Решение проблемы повышения яркости ночного неба при полной реализации проекта Илона Маска Starlink.
Илон Маск и его команда работает над проектом, в результате которого люди получат возможность пользоваться спутниковым интернетом. Однако проблема его реализации заключается в том, что, когда все спутники выйдет на орбиту, сильно повысится яркость ночного неба, и астрономам при наблюдении не будут видны некоторые объекты.
Этот проект актуален, так как спутники Илона Маска, которые уже находятся в космосе, мешают наблюдениям астрономов. Ярким примером является партия спутников связи Starlink, которую компания SpaceX вывела в космос в ноябре 2019 года, в течение 5 минут мешала работе телескопа DECam (Dark Energy Survey), который предназначен для поисков следов тёмной энергии. Возникла проблема в нахождении общего числа наблюдаемых объектов и изменения яркости ночного неба, чтобы определить места с максимальным световым загрязнением и установить корректировки, которые будут вносить аппараты в расчёты. Эту была решена в результате проделанной работы над проектом.
Целью проекта является создание упрощенной модели спутника, при которой будет уменьшено изменение яркости ночного неба. Для ее достижения был составлен ряд задач:
1.1) Предложить оптимальные характеристики спутника;
1.2) Внести соответствующие изменения в модель спутника Илона Маска с максимальным сохранением производительности.
Также был составлен план работы над проектом:
2.1) Узнать о спутниках проекта Starlink;
2.2) Подобрать оптимальный цвет спутника;
2.3) При возникновении проблем, внести изменения в конструкцию спутника.
Глобальная спутниковая система представляет из себя пояс, состоящий из аппаратов, имеющих высоту орбиты 550 км и наклонение 55 градусов. Они не являются геостационарными, но из-за своей многочисленности, спутники сменяют друг друга в течение некоторого промежутка времени. Это означает, что интернет-услуги оказываются бесперебойно. Аппараты имеют размеры: длина - 3,2 м, ширина - 1,6 м, высота - 0,2 м. Размеры солнечных батарей: 9.6 м на 3.2 м. Важную роль в наших подсчетах будет играть Альбедо, которое изменяется с затемнением цвета.
Самый оптимальный цвет спутника – черный. Он обладает самой маленькой отражающей способностью. Однако появляются некоторые трудности. Спутник поглощает большую часть тепловой энергии, которую он получает от Солнца, и перегревается. Поэтому понижается продолжительность его работоспособности.
С изменением цвета на более темный понижается его Альбедо. От него зависит и температура спутника. Рассчитаем ее по закону Стефана Больцмана:
LсолнцаSпогл(1 - A) / 4πa2= Sспs Teff4
Где s = 5. 67 * 10-8;
Таким образом, температура спутника принадлежит промежутку [247; 322] К при А из промежутка [0,14; 0,7].
Была внесена фреоновая система охлаждения в конструкцию спутника.
Основными комплектующими в этой системе являются компрессор (1), капиллярная трубка (2) и испаритель (3). В компрессоре повышается давление фреона, в капиллярной трубке содержимое, будучи газообразным, сжижается, в испарителе газ выбрасывает тепловую энергию, взятую из спутника, наружу. Тем самым, работая циклично, эта система помогает спутнику избавиться от поглощенной тепловой энергии. Понижается его температура и «внутренности» не перегреваются.
Чтобы система работала, важно, чтобы фреон переходил из газообразного состояния в жидкое и наоборот. В нашем случае нам подойдет изобутан (Фреон R-600a). Температура его кипения составляет -11,73 градусов по Цельсию.
Холодильный коэффициент данной системы будет равен ψ = 3,96;
Ориентировочная продолжительность работы спутника – 8 лет, значит, систему охлаждения не надо будет заменять.
Теперь найдем видимую звездную величину спутника:
m = mсолнца + 2,5* lg[(4πh^2)/AS]
Где mсолн – видимая звездная величина Солнца, h – расстояние до наблюдателя, А – альбедо, S – площадь спутника, поглощающая энергию.
Таким образом, получим примерно m = 5m.
Без системы охлаждения яркость спутника была бы mдо= 3.32m. То есть яркость одного спутника уменьшилась в 10-0.4*(3.32 - 5) = 4.7 раз.
Вывод:
В результате всей проделанной работы была получена конструкция спутника, которая позволяет сильно уменьшить яркость ночного неба. Аппарат стал в 4,7 раз тусклее. Этот результат был достигнут путем внесения фреоновой системы охлаждения в спутник. Ориентировочная продолжительность работы спутника – 8 лет. Поэтому этот вариант решения проблемы подходит.
Литература:
Мини-энциклопедия Starlink. Часть 2. Сеть Starlink (novosti-kosmonavtiki.ru) - Данные о спутниках Starlink.
https://sites.google.com/site/aukstumservisslv/alternativnye-smesevye-hladagenty/hladagent-r600a-izobutan- Данные о фреоне R600a.
