Nowe symulacje superkomputerowe pokazują, że utrzymanie stabilnych orbit satelitów między Ziemią a Księżycem jest znacznie trudniejsze, niż wcześniej sądzono. Z miliona symulowanych statków kosmicznych mniej niż 10% pozostawało sprawne przez okres sześciu lat, co uwydatnia istotne przeszkody w rozbudowie infrastruktury orbitalnej poza niską orbitę okołoziemską (LEO).
Wyzwanie związane z systemem satelitarnym Ziemia-Księżyc: Poza LEO
Powstanie megakonstelacji, takich jak Starlink SpaceX i Chiński Tysiąc Żagli, radykalnie zwiększyło liczbę satelitów w LEO. W miarę jak LEO zbliża się do nasycenia – szacuje się, że maksymalna pojemność satelitów wynosi około 100 000, zanim ryzyko kolizji wzrośnie – uwaga skupia się na przestrzeni międzyksiężycowej — regionie pomiędzy Ziemią a Księżycem — jako kolejnej granicy rozmieszczenia satelitów.
Jednak orbity Księżyca są z natury niestabilne. W przeciwieństwie do LEO, gdzie siły grawitacyjne są stosunkowo przewidywalne, statki kosmiczne w tym regionie podlegają grawitacji Ziemi, Księżyca i Słońca w złożonych interakcjach. Brak ekranowania magnetycznego Ziemi naraża również satelity na destabilizujące promieniowanie słoneczne.
Symulacja superkomputera: wyzwanie wymagające 1,6 miliona godzin pracy procesora
Aby sporządzić mapę stabilności orbit Księżyca, naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wykorzystali superkomputery Quartz i Ruby do symulacji trajektorii około miliona obiektów. Symulacje wymagające 1,6 miliona godzin procesora (co odpowiada 182 latom na jednym komputerze) ukończono w zaledwie trzy dni.
Wyniki są uderzające: około 54% symulowanych orbit pozostało stabilnych przez co najmniej rok, ale tylko 9,7% przetrwało pełny sześcioletni okres symulacji. To podkreśla, że długoterminowa stabilność w przestrzeni międzyksiężycowej jest znacznie niższa, niż wcześniej sądzono.
Niedoskonałości Ziemi: subtelny, ale niezwykle ważny czynnik
Jednym z nieoczekiwanych odkryć był wpływ nierównomiernego pola grawitacyjnego Ziemi. Symulacje wykazały, że rozkład masy Ziemi nie jest równomierny; grawitacja różni się nieznacznie ze względu na cechy geograficzne (np. mniejsza grawitacja nad Kanadą). Ta „chropowatość” subtelnie wpływa na trajektorie orbit, dodając kolejną warstwę złożoności.
Implikacje i przyszłe badania
Pomimo niskiego wskaźnika przeżywalności symulacje nadal identyfikują około 97 000 potencjalnie stabilnych orbit w przestrzeni cislunarnej. Co ważniejsze, zbiór danych dostarcza bezcennych informacji o tym, dlaczego niektóre orbity zawodzą, umożliwiając inżynierom udoskonalanie przyszłych projektów. Według głównego badacza Travisa Yeagera: „Zrozumienie, które orbity się nie sprawdziły, jest tak samo cenne, jak wiedza, które zadziałały”.
Przestrzeń okołoksiężycowa będzie regionem krytycznym dla przyszłej infrastruktury, w tym kolonii księżycowych i rozbudowanych sieci komunikacyjnych. Zrozumienie niestabilności orbity jest pierwszym krokiem do uświadomienia sobie tej ekspansji.
