Den nu nedlagda kinesiska rymdstationen Tiangong-1 är på väg att krascha in i jorden – och avslutar sin "atmosfäriska återinträdesfas". Även om experter har varit medvetna om att detta skulle hända i mer än ett år, det har varit stor osäkerhet kring den exakta tidpunkten. Eftersom stationens omloppshöjd har minskat, dock, denna osäkerhet har gradvis minskat och det är nu möjligt att fastställa att den kommer att vända sig inom några dagar.

Det mesta av den 8,5 ton tunga stationen kommer att brinna upp och sönderfalla när den passerar genom atmosfären, även om en del skräp kan träffa jorden. Och även om vi har förmågan att exakt styra en rymdfarkost som Rosetta – som kretsade några kilometer från kometen 67P samtidigt som den var 405 meter från jorden och färdades vid 55, 000 km i timmen – vi kan faktiskt inte förutsäga tid och plats för Tiangong-1:s potentiella påverkan på jorden, trots att det bara är 200 km över oss.

Men varför är det så svårt, och kommer vetenskapen en dag att hjälpa oss att nå sådana förutsägelser?

Newtons lagar säger att satelliter kretsar runt jorden i perfekt cirkulära eller elliptiska banor, upprepar sin väg om och om igen (förutsatt att gravitationen är den enda kraft som verkar på dem). Dock, detta är inte sant på låga höjder, säg under 1, 000 km, eftersom satelliten då rör sig genom jordens atmosfär. Detta orsakar "aerodynamiskt drag" (luftmotstånd) - en kraft som motsätter sig satellitens hastighet, som effektivt förvandlar omloppsbanan till en nedåtgående spiral mot jordens yta.

I teorin, vi kan beräkna draget perfekt för att förutsäga en satellits väg. Detta kan göras med hjälp av en ekvation som beror på satellitens hastighet ( v² ), atmosfärens densitet ( ρ ), en numerisk koefficient som beror på satellitens form och dess orientering med avseende på luftflödet ( C ), och objektets yta ( A ). För den som är intresserad, ekvationen är: D =½ × C × ρ × A × v² . Men du behöver inte förstå ekvationen för att förstå varför det är så svårt att beräkna luftmotstånd.

Rymdfarkostens hastighet är lätt att mäta ganska exakt med hjälp av observationer. Dock, de andra parametrarna är mycket osäkra-vilket gör det svårt att bestämma Tiangong-1:s väg. För fordon som bilar och flygplan, C kan uppskattas teoretiskt eller med beräkningsvätskedynamik och mätas experimentellt i en vindtunnel. Huvudproblemet här är att Tiangong-1:s form är komplex, och föremålet är okontrollerat och tumlar kaotiskt, resulterar i en ständigt föränderlig C .

Det andra okända är atmosfärens täthet, som minskar med höjden. Dock, särskilt på höga höjder, detta varierar på grund av ett antal oförutsägbara faktorer – den viktigaste är solaktiviteten.

Solens magnetiska aktivitet följer en 11-årig cykel, vilket resulterar i en periodisk ökning och minskning av mängden strålning och laddade partiklar som avges. Dessa interagerar med en del av jordens atmosfär som kallas jonosfären, ändra dess densitet. En bra indikator på solaktivitet är antalet observerade solfläckar. Men medan solcykeln kan övervakas, aktivitetsnivån förändras också oförutsägbart, vilket leder till oförutsägbara förändringar i atmosfärens densitet.

En annan viktig faktor är att satelliten kommer att sönderfalla och brinna under de sista faserna av återinträde, lägga till ytterligare osäkerhet till alla termer i dragformeln.

Detta förklarar varför det är nästan omöjligt att förutsäga en slagpunkt (eller region) längs satellitbanan. Som sagt, du kan få en grov uppfattning om området för trolig påverkan, baserat på lutningen av rymdfarkostens bana. Vi vet att Tiangong-1:s bana bara gör det möjligt för den att återinträda mellan breddgraderna -43 (nord) och +43 (söder) grader runt ekvatorn. Som du kan se på kartan ovan, detta leder till ett utökat band med trolig påverkan, främst söder om ekvatorn.

Tekniska förbättringar

För att förhindra ansamling av skräp i omloppsbana runt jorden, som kan utgöra ett hot mot rymdfarkoster och satelliter, det rekommenderas nu att satelliter i låg jordbana får befäl att åter komma in i jordens atmosfär inom 25 år efter uppdraget slutförts.

Det är därför av växande betydelse att kunna undvika hot mot befolkningen och föremål på jorden när dessa rymdfarkoster kraschar. Modeller och experimentella data för luftmotståndet förbättras kontinuerligt, men det är osannolikt att de någonsin kommer att nå den noggrannhet som krävs för att vi ska kunna förutsäga exakta slagpunkter.

Istället, framtida satelliter måste utformas med återinträde som en avgörande del av uppdraget. Aktivt och kontrollerat återinträde – t.ex. genom att använda dragsejl eller propeller - kan minska osäkerheter och säkerställa att satelliten brinner helt i atmosfären samtidigt som den följer en bana noggrant beräknad i förväg.

Satelliter bör också utformas och testas så att, under återinträde, de splittras på ett önskat sätt och orsakar inte ett hot mot jorden. Detta koncept, analogt med kontrollerade deformationer i bilar för att skydda passagerarna i en olycka, är känd som "design för död". Detta är inget som verkställs idag.

Säkerheten kan alltid förbättras. Men även om rymdfarkostens återinträde inte är kontrollerad eller förutsägbar, vi behöver inte oroa oss för att drabbas av det. Oddsen för att du ska drabbas är nära noll, medan chansen att det träffar någon överhuvudtaget är ungefär en av tre, 200.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.