Sporing af affald i jordens kredsløb med centimeterpræcision ved hjælp af effektiv laserteknologi

Ukontrollerbare flyvende objekter i kredsløb er en massiv risiko for moderne rumrejser, og, på grund af vores afhængighed af satellitter i dag, det er også en risiko for den globale økonomi. Et forskerhold ved Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF i Jena, Tyskland, har nu specielt udviklet en fiberlaser, der pålideligt bestemmer positionen og retningen af ​​rumaffaldets bevægelse for at afbøde disse risici.

Rumaffald er et massivt problem i rumflyvninger i lav kredsløb om Jorden. nedlagte eller beskadigede satellitter, fragmenter af rumstationer og andre rester af rummissioner udgør en potentiel trussel om kollisioner med aktive satellitter og rumfartøjer hver dag. Ud over deres destruktive kraft, kollisioner skaber også yderligere risiko for at skabe tusindvis af nye stykker affald, som igen kan kollidere med andre objekter - en farlig sneboldeffekt.

I dag, den globale økonomi afhænger i væsentlig grad af satellitter og deres funktioner – disse applikationer er, for eksempel, bruges i telekommunikation, transmission af tv-signaler, navigation, vejrudsigt og klimaforskning. Beskadigelse eller ødelæggelse af sådanne satellitter gennem en kollision med satellitter i kredsløb eller rester af raketter kan forårsage enorm og varig skade. Derfor, det farlige rumaffald skal spores og registreres pålideligt, før nogen form for bjærgning eller andre modforanstaltninger kan overvejes. Eksperter fra Fraunhofer IOF i Jena har udviklet et lasersystem, der er perfekt egnet til denne opgave.

Pålidelig registrering af objekters position og bevægelse i jordens kredsløb

"Med vores robuste og effektive system kan vi pålideligt og præcist bestemme objekternes nøjagtige position og bevægelsesretning i kredsløb, " forklarer Dr. Thomas Schreiber fra fiberlasergruppen hos Fraunhofer IOF. "Lasersystemer som vores skal være usædvanligt kraftige for at kunne modstå de ekstreme forhold i rummet. I særdeleshed, den høje fysiske belastning af bæreraketten under opsendelsen, hvor teknologien udsættes for meget kraftige vibrationer. "I den lave jordbane, det høje niveau af eksponering for stråling, de ekstreme temperaturudsving og den lave energiforsyning er lige så store forhindringer at overvinde. Dette nødvendiggjorde den nye udvikling af Jena-forskerholdet, da almindelige laserteknologier ikke er i stand til at klare disse udfordringer.

I øvrigt, det er også nødvendigt at analysere rumaffald over forholdsvis lange afstande. Til dette formål, laserimpulsen forplanter sig gennem en glasfiberbaseret forstærker og sendes på sin kilometerlange rejse.

Målinger med ti tusinde laserimpulser i sekundet

"Meget korte laserimpulser, som kun varer et par milliardtedele af et sekund, bliver skudt på forskellige positioner i rummet for at bestemme hastigheden, bevægelsesretning og genstandenes rotationsbevægelse, " forklarer Dr. Dr. Oliver de Vries. "Med vores lasersystem er det muligt at skyde tusindvis af pulser op i sekundet. Hvis en genstand faktisk er på en af ​​de undersøgte positioner, en del af strålingen reflekteres tilbage til en speciel scanner, som er direkte integreret i systemet. Selvom laserstrålen er meget hurtig, det tager noget tid for det udsendte lys at komme til objektet og tilbage igen. Denne såkaldte 'time of flight' kan derefter konverteres til en afstand og en ægte 3-D-koordinat i overensstemmelse hermed." Systemets sofistikerede sensorer, som samler de reflekterede lysreflekser, kan registrere endda milliardtedele af det reflekterede lys.

Princippet – oprindeligt udviklet af de to forskere fra Fraunhofer IOF for Jena-Optronik og German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR) – er allerede blevet testet med succes under en rumtransportørs docking-manøvre på den internationale rumstation ISS. Tidligere, lasersystemet var blevet installeret i en sensor fra det Thüringer rumfartsfirma Jena-Optronik GmbH og blev lanceret i 2016 med den autonome forsyningstransportør ATV-5. Jena Optroniks system udmærker sig også i energieffektivitet:Fiberlaseren arbejder med en samlet effekt på mindre end 10 watt – det er væsentligt mindre end en kommerciel bærbar computer, for eksempel.