Солнечная активность стала причиной незапланированного схода с орбиты спутников Starlink

Спутниковые мегасозвездия — группировки из сотен или тысяч небольших спутников, работающих в координации друг с другом на низкой околоземной орбите (НОО). Пионером в этой области стала компания SpaceX, принадлежащая миллиардеру Илону Маску. Именно SpaceX первой начала массово выводить аппараты на орбиту. 

С 2019 по 2025 год компания развернула более семи тысяч спутников в ходе проекта Starlink, а к 2030 году количество аппаратов планируется увеличить до 30 тысяч. 

Главная цель проекта — обеспечить доступ к высокоскоростному широкополосному спутниковому интернету, особенно в местах, где он недоступен или слишком дорогой. Но у технологии есть недостатки. Каждый спутник в среднем живет почти пять лет. Это обусловлено их расположением на НОО, где аппараты постепенно подвергаются воздействию атмосферного сопротивления, что приводит к снижению орбиты. По завершении срока службы спутник преднамеренно сводят с орбиты, чтобы избежать образования космического мусора, и направляют в атмосферу: там он сгорает.  

Однако авторы нового исследования, проведенного под руководством Денни Оливейра (Denny Oliveira) из Центра космических полетов имени Годдарда NASA, выяснили, что эти планы может нарушить Солнце. Ученые изучили, насколько сильно солнечная активность влияет на группировку Starlink. 

«Мы выяснили, что при высокой геомагнитной активности спутники Starlink повторно входят в атмосферу намного раньше, чем показывают расчеты. Во время солнечного максимума срок службы спутника может сократиться до 10 дней. Этот эффект стал заметен только сейчас из-за бума запусков аппаратов, особенно компанией SpaceX», — объяснил Оливейра.

Периодически ученые наблюдают изменения в солнечной активности, которые могут длиться на протяжении нескольких лет, либо нескольких десятков лет. Эту активность называют солнечной цикличностью. Лучше всего изучен солнечный цикл с длительностью почти 11 лет («цикл Швабе»). 

В этом цикле выделяют солнечный максимум — период, когда наблюдается наибольшее количество солнечных вспышек, пятен, корональных выбросов массы. Последние вызывают геомагнитные бури на Земле, которые нагревают верхние слои атмосферы. В результате она становится плотнее. Попадая в эту зону спутники начинают двигаться в плотном воздухе, в результате возникает трение: аппараты замедляются и быстрее сходят с орбиты. Пик солнечного максимума пришелся на 2024 год. 

Оливейра вместе с коллегами проанализировали данные по повторному входу в атмосферу спутников, в том числе их высоту и скорость, а после сопоставили с солнечной активностью. Они выяснили, что с 2020 по 2024 год в атмосферу повторно вошли 523 аппарата Starlink, где они скоро сгорят. 

Во время выхода спутника Sratlink из строя его оставляют на орбите, он постепенно тормозит в разреженном верхнем слое атмосферы, пока не войдет в нее сам — это занимает больше двух недель. В конце срока службы орбиту некоторых аппаратов инженеры снижают специально, чтобы те быстрее сгорели. 

Оливейра заметил: когда происходили особенно сильные геомагнитные бури и 37 спутников одновременно снижались, те, что летали ниже 300 километров, входили в атмосферу всего через пять дней вместо обычных пятнадцати. Ученые связали это с началом 25-го цикла солнечной активности, который оказался на 30 процентов сильнее предыдущего. 

В 1947 году ученые ввели новый индекс измерения солнечной активности — поток радиоизлучения 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. 

Согласно анализу Оливейры и его команды, в мае прошлого года спутники Starlink теряли до 95 километров высоты в день — в три раза быстрее, чем в спокойные периоды. Например, аппарат Starlink-2601 изменил высоту орбиты с 276 километров до 100 всего за 44 часа. Система SGP4, которую используют для прогнозирования орбит спутников и схода с нее, ошиблась на 10 суток.

Такие изменения в положении орбиты конкретного искусственного объекта создают риски для других аналогичных аппаратов. В том же мае 2024 года 10 тысяч спутников совершили экстренный маневр, чтобы избежать столкновения с «‎неконтролируемым аппаратом» — это была крупнейшая в истории спутниковая «‎миграция».

Кроме того, из-за сильной геомагнитной бури спутники могут не полностью сгорать в атмосфере. Чем медленнее происходит снижение  орбиты аппарата — тем дольше он находится в верхних слоях атмосферы, где трение «стирает» его, как наждачная бумага. За это время он успевает превратиться в «пепел». 

Но во время сильной геомагнитной бури атмосфера разогревается и расширяется так сильно, что спутники падают резко вниз — почти как камень, брошенный в воду. Из-за этого они слишком быстро пролетают верхние слои, где трение максимально. То есть не успевают разогреться до такой степени, чтобы полностью сгореть. 

Тогда крупные фрагменты аппарата, особенно из прочных материалов могут долететь до земли. Именно так произошло в августе 2024 года, когда на одной из ферм в Канаде нашли фрагмент спутника Starlink массой 2,5 килограмма. Это первый известный случай, когда часть спутника SpaceX достигла поверхности планеты.

Прогнозируется, что солнечный максимум 25-го солнечного цикла продлится до июля 2025 года, а к 2030-му году на орбите может оказаться более 100 тысяч спутников. Оливейру считает, что с увеличением количества аппаратов на орбите и ростом солнечной активности случаи незапланированного схода с орбиты могут происходит гораздо чаще, чуть ли не каждый день. 

Исследователи призывают инженеров пересмотреть подходы к проектированию аппаратов и систем прогнозирования. Ведь уже сейчас становится ясно, что космическая погода — фактор, который способен в одиночку уничтожить технологии стоимостью в миллиарды долларов. Игнорировать его, все равно что строить дом на берегу океана, не глядя на прогноз ураганов.

Выводы исследователей опубликованы на сайте электронного архива научных статей и их препринтов arXiv.org.