Gelişen uzay endüstrisi ve Technologies Society giderek daha fazla – elektrik ızgaraları, havacılık ve telekomünikasyon – aynı tehdide karşı savunmasızdır: uzay havası.
Uzay havası, güneş ve toprak arasındaki uzay ortamındaki varyasyonları kapsar. Yaygın bir uzay hava durumu olayı türü, gezegenler arası koronal kütle ejeksiyonu denir.
Bu ejeksiyonlar, güneşten kaynaklanan manyetik alanların ve parçacıkların demetleridir. Saniyede 1.242 mil (saniyede 2.000 kilometre) hızlarda seyahat edebilirler ve jeomanyetik fırtınalara neden olabilir.
Bazen göklerde görebileceğiniz kuzey ışıkları gibi güzel Aurora ekranları yaratırlar, ancak uydu operasyonlarını bozabilir, elektrik şebekesini kapatabilir ve gelecekteki mürettebat görevlerini aya ve Mars’a ölümcül radyasyon dozlarına maruz bırakabilir.
Ben bir heliofizikçi ve uzay hava durumu uzmanıyım ve ekibim, potansiyel olarak tehlikeli uzay hava olaylarını önceden tahmin etmek için tasarlanmış Swift adlı yeni nesil bir uydu takımyıldızının geliştirilmesine öncülük ediyor. Amacımız aşırı uzay havasını daha doğru ve daha erken tahmin etmektir.
Uzay havasının tehlikeleri
Ticari ilgi alanları artık uzay keşfinin büyük bir bölümünü oluşturuyor, uzay turizmi üzerine odaklanıyor, uydu ağları inşa ediyor ve ay ve yakındaki asteroitlerden kaynakları çıkarmak için çalışıyor.
Uzay aynı zamanda askeri operasyonlar için kritik bir alandır. Uydular askeri iletişim, gözetim, navigasyon ve zeka için temel yetenekler sağlar.
ABD gibi ülkeler uzayda altyapıya bağlı olarak büyüdükçe, aşırı uzay hava olayları daha büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Bugün, uzay havası küresel olarak 2,7 trilyon dolarlık varlıkları tehdit ediyor.
Eylül 1859’da, Carrington etkinliği olarak bilinen en güçlü kaydedilen uzay hava durumu etkinliği, telgraf hatlarını süper şarj ederek Kuzey Amerika ve Avrupa’daki yangınlara neden oldu. Ağustos 1972’de, başka bir Carrington benzeri olay neredeyse ayın etrafında dönen astronotlara çarptı. Radyasyon dozu ölümcül olabilirdi. Daha yakın zamanlarda, Şubat 2022’de SpaceX, ılımlı bir uzay hava durumu olayı nedeniyle yeni piyasaya sürülen 49 Starlink uyduunun 39’unu kaybetti.
Bugünün Uzay Hava Monitörleri
Uzay hava durumu hizmetleri, manyetik alan çizgileri ve güneşten gelen parçacıklardan oluşan güneş rüzgarını izleyen ve gözlemlerini Dünya’ya ileten güneş rüzgarını izleyen uydulara büyük ölçüde güvenir. Bilim adamları daha sonra uzay havasını tahmin etmek için bu gözlemleri tarihsel kayıtlarla karşılaştırabilir ve Dünya’nın güneş rüzgarındaki gözlemlenen değişikliklere nasıl tepki verebileceğini keşfedebilirler.
Dünyanın manyetik alanı, canlıları ve yeryüzünü yörünge uydularını uzay havasının en olumsuz etkilerinden doğal olarak korur. Bununla birlikte, aşırı uzay hava olayları, Earth’un manyetik kalkanını sıkıştırabilir veya bazı durumlarda geri çekebilir.
Bu işlem, güneş rüzgar parçacıklarının korunan ortamımıza (manyetosfere) girmesini sağlar ve yerdeki uzay istasyonlarında uydular ve astronotları zorlu koşullara kadar sürdürür.
Gezegene nispeten yakın olan dünyaya bağlı uzay havası yörüngesinde sürekli olarak izleyen çoğu uydu. Bazı uydular, Dünya yüzeyinin yaklaşık 100 mil (yaklaşık 161 kilometre) üzerinde düşük toprak yörüngesinde yer alırken, diğerleri jeosenkron yörüngede, yaklaşık 25.000 mil (40.000 km) uzaklıktadır.
Bu mesafelerde, uydular Dünya’nın koruyucu manyetik kalkanında kalır ve gezegenin uzay hava koşullarına verdiği tepkiyi güvenilir bir şekilde ölçebilir. Bununla birlikte, gelen güneş rüzgarını daha doğrudan incelemek için araştırmacılar, yukarı akışta bulunan ek uydular kullanıyor – Dünya’dan yüz binlerce mil uzaklıkta.
ABD, Avrupa Uzay Ajansı ve Hindistan, güneşin ve toprak dengesinin yerçekimsel güçlerinin yeryüzünden – yaklaşık 1.450.000 km) L1 Lagrange noktasının etrafında konumlandırılmış uzay hava durumu izleme uydularını işletiyor. Bu bakış açısından, uzay hava durumu monitörleri gelen güneş olayları için 40 dakikaya kadar önceden uyarı sağlayabilir.
Uzay havası için önceden uyarı
Uyarı süresinin 40 dakikanın üzerinde arttırılması – mevcut uyarı süresi – uydu operatörlerinin, elektrik şebeke planlamacılarının, uçuş yöneticilerinin, astronotların ve uzay gücü memurlarının aşırı uzay hava olaylarına daha iyi hazırlanmasına yardımcı olacaktır.
Örneğin, jeomanyetik fırtınalar sırasında, atmosfer ısınır ve genişler, düşük toprak yörüngesindeki uydular üzerinde sürüklenir. Yeterli önceden uyarı ile operatörler, bu olaylar sırasında uyduların azaltılmasını ve yanmasını önlemek için sürükleme hesaplamalarını güncelleyebilir. Güncellenmiş sürükleme hesaplamalarıyla, uydu operatörleri, yörüngede daha yüksek bir şekilde manevra yapmak için uyduların itici sistemlerini kullanabilir.
Havayolları, jeomanyetik fırtınalar sırasında yolcuları ve personeli yüksek radyasyon dozlarına maruz bırakmamak için yollarını değiştirebilir. Ve bu parçacıklardan korunmayan ay veya Mars yolunda veya üzerinde çalışan gelecekteki astronotlar, örtülmesi için önceden uyarılabilir.
Aurora severler ayrıca en sevdikleri izleme destinasyonlarına ulaşmak için daha fazla zamana sahip olmayı takdir edeceklerdi.
Uzay Hava Durumu Araştırma Sınırı
Ekibim ve ben Space Weather Incorption Frontier adında yeni bir uzay hava durumu uydu takımyıldızı geliştiriyoruz. Swift, ilk kez, L1 noktasının ötesine, Dünya’dan 1,3 milyon mil (2.1 milyon kilometre) bir uzay hava durumu monitörü yerleştirecek. Bu mesafe, bilim adamlarının karar vericileri, varıştan yaklaşık 60 dakikaya kadar dünyaya bağlı uzay hava olaylarından haberdar etmelerini sağlayacaktır.
Geleneksel kimyasal ve elektrik tahrik sistemlerine sahip uydular, o yerde bir yörüngeyi (Dünya’dan ve güneşe daha yakın) sürdüremezler. Bunun nedeni, güneşin yerçekimi çekimine karşı koymak için sürekli yakıt yakmaları gerektiğidir.
Bu sorunu ele almak için ekibimiz onlarca yıl yeni bir tahrik sistemi tasarlamak ve geliştirmek için harcadı. Çözümümüz, güneşe geleneksel L1 noktasından daha yakın olan bir mesafeye ulaşmak ve bol ve güvenilir bir kaynak olan Sunlight’ı kullanarak on yıldan fazla bir süre için güvenilir bir şekilde çalışacak şekilde tasarlanmıştır.
Swift, yörüngesine ulaşmak için güneş yelkeni adı verilen bir fuelless tahrik sistemi kullanırdı. Bir güneş yelkeni, bir futbol sahasının yaklaşık üçte birini kapsayan çok ince bir aynayı simgeleyen saç ince yansıtıcı bir yüzeydir. Güneşten gelen ışık parçacıklarının kuvvetini, onu iten güneşin yerçekimi ile içe doğru çeker.
Bir yelkenli, su boyunca hareket etmek için kavisli yelkenlerinin üzerinden akan rüzgarın yarattığı asansörü kullanırken, bir güneş yelkeni güneş ışığından fotonların momentumunu kullanır, büyük, parlak yelkenini yansıtır, uzay aracını uzayda itmek için. Hem yelkenli hem de güneş yelkeni, geleneksel itici gazlara güvenmeden harekete geçmek için enerjinin kendi ortamlarından aktarılmasından yararlanır.
Bir güneş yelkeni, Swift’in yakıtı tükenme riski olmadan başka türlü dengesiz bir Sub-L1 yörüngesine girmesini sağlayabilir.
NASA, 2010 yılında ilk güneş yelkenini başarıyla başlattı. Nanosail-D2 adlı bu alan içi gösteri 107 metrekarelik bir (10 m.2 ) yelken ve alçak toprak yörüngesine yerleştirildi. Aynı yıl Japon Uzay Ajansı2 (196 m2 ) Güneş rüzgarında yelken açın ve Venüs’ü başarıyla yörüngede bırakın.
Gezegen Topluluğu ve NASA, Low Earth yörüngesinde iki yelken fırlatarak izledi: 344 ft’lik bir alanla Lightsail2 (32 m2 ) ve 860 ft alanlı gelişmiş kompozit güneş yelken sistemi2 (80 m2 ).
Swift ekibinin güneş yelken gösterisi misyonu Solar Cruiser, çok daha büyük bir yelkenle donatılacak – 17.793 ft alanına sahip olacak2 (1,653 m2 ) ve 2029 gibi erken bir tarihte lansman. Geçen yılın başlarında dünyadaki yelkenin bir kadranını başarıyla konuşlandırdık.
Onu uzaya taşımak için ekip, yelkeni küçük bir teneke kutunun içine titizlikle katlayacak ve sıkıca paketleyecektir. Üstesinden gelmek için en büyük zorluk, Sail’i bir kez uzaya dağıtmak ve uyduyu yörünge yolu boyunca yönlendirmek için kullanmak.
Başarılı olursa, güneş kruvazörü Swift’in dört uydu takımyıldızının yolunu açacak. Takımyıldız, L1’in ötesinde bir yörüngeye yerleştirilecek şekilde ayarlanmış yelken itişiyle donatılmış bir uydu ve L1 Lagrange noktasında yörüngede kimyasal tahrikli üç küçük uydu içerecektir.
Uydular süresiz olarak L1’e ve ötesine park edilecek ve güneş rüzgarında kesintisiz veri toplayacaklar. Dört uydunun her biri farklı yerlerden güneş rüzgarını gözlemleyebilir ve bilim adamlarının Dünya’ya ulaşmadan nasıl gelişebileceğini daha iyi tahmin etmesine yardımcı olabilir.
Modern yaşam daha çok uzay altyapısına bağlı olduğundan, uzay havasına yatırım yapmaya devam etmek hem uzay hem de yer tabanlı teknolojileri koruyabilir.
