Okontrollerbara flygande föremål i omloppsbana är en enorm risk för moderna rymdresor, och, på grund av vårt beroende av satelliter idag, det är också en risk för den globala ekonomin. En forskargrupp vid Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF i Jena, Tyskland, har nu speciellt utvecklat en fiberlaser som på ett tillförlitligt sätt bestämmer position och riktning för rymdskräpets rörelse för att mildra dessa risker.

Rymdskräp är ett enormt problem i rymdflygningar i låg omloppsbana om jorden. Avvecklade eller skadade satelliter, fragment av rymdstationer och andra rester av rymduppdrag utgör ett potentiellt hot om kollisioner med aktiva satelliter och rymdfarkoster varje dag. Förutom deras destruktiva kraft, kollisioner skapar också ytterligare risker som skapar tusentals nya skräpbitar, som i sin tur kan kollidera med andra föremål – en farlig snöbollseffekt.

I dag, den globala ekonomin beror i stor utsträckning på satelliter och deras funktioner – dessa applikationer är, till exempel, används inom telekommunikation, överföring av TV-signaler, navigering, väderprognoser och klimatforskning. Skador eller förstörelse av sådana satelliter genom en kollision med satelliter i omloppsbana eller rester av raketer kan orsaka enorma och bestående skador. Därför, det farliga rymdskrotet måste spåras och registreras på ett tillförlitligt sätt innan någon bärgning eller andra motåtgärder kan övervägas. Experter från Fraunhofer IOF i Jena har utvecklat ett lasersystem som är perfekt lämpat för denna uppgift.

Tillförlitlig registrering av objekts position och rörelse i jordens omloppsbana

"Med vårt robusta och effektiva system kan vi på ett tillförlitligt och exakt sätt bestämma objektens exakta position och rörelseriktning i omloppsbana, " förklarar Dr. Thomas Schreiber från fiberlasergruppen vid Fraunhofer IOF. "Lasersystem som vårt måste vara exceptionellt kraftfulla för att klara de extrema förhållandena i rymden. Särskilt, den höga fysiska belastningen på bärraketen under uppskjutningen, där tekniken utsätts för mycket starka vibrationer. "I den låga jordens omloppsbana, den höga nivån av exponering för strålning, de extrema temperatursvängningarna och den låga energitillgången är lika stora hinder att övervinna. Detta krävde den nya utvecklingen av Jenas forskargrupp eftersom vanliga laserteknologier inte klarar av dessa utmaningar.

Dessutom, det är också nödvändigt att analysera rymdskräp över jämförelsevis långa avstånd. För det här syftet, laserpulsen fortplantar sig genom en glasfiberbaserad förstärkare och skickas på sin kilometerlånga resa.

Mätningar med tiotusentals laserpulser per sekund

"Mycket korta laserpulser, som bara varar några miljarddelar av en sekund, skjuts på olika positioner i rymden för att bestämma hastigheten, rörelseriktningen och föremålens rotationsrörelse, " förklarar Dr. Dr. Oliver de Vries. "Med vårt lasersystem är det möjligt att skjuta upp tusentals pulser per sekund. Om ett föremål faktiskt befinner sig på en av de undersökta positionerna, en del av strålningen reflekteras tillbaka till en speciell skanner, som är direkt integrerad i systemet. Även om laserstrålen är mycket snabb, det tar lite tid för det utsända ljuset att komma till föremålet och tillbaka igen. Denna så kallade 'time of flight' kan sedan omvandlas till ett avstånd och en riktig 3D-koordinat i enlighet därmed." Systemets sofistikerade sensorer, som samlar de reflekterade ljusreflexerna, kan upptäcka till och med miljarddelar av det reflekterade ljuset.

Principen – ursprungligen utvecklad av de två forskarna från Fraunhofer IOF för Jena-Optronik och German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR) – har redan testats framgångsrikt under en rymdtransportörs dockningsmanöver vid den internationella rymdstationen ISS. Tidigare, lasersystemet hade installerats i en sensor från det thüringerska flygföretaget Jena-Optronik GmbH och lanserades 2016 med den autonoma försörjningstransportören ATV-5. Jena Optroniks system utmärker sig också i energieffektivitet:fiberlasern arbetar med en total effekt på mindre än 10 watt – det är betydligt mindre än en kommersiell bärbar dator, till exempel.