ในอดีต การออกแบบดาวเทียมที่โคจรเหนือชั้นบรรยากาศโลกมักไม่ให้ความสำคัญกับหลักอากาศพลศาสตร์ เพราะแรงต้านทานอากาศมีน้อยมากในวงโคจรสูง ทำให้ดาวเทียมส่วนใหญ่มีรูปทรงคล้ายตู้เย็นติดแผงโซลาร์เซลล์ อย่างไรก็ตาม การขาดแรงต้านนี้กลับสร้างปัญหาใหญ่คือดาวเทียมที่หมดอายุอาจโคจรอยู่ในอวกาศได้นานหลายสิบปีหรือแม้กระทั่งตลอดไป กลายเป็นขยะอวกาศที่แออัด โดยเฉพาะในวงโคจรต่ำของโลก (LEO) ที่มีดาวเทียมเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล
แนวคิดเรื่องวงโคจรต่ำมาก (Very Low Earth Orbit: VLEO) ซึ่งอยู่ห่างจากพื้นโลกประมาณ 150-250 กิโลเมตร จึงถูกนำเสนอเป็นทางออกสำคัญ ด้วยระดับความสูงนี้ ดาวเทียมจะเผชิญกับแรงต้านอากาศมากพอที่จะทำให้มันตกลงสู่ชั้นบรรยากาศและเผาไหม้ไปเองภายในไม่กี่เดือนหรือสัปดาห์ หากระบบขับเคลื่อนขัดข้อง กลายเป็นวงโคจรที่ ‘ทำความสะอาดตัวเอง’ ได้ นอกจากนี้ การโคจรที่ต่ำลงยังช่วยลดความหน่วงในการสื่อสารได้อีกด้วย
การปฏิบัติงานใน VLEO ไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากดาวเทียมต้องใช้ระบบขับเคลื่อนอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาระดับความเร็วและต่อสู้กับแรงต้านทานอากาศที่สูงขึ้น จึงต้องมีการออกแบบที่เน้นหลักอากาศพลศาสตร์ต่างจากดาวเทียมทั่วไป
องค์การอวกาศยุโรป (ESA) ได้บุกเบิกภารกิจ VLEO ด้วยดาวเทียม GOCE ที่ปล่อยขึ้นเมื่อปี 2009 เพื่อศึกษาแรงโน้มถ่วงของโลก ดาวเทียม GOCE มีรูปร่างคล้ายลูกดอก ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์แนบไปกับตัวยาน และใช้เครื่องยนต์ไอออนประสิทธิภาพสูงในการรักษาระดับการโคจรที่ต่ำเพียง 229 กิโลเมตรตลอด 4.5 ปีของภารกิจ ก่อนจะสิ้นสุดลงและตกลงสู่ชั้นบรรยากาศภายในเวลาไม่กี่สัปดาห์ตามที่คาดการณ์ไว้
ด้านองค์การสำรวจอวกาศญี่ปุ่น (JAXA) ก็ได้สร้างสถิติด้วยดาวเทียม SLATS ในปี 2017 ซึ่งลดระดับการโคจรลงไปได้ต่ำสุดถึง 167.4 กิโลเมตร SLATS ใช้เครื่องยนต์ไอออนในการรักษาระดับเช่นกัน และมีรูปทรงที่เพรียวบางกว่าดาวเทียมทั่วไป แม้จะมีขนาดเล็กกว่า GOCE แต่ก็ประสบความสำเร็จในการทดสอบการปฏิบัติงานใน VLEO ก่อนจะเผาไหม้ไปภายใน 24 ชั่วโมงหลังปิดระบบขับเคลื่อน
ขณะนี้มีการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีใหม่สำหรับ VLEO โดยเฉพาะระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าแบบหายใจอากาศ (Air-Breathing Electric Propulsion: ABEP) ที่สามารถนำอากาศรอบข้างมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งจะทำให้ดาวเทียมสามารถรักษาระดับการโคจรที่ต่ำถึง 90 กิโลเมตรได้แบบไม่จำกัดระยะเวลา ตราบใดที่มีพลังงานแสงอาทิตย์เพียงพอ เทคโนโลยีนี้กำลังได้รับการสนับสนุนจาก DARPA และ ESA ซึ่งอาจนำไปสู่ดาวเทียม VLEO เจเนอเรชันใหม่ ที่ช่วยบรรเทาปัญหาความแออัดของวงโคจรและขยายขีดความสามารถในการใช้งานอวกาศของเราในอนาคตอันใกล้
🏷️ หมวดหมู่: Featured, Original Art, Space, ESA, ion engine, JAXA, orbit, satellite
🔗 อ่านบทความฉบับเต็ม: hackaday
