Ученые из NASA, проанализировав большой объем данных, сообщили, что преждевременное схождение с орбиты некоторых аппаратов Starlink компании SpaceX вызвано не техническими неполадками, а повышенной солнечной активностью. По мнению специалистов, наша звезда оказывает негативное воздействие на спутниковую группировку и потенциально может привести к сбоям в космической связи.
Спутниковые мегасозвездия представляют собой скопления сотен или даже тысяч небольших спутников, которые работают согласованно на низкой околоземной орбите (НОО). Компания SpaceX, принадлежащая миллиардеру Илону Маску, стала первопроходцем в этой сфере. Именно SpaceX первой начала массовый вывод аппаратов на орбиту.
С 2019 по 2025 год компания развернула более семи тысяч спутников в ходе проекта Starlink, к 2030 году планируется, что общее количество аппаратов достигнет 30 тысяч.
Проект направлен на то, чтобы предоставить возможность пользоваться высокоскоростным широкополосным спутниковым интернетом, в особенности в регионах, где он отсутствует или стоит слишком дорого. Однако, данная технология имеет свои ограничения. Средний срок службы каждого спутника составляет около пяти лет. Это связано с их расположением на геостационарной орбите, где аппараты постепенно испытывают воздействие атмосферного сопротивления, что приводит к уменьшению высоты орбиты. После окончания срока эксплуатации спутник намеренно выводят с орбиты, чтобы предотвратить образование космического мусора, и приводят в атмосферу, где он сгорает.
Однако, согласно новому исследованию, руководителем которого выступил Денни Оливейра ( Denny Oliveira) по данным специалистов из Центра космических полетов имени Годдарда NASA, реализация этих планов может быть сорвана из-за солнечной активности. Исследователи оценили влияние солнечных вспышек на группировку Starlink.
«Наши исследования показали, что спутники Starlink испытывают более ранний возврат в атмосферу при высокой геомагнитной активности, чем это предусмотрено расчетами. В период солнечного максимума срок эксплуатации спутника может уменьшиться до 10 дней. Данное явление стало заметным лишь в связи с увеличением количества запусков, особенно компанией SpaceX», — объяснил Оливейра.
Ученые регулярно фиксируют изменения в солнечной активности, которые могут продолжаться годами или даже десятилетиями. Этот феномен известен как солнечная цикличность. Наиболее детально проанализирован 11-летний солнечный цикл, также известный как цикл Швабе»).
В рамках этого цикла выделяют солнечный максимум — время наибольшей активности Солнца, характеризующееся повышенным количеством солнечных вспышек, пятен и корональных выбросов массы. Эти выбросы вызывают геомагнитные бури на Земле, приводящие к нагреву верхних слоев атмосферы. Это, в свою очередь, увеличивает её плотность. Спутники, попадая в эту зону, начинают двигаться в более плотной среде, что вызывает трение, замедляет аппараты и ускоряет их выход из орбиты. Пик солнечного максимума был зафиксирован в 2024 году.
Оливейра и его коллеги провели анализ данных, касающихся повторного входа спутников в атмосферу, включая их высоту и скорость, и соотнесли эти данные с уровнем солнечной активности. В период с 2020 по 2024 год в атмосферу вернулось 523 аппарата Starlink, которые впоследствии будут уничтожены.
После отказа спутника Sratlink он остается на орбите и постепенно замедляется в верхних слоях атмосферы, пока не войдет в нее самостоятельно — этот процесс занимает более двух недель. Для ускорения сгорания некоторых аппаратов в конце срока службы инженеры намеренно снижают их орбиту.
По словам Оливейры, во время интенсивных геомагнитных бурь, когда одновременно снижалось 37 спутников, те, что находились на высоте ниже 300 километров, начинали входить в атмосферу всего за пять дней, а не за обычные пятнадцать. Это явление ученые объяснили началом 25-го цикла солнечной активности, интенсивность которого превышала предыдущий на 30 процентов.
В 1947 году исследователи предложили новый показатель для оценки солнечной активности — поток радиоволн, обозначаемый как F 10.7 c длиной волны 10.7 см (2800 МГц). Он измеряется в солнечных единицах потока. В спокойный период индекс держится в пределах 70—80 единиц, но во время геомагнитных бурь, как в мае 2024 года, он достиг 240 единиц.
Анализ, проведенный Оливейрой и его коллегами, показал, что в мае прошлого года спутники Starlink могли терять до 95 километров высоты в день – это в три раза превышает скорость их снижения в обычные периоды. Так, аппарат Starlink-2601 за 44 часа снизил высоту своей орбиты с 276 километров до 100. Программное обеспечение SGP4, используемое для прогнозирования орбит и выведения спутников из строя, допустило ошибку в 10 суток.
Изменение орбиты отдельного искусственного объекта может представлять опасность для других подобных устройств. В мае 2024 года 10 тысяч спутников провели экстренное маневрирование, чтобы избежать столкновения с «неконтролируемым аппаратом» – это была самая масштабная в истории «миграция» спутников».
Вследствие мощной геомагнитной бури спутники могут не полностью разрушаться в атмосфере. Скорость снижения орбиты аппарата определяет продолжительность его пребывания в верхних слоях атмосферы, где трение постепенно разрушает его. В результате этого процесса спутник превращается в «пепел».
Во время интенсивной геомагнитной бури атмосфера значительно нагревается и расширяется, что приводит к резкому снижению спутников – их падение напоминает падение камня, брошенного в воду. В результате они не успевают преодолеть верхние слои атмосферы, где трение наиболее выражено, и, следовательно, не достигают температуры, необходимой для полного сгорания.
В некоторых ситуациях крупные элементы аппаратуры, изготовленные из долговечных материалов, могут упасть на Землю. Ярким примером является случай августа 2024 года, когда на канадской ферме был обнаружен фрагмент спутника Starlink весом 2,5 килограмма. Это стало первым задокументированным случаем падения части спутника SpaceX на поверхность планеты.
Ожидается, что пик 25-го солнечного цикла затянется до июля 2025 года, а к 2030 году на околоземной орбите может функционировать свыше 100 тысяч спутников. По мнению Оливейру, увеличение числа аппаратов на орбите и усиление солнечной активности могут привести к более частому возникновению неконтролируемого схода с орбиты, возможно, ежедневно.
Ученые настоятельно рекомендуют инженерам изменить методы разработки оборудования и систем прогнозирования. Уже сейчас очевидно, что космическая погода представляет собой фактор, способный самостоятельно привести к гибели технологий, оцениваемых в миллиарды долларов. Пренебрегать этим – все равно что возводить здание на побережье, не учитывая прогноз ураганов.
Выводы исследователей опубликованы на сайте электронного архива научных статей и их препринтов arXiv.org.