I problemi della spazzatura spaziale

Immagine di spazzatura spaziale

La spazzatura spaziale è una delle principali minacce ai sistemi satellitari orbitali, da cui dipendiamo per una moltitudine di servizi essenziali: dalla meteorologia al trasporto globale di merci e passeggeri.

Più di 700 000 oggetti detriti pericolosi sono in orbita attorno alla Terra e hanno il potenziale per danneggiare o distruggere satelliti operativi. Per molte missioni, il rischio di perdere una missione attraverso l'impatto dei detriti spaziali è considerato il terzo rischio più elevato, dopo i rischi di lancio e distribuzione.

Per evitare le conseguenze di detriti spaziali, bisogna sapere dove sono gli oggetti detriti, sviluppando tecnologie legate alla sorveglianza radar e telescopi. Nel programma spaziale Situational Awareness europeo, l'ESA sta progettando un sistema per monitorare gli operatori che avvisano sui detriti e scorie satellitari se si rende necessaria un'azione evasiva.

Monitoraggio detriti spaziali

Spazio di sorveglianza e di monitoraggio (SST) rileva e prevede il movimento dei detriti spaziali in orbita attorno alla Terra. I dati generati attraverso un sistema SST si utilizzano per proteggere attivamente l'infrastruttura spaziale, come i satelliti di osservazione della Terra o di sistemi di navigazione, dalla collisione con la sempre crescente nuvola di detriti spaziali artificiali.

Qualsiasi sistema SST può essere considerato - in modo molto semplificato -  è costituito da sensori,  telescopi o radar, che guardano il cielo e producono immagini degli oggetti in orbita terrestre che vedono. Queste immagini vengono poi trasformate in trame che descrivono il percorso o traiettoria di un particolare oggetto. La trama va esaminata per determinare se sta mostrando un nuovo oggetto, o uno già noto al sistema.

Se l'oggetto è quello che si è già visto, le osservazioni sono utilizzati solo per aggiornare . Se la trama rilevata mostra un nuovo oggetto, il resto della rete di sensori viene utilizzato per vedere questo nuovo arrivato e ottenere migliori dati della sua orbita. Viene poi aggiunto al catalogo insieme a tutti gli altri oggetti osservati. Il numero totale di oggetti può essere di molte migliaia di oggetti, e tutto  catalogato su base regolare e con estrema precisione. 

RUOLO	Rileva, catalogo e prevedere il movimento di oggetti in orbita intorno alla Terra
PRECURSORE avvia il servizio	2012
Centro di Coordinamento	CSST - Spazio alle prove di controllo e validazione Centre, ESAC, Spagna
SENSORI	§  Adesso: sistema radar europeo e sistemi ottici in grado di eseguire la scansione vicino alla Terra e orbite geostazionarie esistenti §  In futuro: radar dedicato di sorveglianza sostenuta da sensori ottici, il tutto coordinato con partner internazionali
+ Pronostico potenziali collisioni tra satelliti in orbita e detriti; Analisi  sul rientro; rilevare esplosioni in orbita; assistere le missioni al momento del lancio, la distribuzione e alla fine del ciclo di vita; ridurre i costi di accesso spazio +

SST Segmento

Il nucleo del segmento SST è il catalogo; contiene informazioni su tutto ciò che è stato rilevato in orbita. Per questo catalogo sono  necessari:

1.   Ricostruire le orbite degli oggetti dai dati che sono prodotte dai sensori (determinazione dell'orbita)

2.   Controllare per vedere se questo oggetto è già stato visto ed è già in catalogo (correlazione)

3.   Monitorare i dati nel catalogo in modo che i sensori possono essere capaci di aggiornare le informazioni quando è necessario

Un catalogo completo di tutti gli oggetti potenzialmente pericolosi che orbitano attorno alla Terra  una volta  creato, viene mantenuto in modo che questi dati possono essere utilizzati da una vasta gamma di clienti finali. L'uso principale sarà per la previsione e di allarme di collisioni tra satelliti operativi e altri satelliti o pezzi di spazzatura spaziale. Il sistema viene progettato per calcolare automaticamente le possibilità di collisione tra le migliaia di oggetti nel catalogo e mettere in guardia gli operatori satellitari dei rischi potenziali. Contiene informazioni che aiuteranno l'operatore satellitare a prendere la decisione migliore di come proteggere i satelliti, manovrando fuori strada, nel modo più efficace, con risparmio di carburante, salvaguardando il tempo operativo ed allungando la vita del satellite.

Osservazione dei rientri.

Detrito spaziale nel deserto

Un'altra applicazione per i gigabyte di dati nel catalogo è rilevare quando grossi pezzi di detriti spaziali rientrano nell'atmosfera. Se sono abbastanza grandi, potrebbero potenzialmente sopravvivere a colpire la superficie della Terra e rappresentare un rischio per le persone, l'industria e le infrastrutture nazionali. Con le giuste informazioni generate da un futuro sistema SST, possono essere avvisati i governi nazionali del potenziale rischio per prendere una risposta equilibrata a questa minaccia e garantire il livello di sicurezza richiesto.

Aumentare il supporto per CubeSats

Oltre a queste due importanti applicazioni, la rete catalogo e sensore all'interno del sistema SST può essere utilizzato per rilevare esplosioni di satelliti defunti o razzi che hanno problemi in orbita, consentendo rapide valutazioni della nuova situazione e aiutare operatori satellitari ad adottare misure di emergenza. I dati possono essere utilizzati anche per aiutare i piccoli satelliti, che non hanno una rete di monitoraggio dedicata, risolvere dove si trovano, favorendo così gli scienziati e ricercatori a gestire le missioni senza doversi procurare un costoso sistema aggiuntivo.

La  squadra SST

Squadra di sorveglianza  dello spazio e del suo monitoraggio dell'ESA si basa sul test e  la validazione. Il  Centro spaziale di sorveglianza (CSST)  si trova a ESAC, VILSPA dell'ESA, ed è supportato da una vasta rete di scienziati e ingegneri di tutta Europa.E' supportato da esperti all'interno dell'Agenzia, nonché dai contributi di centri europei esistenti di competenza.

I servizi precursori SST stanno approfittando delle numerose risorse che esistono in tutta l’Europa. Per l'acquisizione dei dati, i dati provenienti da sistemi radar e ottici avrà il compito di ottenere sia di routine e  ad hoc  osservazioni di entrambi siano essi  satelliti o detriti. Questi sensori sono forniti dalle agenzie spaziali nazionali, i ministeri della difesa europei, università ed enti privati.

La sorveglianza dello spazio è un problema globale e, il CSST lavora anche a stretto contatto con i partner internazionali. L'ESA con la disponibilità di canali internazionali - come ad esempio i dati forniti dalla US Air Force - aggiunge molto alle capacità del  CSST.

Lo  sviluppo del sistema SST

Dal 2009-12 ,  fase preparatoria del programma SSA dell'ESA, sono state prese misure importanti per costruire  una futura capacità europea. Tra queste, lo sviluppo di applicazioni precursori per servire come un banco di prova per le nuove tecniche e algoritmi necessari per il sistema SST che raccoglie e fornisce dati oggetto orbitali precisi ed economici. Parallelamenteè stato calcolato, il rendimento reale di un futuro sistema .

Nel corso della prima fase del programma, s’ impostarono le basi per futuri sviluppi incrementali . Attualmente, il quadro di riferimento per la catena di elaborazione dei dati, trasforma le osservazioni dei sensori in oggetti catalogati. Sono stati generati le prime applicazioni utente dell'ESA, che forniscono sia congiunzione previsione e avvisi di rientro alle parti interessate. I sistemi sono accessibili  http://sst.ssa.esa.int .

Il segmento SST 2013-16

Le attività del segmento SST per il secondo periodo (2013-16) del programma SSA sono  così suddivise :

1.   La valutazione dei miglioramenti necessari per migliorare i sistemi sviluppati nel fase preparatoria SSA

2.   Sviluppo di sistemi di SST

3.   Ricerca e sviluppo all'interno della zona di laser satellitare (SLR)

4.   Ricerca e sviluppo all'interno delle zone di sorveglianza ottica

5.   Ricerca e sviluppo per gli aspetti di sicurezza del sistema SST

6.   Valorizzazione e sfruttamento della infrastruttura IT distribuita

7.   Il supporto tecnico specifico per le attività SST

Tutte attività  che saranno svolte durante la fase successiva (biennio) del programma SSA  .

I sensori

I sensori utilizzati in SST possono essere suddivisi in due tipi principali: di sorveglianza e di monitoraggio.

sensori di sorveglianza

Un sensore di sorveglianza fornisce i dati sia per lo sviluppo iniziale del Catalogo (il cosiddetto 'avvio a freddo') e la sua manutenzione giorno per giorno.

La differenza principale tra il tracciamento e i sensori di sorveglianza  è che il sensore di sorveglianza vede una vasta area del cielo in una sola volta. Non è attivo alla ricerca di oggetti, ma piuttosto passivo  in attesa di detriti - eventuali detriti – . Una volta che rileva qualcosa , i dati relativi a questo passaggio vengono lavorati e passati al sistema di catalogo di manutenzione.

In questo modo, il sensore di sorveglianza crea un 'recinto' che viene attivato da qualsiasi oggetto che lo attraversa. Nessuna informazione preventiva è necessario al sensore per generare nuovi dati riguardanti qualsiasi oggetto-detriti specifico e il sistema. La recinzione può essere generata utilizzando un sensore attivo sulla scansione del cielo con una frequenza che garantisce che nulla sarà perso. E' il caso dei sistemi radar che scansionano rapidamente attraverso un percorso,non  in tutte le direzioni in ogni momento, ma è comunque una recinzione efficace.

Con l'uso di sensori di sorveglianza, può essere costruito un catalogo. La precisione di questo catalogo inizialmente, non sarà molto elevata  anche se la rete di sorveglianza deve essere tale che l'eventuale precisione, utilizzando solo le attività di sorveglianza sia sufficiente ad  inviare un segnale affidabile di potenziali collisioni con satelliti operativi. Se l'allarme viene attivato, arriva il turno dei sensori di monitoraggio a perfezionare l'orbita di questi detriti e fornire le informazioni precise che abbisognano agli operatori satellitari per pianificare le manovre.

sensori di monitoraggio

I sensori di monitoraggio di solito hanno un piccolo campo di vista; dato un rendimento rilevatore fisso, minore è il campo di vista,  possono essere conosciute le posizioni  più precise degli oggetti rilevati all'interno di questo campo .  Diventa utile quando si desidera aumentare la precisione di posizione di un oggetto, disponendo già di alcuni dati orbitali, come ad esempio quando un pezzo catalogato di detriti (la cui orbita è più o meno nota) può entrare in collisione con un veicolo spaziale operativo. È sufficiente prendere questa orbita ruvida e impostare il sensore di monitoraggio su questa orbita nella posizione che si pensa dove  dovrebbero essere i detriti. Rilevando i detriti, è possibile ottenere una più precisa correzione dell'orbita - dal momento che il rivelatore sta guardando una piccola regione di spazio e quindi ha una elevata precisione.

Dal momento che si vede solo una piccola area del cielo, se l'errore sull’ orbita di massima è troppo alto, si potrebbero non vedere tutti i detriti (che potrebbero scivolare al di fuori il campo visivo). Questi sensori sono molto inefficienti (quasi inutile) per l'accumulo di un catalogo di oggetti. Dal momento che la vista è piccola, è difficile intercettare nuovi oggetti, a meno di non essere molto fortunati. Allora, data la piccola vista , si ottiene solo una breve lettura, su come i detriti passano attraverso il sensore. Ciò si traduce in un'orbita a stima iniziale (determinazione orbitale) che può avere errori molto elevati. Per lo sviluppo e il mantenimento di un catalogo, un efficace sistema necessita di un sensore di sorveglianza.