Uzay çöpü: Megahertz lazerlerle başarılı mesafe ölçümü

Megahertz lazerle başarılı mesafe ölçümü

Avusturyalı bir ekip, megahertz lazer kullanarak uydulara ve uzay çöplerine olan mesafeyi belirlemeyi başardı. Yeni sistem, artan doğruluğun yanı sıra, ölçüm düzenini değiştirmeye gerek kalmadan son derece hassas uydu ve uzay çöpü ölçümleri arasında hızlı geçiş imkanı da sağlıyor.

Gece gözlem operasyonları sırasında Graz SLR istasyonu. [ Daha büyük resmi görüntüle ]

Son on yılda, aktif uyduların sayısı istikrarlı bir şekilde arttı. Şu anda gezegenimizin yörüngesinde yaklaşık 10.000 aktif uydu bulunmaktadır. Buna karşılık, on santimetreden büyük yaklaşık 40.000 uzay çöpü parçası ve bir santimetreden büyük bir milyondan fazla uzay çöpü parçası, aktif uydular için tehdit oluşturmaktadır. Avusturya Bilimler Akademisi Uzay Araştırmaları Enstitüsü'nün (ÖAW) harici bir kolu olan Lustbühel Gözlemevi'ndeki araştırmacılar, uydulara ve uzay çöplerine son derece hassas mesafe ölçümleri yapmak için şimdiye kadar farklı lazerler gerektiren iki benzer ölçüm düzeneği kullanmışlardır.

Lazer ışığını istasyona geri yönlendiren retroreflektörlere sahip uyduların ölçümleri için şu anda 0,8 watt'ta 10 pikosaniye ( ^10⁻¹² saniye) darbe süresine sahip bir lazer kullanılmaktadır. Bu, saniyede en fazla 2000 ayrı ölçümle yaklaşık üç milimetrelik tek atışlı bir ölçüm doğruluğu sağlar. Bu lazerin nispeten düşük gücü nedeniyle, uzay çöplerinin ölçümleri mümkün değildir. Doğal olarak retroreflektörlerden yoksun olan uzay çöplerinin mesafe ölçümleri için, şu anda nesneden gelen dağınık ışık yansımalarını tespit etmek için 16 watt'lık daha yüksek güce sahip bir lazer kullanılmaktadır. Saniyede 200'e kadar ayrı ölçümle 3 nanosaniye ( ^10⁻⁹ saniye) daha uzun darbe süresi, bir metrenin biraz altında bir ölçüm doğruluğu sağlar. Bu doğruluk, uzay çöpünün yörüngesini hesaplamak için bir temel olarak oldukça hassastır, ancak nesnenin alt yapılarının tanımlanmasını engeller. Ölçüm düzeneğinin hassasiyetinin düşük olması nedeniyle uyduların milimetre hassasiyetinde ölçülmesi mümkün değildir.

Yeni yayınlanan yöntem, her iki ölçüm tekniğinin güçlü yönlerini bir araya getirirken aynı zamanda doğruluğu da artırıyor. 1 megahertz'e (saniyede 1.000.000'e kadar tekil ölçüm) kadar tekrarlama hızlarında çalışan bir lazer kullanıldı. Bu lazerin yüksek gücü, uzay çöplerinin ölçülmesini mümkün kılıyor. 10 pikosaniyelik kısa darbe süresi sayesinde, aynı sistem uyduların son derece hassas ölçümlerini yapmak için de kullanılabilir. IWF grup lideri Michael Steindorfer, "IWF'deki hedeflerimizden biri, uzay çöpü ölçümünü diğer istasyonlar için daha erişilebilir hale getirecek çözümler bulmak," diye açıklıyor. Şu anda yaklaşık 40 lazer mesafe ölçüm istasyonu bulunuyor, ancak bunlardan yalnızca birkaçı uzay çöplerini ölçebiliyor. "MHz uyumlu bir sisteme yükseltilerek, bu istasyonlar düzenli gözlem operasyonları sırasında sistemi sürekli olarak uyarlamak zorunda kalmadan uzay çöplerini ölçebilir. Bu, istasyonların, örneğin araştırma uydularının düzenli gözlemlerini azaltmadan, belirli bölgelerdeki yüksek riskli nesnelerin yörünge doğruluğunu birlikte iyileştirmelerine olanak tanıyacaktır."

Lazerin yüksek tekrarlama oranı, ölçüm kurulumunun yanı sıra donanım ve yazılımda da çeşitli uyarlamalar yapılmasını gerektirir. Lazer ışığının atmosfere geri saçılması, dedektörü doyurur ve geçerli ölçümleri imkansız hale getirir. Karşı önlem olarak, lazer aralıklı olarak yayılır, sistem karışan atmosfer yansımalarının dağılmasını bekler ve ardından nesneden yansıyan ışığı algılar. Ancak, bu ölçüm ve iletim aşamasına bölünme, lazer gücünün yaklaşık yarıya inmesine neden olur.

Çalışmada sunulan bir diğer alternatif ise bistatik ölçümlerdir. Bu yöntemde, lazer istasyonu lazer ışığı yayar ve uzaysal olarak ayrılmış ikinci bir teleskop, uzay çöplerinden yansıyan lazer ışığını alır. Bu yöntemin en büyük avantajı, lazer ışığının atmosferik geri saçılımının, iki istasyon arasındaki belirli bir mesafenin ötesinde alıcı teleskopa ulaşamamasıdır. Steindorfer, "Lustbühel Gözlemevi'nin çatısında ikinci bir teleskop kullanarak, verici ve alıcı arasında yaklaşık on metrelik bir mesafenin atmosferik saçılımı önlemek için yeterli olduğunu gösterebildik. Bu, lazerin tüm gücünü kullanmamızı ve ilk kez uyduları ve uzay çöplerini 1 MHz'lik tekrarlama hızında ölçmemizi sağladı," diye açıklıyor. Bu ölçüm prensibi, Avrupa'daki mevcut astronomik teleskopların, lazer olmadan bile uzay çöplerine olan mesafeyi ölçmek için kullanılmasını mümkün kılıyor.

"Sistemimizle normal nokta doğruluğunu sadece birkaç mikrometreye düşürmeyi başardık," diyor Steindorfer. Uzay çöplerini ölçme yeteneğine ek olarak, MHz lazer kullanımı uydu ölçümlerinin doğruluğunu da artırıyor. Lazerin yüksek tekrarlama hızı sayesinde araştırmacılar, retroreflektör donanımlı eski araştırma uydusu Jason-2'ye 15 saniyelik bir aralıkta 2.000.000'e kadar başarılı mesafe ölçümü gerçekleştirebildiler. Yüksek tek atış doğruluğu, çok sayıda veri noktasıyla bir araya geldiğinde normal nokta doğruluğunda önemli bir düşüşe yol açıyor. Steindorfer, "Sistemimizle bu normal nokta doğruluğunu sadece birkaç mikrometreye düşürmeyi başardık," diyor.

Artan doğruluk, uzay çöpü ölçümlerinde daha önce gizli kalmış ayrıntıları da ortaya çıkarıyor. Ölçüm verileri artık bir nesnenin daha uzak ve daha yakın bileşenleri arasında ayrım yapabiliyor. Ayrıca, uzay çöpünün dönme davranışı, zaman içindeki mesafe değişimlerinden çıkarılabiliyor. Nesnenin dönüşünün hassas bir şekilde bilinmesi, diğer şeylerin yanı sıra, gelecekteki uzay çöpü temizleme görevlerini desteklemek için de hayati önem taşıyor.

Dünya yörüngesine uydu fırlatan çok sayıda ticari şirket sayesinde, aktif uydu sayısı son on yılda üç katına çıkarak yaklaşık 10.000'e ulaşmıştır. Geri yansıtıcılı uydulara yapılan mesafe ölçümleri, küresel karasal referans koordinat sisteminin, Dünya'nın kütle çekim alanının, Dünya'nın kütle merkezinin ve Dünya'nın yönelim parametrelerinin tanımlanmasına temel bir katkı sağlamaktadır. Uzay çöpleri doğal olarak geri yansıtıcılardan yoksundur; ancak yine de daha güçlü bir lazer kullanılarak mesafeleri ölçülebilir.

IWF Graz'daki SLR istasyonu, uzay çöplerinin incelenmesinde uluslararası bir lider konumuna ulaşmış olup, bir metre kadar küçük nesnelere olan mesafeyi yüksek hassasiyetle belirleyebilmektedir. Ayrıca, 36.000 km mesafedeki jeostasyoner yörüngeye kadar nesnelerden yansıyan güneş ışığını (ışık eğrileri) ölçmektedir. Aktif uydular ve uzay çöpleri yaklaştığında risk değerlendirmesi için doğru yörünge tespiti esastır. Yörünge tahmininin doğruluğu, kaçınma manevrasının gerekli olup olmadığını belirler. Nesnelerin parlaklığındaki değişiklikler, eksenleri ve dönüş periyotları hakkında sonuçlar çıkarılmasını sağlar. Bu parametrelerin zamansal değişimleri, uzay çöpleri ile Dünya atmosferi, manyetik alan veya güneş radyasyonu arasındaki etkileşimlerin incelenmesini sağlar. Yüksek hassasiyetli mesafe ölçümleri, ışık eğrisi ölçümleri ve bu teknolojilerin erişilebilirliği, uzay görevlerini sürdürülebilir ve güvenli kılmak için hayati önem taşımaktadır.

Ekip bulgularını Nature Communications dergisinde yayımlanan bilimsel bir makalede bildirdi.