego też laboratoryjne badania należy uzupełnić o kolejne eksperymenty z użyciem samego materiału. Jedna spółka handlowa korzysta już z wyników projektu, aby zdecydować, jaki typ satelity powinna zakupić. Prof. Horne uważa, że projekt doprowadzi ostateczne do stworzenia materiałów nowej generacji. Wraz ze wzrostem wykorzystania nowych technologii, takich jak pasywne źródła emisji czy napędy elektryczne, które zmieniają sposób ładowania satelitów i ich czas ekspozycji na promieniowanie, wyniki projektu SPACESTORM powinny okazać się przydatne w niedalekiej przyszłości. Choć projekt już się zakończył, kolejne prognozy będą dalej rozwijane w ramach nowego projektu finansowanego przez ESA. Zespół pracuje już nad ich usprawnieniem, by móc przewidywać pogodę kosmiczną z 24-godzinnym wyprzedzeniem.
Słowa kluczowe
SPACESTORM, GPS, Galileo, osłony, materiały, inżynieria, satelita, niska orbita okołoziemska, geostacjonarny, zdarzenia związane z pogodą kosmiczną, promieniowania, ESA, prognozowanie.
