Assessing Collision Probability in Low-Thrust Deorbit
यह शोध पत्र लो-थ्रस्ट उपग्रह डीऑर्बिट मिशनों से जुड़े टकराव के जोखिम का आकलन करता है और पुन: प्रवेश समय (re-entry time) तथा टकराव की संभावना के बीच संबंध का विश्लेषण करने के लिए पैरामीट्रिक अध्ययन करता है।
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पृथ्वी के आसपास का स्थान तेजी से भीड़भाड़ वाला होता जा रहा है। हमारे वैश्विक संचार और मौसम के पूर्वानुमान को शक्ति देने वाले परिचित उपग्रहों के अलावा, निष्क्रिय अंतरिक्ष यानों और पिछली टक्करों के मलबे की एक बढ़ती आबादी भी वहां मौजूद है, जो अत्यधिक गति से कक्षा में घूम रही है। यह मलबा सक्रिय उपग्रहों के लिए एक गंभीर खतरा पैदा करता है; एक एकल टक्कर एक अंतरिक्ष यान को हजारों नए टुकड़ों में तोड़ सकती है, जिससे एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया (चेन रिएक्शन) शुरू हो सकती है जो पूरे कक्षीय क्षेत्रों को अनुपयोगी बना सकती है। इसे रोकने के लिए, अंतरिक्ष एजेंसियां और संचालक एक नियम का पालन करते हैं जिसके तहत उपग्रहों को अपना काम पूरा करने के पच्चीस वर्षों के भीतर कक्षा से हटाना आवश्यक होता है। हालांकि, जैसे-जैसे कंपनियां आने वाले दशक में हजारों नए उपग्रह लॉन्च करने की योजना बना रही हैं, केवल प्राकृतिक बलों के माध्यम से उन्हें नीचे खींचने का इंतजार करना अब पर्याप्त नहीं हो सकता है। उन उपग्रहों के लिए जो खराब हो गए हैं या स्वयं आगे नहीं बढ़ सकते, हमें उन्हें सुरक्षित रूप से आकाश से नीचे धकेलने के नए तरीके चाहिए।
एक आशाजनक विधि में एक फंसे हुए उपग्रह को पृथ्वी की ओर धीरे से धकेलने के लिए लेजर का उपयोग करना शामिल है। वस्तु को भौतिक रूप से पकड़ने के बजाय, एक लेजर बीम उपग्रह की सतह से टकराती है, जिससे एक छोटे से बिंदु को तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि पदार्थ वाष्पित होकर भाप की तरह बाहर न निकल जाए। यह एक छोटा, निरंतर धक्का पैदा करता है जो धीरे-धीरे उपग्रह की कक्षा को नीचे लाता है। हालांकि यह सुनने में कुशल लगता है, लेकिन यह प्रक्रिया अविश्वसनीय रूप से धीमी है, जिसे पूरा होने में वर्षों लग जाते हैं। उपग्रह जितनी अधिक अवधि तक ऊपरी वायुमंडल में रहता है, उसके किसी अन्य वस्तु से टकराने की संभावना उतनी ही अधिक होती है। क्यूशू यूनिवर्सिटी और स्काई परफेक्ट जेएसएटी कॉर्पोरेशन के शोधकर्ता शुता फुकी और उनकी टीम ने इस नाजुक संतुलन को समझने के लिए प्रयास किया। वे जानना चाहते थे कि लेजर के इस धक्के की गति टक्कर के जोखिम को कैसे प्रभावित करती है और क्या कोई ऐसा "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) है जहाँ उपग्रह सुरक्षित रहने के लिए पर्याप्त तेजी से नीचे आ सके, लेकिन इतना भी तेज न हो कि लेजर का समय समाप्त हो जाए।
उत्तर खोजने के लिए, टीम ने एक 150 किलोग्राम के उपग्रह का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जो लगभग एक छोटी कार के आकार का है और एक उच्च कक्षा में तैर रहा है। उन्होंने एक सेवा उपग्रह की कल्पना की जो पास में मंडरा रहा है और लक्ष्य को धकेलने के लिए लेजर चला रहा है। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक कक्षा के दौरान लेजर कितनी देर तक चलाना चाहिए, इसके लिए चार अलग-अलग रणनीतियों का परीक्षण किया। एक चरम मामले में, लेजर लगातार चलता रहा, जिसने पूरे समय उपग्रह को धक्का दिया। दूसरे मामले में, इसने कक्षा के केवल एक चौथाई हिस्से के लिए, विशेष रूप से तब फायर किया जब उपग्रह अपने उच्चतम बिंदु पर था। लक्ष्य यह देखना था कि इन विभिन्न फायरिंग पैटर्न ने उपग्रह के वापस पृथ्वी पर गिरने के समय और उस खतरनाक, मलबे से भरे क्षेत्र में बिताए गए वर्षों को कैसे बदला।
सिमुलेशन ने एक आश्चर्यजनक समझौता (ट्रेड-ऑफ) प्रकट किया। जब लेजर लगातार चलता रहा, तो इसने अपनी उपलब्ध ऊर्जा बहुत जल्दी खर्च कर दी, जिससे उपग्रह को कई वर्षों तक अपने आप नीचे गिरने के लिए छोड़ दिया गया। ऊपरी वायुमंडल में यह लंबी, धीमी गिरावट वास्तव में दुर्घटना का कुल जोखिम बढ़ा देती है। इसके विपरीत, लेजर को बहुत कम समय के लिए चलाने का अर्थ था कि उपग्रह को नीचे उतरने में बहुत लंबा समय लगेगा, जिससे जोखिम भी बढ़ गया। टीम ने पाया कि सबसे अच्छा दृष्टिकोण यह था कि उच्चतम बिंदु के आसपास केंद्रित होकर, कक्षा के आधे समय के लिए लेजर चलाया जाए। यह रणनीति उपग्रह को लेजर की ऊर्जा बर्बाद किए बिना कुशलतापूर्वक उसका पथ नीचे लाने की अनुमति देती है। इस "पचास प्रतिशत" पद्धति का उपयोग करके, उपग्रह लगभग चार वर्षों में निचले वायुमंडल तक पहुँच सकता है, जबकि निरंतर फायरिंग पद्धति को उसी यात्रा को पूरा करने में लगभग नौ वर्ष लगे।
अध्ययन ने दुर्घटना के परिणामों पर भी गौर किया। भले ही कोई टक्कर हुई हो, शोधकर्ताओं ने गणना की कि एक विनाशकारी विस्फोट होने की कितनी संभावना है जो नए मलबे का एक विशाल बादल बना देगा। उनके परिणामों ने दिखाया कि ऐसी आपदा की संभावना अत्यंत कम थी, जो अंतरराष्ट्रीय सुरक्षा दिशानिर्देशों द्वारा निर्धारित सुरक्षा सीमाओं से काफी नीचे है। हालांकि, उन्होंने यह भी पाया कि मिशन जितना लंबा होगा, टक्कर होने पर उतने ही अधिक टुकड़े उत्पन्न होने की संभावना होगी। ऐसा इसलिए है क्योंकि उपग्रह अंतरिक्ष के कचरे के प्रवाह के संपर्क में अधिक समय बिताता है। शोधकर्ताओं ने उन कोणों की भी जांच की जिन पर उपग्रह टकरा सकता है, लेकिन पाया कि कक्षा के आकार ने आने वाले मलबे की दिशा को महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदला, जिसका अर्थ है कि विशिष्ट फायरिंग पैटर्न के बावजूद जोखिम का प्रोफाइल सुसंगत बना रहा।
अंततः, यह कार्य भविष्य के अंतरिक्ष सफाई मिशनों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। यह दिखाता है कि केवल पूरी ताकत से धकेलना सबसे प्रभावी तरीका नहीं है। इसके बजाय, एक नपा-तुला दृष्टिकोण जो लेजर के उपयोग और वायुमंडल के प्राकृतिक खिंचाव के बीच संतुलन बनाता है, सबसे सुरक्षित परिणाम देता है। सही फायरिंग शेड्यूल चुनकर, संचालक यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि एक फंसे हुए उपग्रह को कम से कम समय में आकाश से हटाया जाए, जिससे भीड़भाड़ वाले वातावरण में उसका जोखिम कम हो सके और सभी के लिए अंतरिक्ष उड़ान के भविष्य की रक्षा हो सके।
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