Satelita dla każdego żołnierza. Nanotechnologia zmieni sposób prowadzenia działań wojskowych

Liczba nanosatelitów (satelitów, których rozmiary nie przekraczają kilkudziesięciu centymetrów i które ważą kilka kilogramów) zaczyna wzrastać w tempie geometrycznym, a ich ceny z roku na rok się obniżają. Dlatego trzeba zacząć pracować nad stworzeniem sposobów i zasad ich wykorzystania w Kosmosie. Problem jest w tym, że o ile w przestrzeni powietrznej panują ściśle określone zasady, o tyle w Kosmosie praktycznie każdy może prowadzić działania, których na ogół nie ograniczają ustalone reguły.

Jak na razie nie ma z tym jeszcze dużego problemu, ponieważ na ponad tysiąc pracujących satelitów umieszczonych na różnych orbitach, tylko około 100 zalicza się do klasy „nano”. Przypuszcza się jednak, że liczba tych ostatnich może się zwiększyć nawet o tysiąc w ciągu pięciu najbliższych lat i to z trzech powodów: coraz większego zapotrzebowania na nanosatelity, malejących kosztów ich projektowania i budowy oraz zmniejszających się kosztów wynoszenia niewielkich obiektów na orbitę okołoziemską.

Po co nanosatelity?

Nanosatelity to niewątpliwie przyszłość – w tym przede wszystkim dla wojska. Pomimo niewielkich rozmiarów i stosunkowo krótkiego czasu pracy mogą bowiem w danym momencie i w konkretnym rejonie szybko poprawić działanie systemów naziemnych, zwiększając np. możliwości systemu łączności lub pozwalając na prowadzenie obserwacji w taki sam sposób i z takim samym efektem, jaki kiedyś uzyskiwano wysyłając powietrzne systemy rozpoznawcze.

Specjaliści już przewidują, że w przyszłości będzie można wysyłać na orbitę potrzebne systemy na podobnych zasadach, jak dziś do działań wprowadza się bezzałogowe środki latające. Tym bardziej, że ładunki ważące pojedyncze kilogramy mogą być wynoszone nie tylko przez wielkie rakiety wystrzeliwane np. z kosmodromów, ale również za pomocą niewielkich pojazdów taktycznych, odpalanych nawet z wykorzystaniem samolotów.

Nanosatelity sygnalizują również ogromny przełom na rynku cywilnym. Komercyjne przedsiębiorstwa zaczynają mieć bowiem obecnie podobne możliwości, jakie wcześniej miały tylko instytucje wojskowe, oferując na rynku np. możliwość otrzymania bardzo wyspecjalizowanych informacji. Już mówi się o śledzeniu intensywności ruchu pojazdów na arteriach komunikacyjnych, liczeniu drzewostanu, a nawet prowadzeniu ochrony wybranego obiektu lub terytorium.

Tanie satelity dla każdego

Powodem zwiększania się liczby nanosatelitów będzie na pewno ich niska cena. Tylko dzięki niej będzie się opłacało tworzyć parasol satelitarny nad wskazanym obszarem przez krótki okres czasu i z założeniem, że później system zostanie zniszczony spalając się po wejściu w atmosferę.

By zmniejszyć cenę w pierwszej kolejności próbuje się wprowadzić pewne standardy co do rozmiarów. Przykładowo większość z 94 nanosatelitów wystrzelonych na przełomie 2013 i 2014 r. (trzy rakiety wyniosły wtedy kolejno: 29, 32 i 33 nanosatelity) było w rozmiarze określonym jako CubeSat. Składały się z jednego lub kilku sześcianów, z bokiem o długości 10 cm i ważących 1,3 kg.

Wymiar próbuje się zachować jako punkt odniesienia dla mniejszych i większych obiektów. Dlatego m.in. już skonstruowano zasobnik o rozmiarach CubeSat, który na orbicie rozpadnie się na osiem identycznych satelitów PocketQube. Każdy z nich ma mieć bok o długości 5 m.

Niską cenę próbuje się także osiągnąć zmniejszając koszt opracowania i budowy nanosatelitów. Przypuszcza się, że już niedługo ich cena osiągnie kilkadziesiąt tysięcy dolarów (wcześniej satelity kosztowały od dwustu milionów do miliarda dolarów). Ponadto poszczególni użytkownicy będą mogli projektować je z już gotowych modułów, korzystając ze standardowych ram i elementów. Planuje się doprowadzić do takiej samej sytuacji, jaką obecnie mamy przy projektowaniu komputerów osobistych i to dosłownie.

Sposobem na obniżenie cen ma być bowiem wykorzystanie w nanosatelitach rozwiązań z produkowanych seryjnie: laptopów, smartfonów i innych komercyjnych urządzeń elektronicznych (np. kamer). Urządzeniem sterującym systemów orbitalnych mogą być również same smartfony, z których najbardziej wyrafinowane mają już przecież GPS, prędkościomierz, magnetometr, różnego rodzaju odbiorniki radiowe, żyroskop, barometr, kamery telewizyjne oraz co najważniejsze – ogromną ilość stosunkowo prostych do utworzenia aplikacji.

Pierwszym satelitą kierowanym w ten sposób był STRaND-1, opracowany przez brytyjską spółkę Surrey Satellite Technology (należącą do koncernu Airbus). Miał on rozmiary trzech CobeSat, a jego jednostką sterującą był smartfon Google Nexus One. Oczywiście w przypadku STRaND-1 celem było przetestowanie samego smartfonu w warunkach kosmicznych, oraz niektórych przydatnych w nim aplikacji, ale w przyszłości będzie on już na pewno traktowany jako jeden ze stałych elementów sterowania aparatów kosmicznych. Bo tak będzie po prostu taniej.

KickSat – satelita dla pojedynczego żołnierza

Kolejnym krokiem naprzód w dążeniu do miniaturyzacji było wyniesienie w kwietniu 2014 r. na orbitę niewielkiego zasobnika, z którego miały się „wysypać” 104 tzw. „czipsatelity” (ChipSat) „Spirite”, o wielkości dużego znaczka pocztowego. Każdy z nich miał rozmiary 3,2 na 3,2 cm, ważył 5 g i zawierał wszystkie bazowe elementy, które mają ich większe odpowiedniki, a więc: radio, antenę, baterię słoneczną i jakiś czujnik pomiarowy.

Eksperyment KickSat prowadzony przez Cornell University z Ithaca w stanie Nowy York zakładał dodatkowo, że wszystkie użyte elementy na jednym ChipSacie mają kosztować w hurcie nie więcej niż 25 dolarów. Eksperyment się nie powiódł ze względu na problemy z zasobnikiem (ChipSat się nie oddzieliły i całość spłonęła w atmosferze), ale badania mają zostać powtórzone.

Sama idea jest całkowicie słuszna. Do współpracy z każdym „Spirite” wystarczał bowiem standardowy laptop i antena, a to przecież może być przenoszone przez pojedynczego żołnierza. W ten sposób każdy wojskowy może mieć własnego satelitę, przekazującego do niego informację, bez konieczności czekania na swój seans, i bez troski o koszty, zasięg i utajnianie. Indywidualny ChipSat może być również przydzielany statkom na morzu, które wykorzystują automatyczny układ identyfikacji AIS. Wadą tego systemu jest bowiem ograniczony do horyzontu radiowego zasięg, czemu może zaradzić konstelacja tanich pikosatelitów. W ten sposób będzie można bez przerwy śledzić wszystkie jednostki pływające, co znacząco zwiększy ich bezpieczeństwo.

Taką samą operację można również przeprowadzić w odniesieniu do statków powietrznych. Przykładowo ciągła kontrola pozycji mogłaby od razu wskazać miejsce, gdzie zaginął do dzisiaj nie odnaleziony samolot malezyjskich linii lotniczych.

Sam zasobnik w eksperymencie KickSat miał rozmiary trzech nanosatelitów CubSat przy czym jeden z nich spełniał funkcję systemu kontroli i zasilania, natomiast dwa pozostałe miały tylko zadania transportowe. Przypuszcza się, że w podobny sposób będą budowane inne konstrukcje tego typu. Trzeba tylko opracować międzynarodowy standard dotyczący modułu zasilania i przyłączeń, a wtedy projektowanie satelitów ograniczy się jedynie do części użytecznej – związanej z wykonywanym zadaniem.

Tani sposób dostawy na orbitę

Ostatnią barierą na drodze do „otworzenia” Kosmosu są koszty wyniesienia obiektów na orbitę. Jednak o ile do wystrzelenia w przestrzeń kosmiczną standardowych satelitów, które często mają wielkość i wagę samochodu, potrzeba dużych i drogich rakiet, o tyle w przypadku nanosatelitów potrzebne są nosiciele o wiele mniejsze. I takie rozwiązania zaczynają być proponowane – szczególnie w sektorze prywatnym. Sygnałem nadchodzących zmian w tej dziedzinie jest niewątpliwie inicjatywa miliardera Elona Muska, który zakładając spółkę SpaceX postawił sobie za cel stukrotne zmniejszenie kosztów lotu w Kosmos.

Obecne szacunki pozwalają zakładać, że cena wyniesienia jednego kilograma satelity na orbitę okołoziemską może spaść poniżej dwustu dolarów. W ten sposób Kosmos zacznie być osiągalny nawet przez niewielkie przedsiębiorstwa i wyższe uczelnie. W przypadku sił zbrojnych może to oznaczać możliwość planowania działań z wykorzystaniem dedykowanych systemów kosmicznych nawet na poziomie taktycznym.

Sygnałem zmian w tej dziedzinie może być start w marcu 2014 r. modułowej „nanorakiety” CPM TV (Common Propulsion Module Test Vehicle) serii Neptune zbudowanej przez amerykańskie przedsiębiorstwo Interorbital Systems. Niewielka rakieta ma być przystosowana do wyniesienia 145 kg ładunku użytecznego. Spółka informuje, że dzięki CPM będzie miała możliwość każdorazowo przetransportować kilkadziesiąt nanosatelitów w wymiarach CubeSat, po trzynaście – trzydzieści osiem tysięcy dolarów za sztukę. Inżynierowie Interorbital Systems chcą iść jeszcze dalej i proponują swoje własne „opakowanie” satelitów TubeSat – ustalając standard kształtu (cylinder), wielkości (10,2x9,91 cm) i wagi (0,75 kg). Ma to zmniejszyć koszty wyniesienia jednego takiego „pakunku” na orbitę do 8000 dolarów za sztukę.

Nad niewielkimi rakietami nośnymi pracuje również NASA badając m.in. możliwość odpalania ich ze statków powietrznych w locie. Amerykańska agencja kosmiczna współpracuje przy tym ze spółką Generation Orbit, która wykorzystując samolot Gulfstream G-IV chce wynosić na niskie orbity Ziemi rakiety z ładunkiem do 59 kg. Badania z NASA prowadzi również firma Virgin Galactic. W jej przypadku postawiono jeszcze ambitniejszy cel - zbudowanie odpalanej ze statku powietrznego rakiety LauncherOne, zdolnej do wyniesienia w Kosmos systemów ważących aż 225 kg.

W całym wyścigu pozostaje tylko jedno pytanie: czy uda się wprowadzić zasady wykorzystania przestrzeni kosmicznej tak restrykcyjne jak w przypadku przestrzeni powietrznej.