En million biter romskrot: – Vet lite om en stor del av populasjonen

Vi må øke innsatsen for å hindre at romskrotpartikler, som det blir stadig flere av, kolliderer med satellitter. Sammenstøt med slike partikler er en fare for all menneskelig aktivitet i rommet, både bemannet og ubemannet. For eksempel kan samfunnsviktige funksjoner som navigasjon, værtjenester og banktjenester settes ut av spill. 

Det sier forsker og Tekna-medlem Tom Grydeland i forskningsinstituttet NORCE.

NORCE har tatt initiativ til å etablere en radar kalt NOSTRA (Nordic Space Tracking Radar)sammen med Sverige og Finland som kan overvåke hvordan opp til en million biter av romskrot beveger seg i høye rombaner.

– Ambisjonen er å kunne detektere fragmenter som har en centimeters diameter på 1000 kilometers avstand, forteller Grydeland. Ved god overvåking kan satellitter styres unna hvis skrotet ser ut til å få en bane som treffer dem.

Kan gjøre romfart umulig

SeniorforskerTom Grydeland ved NORCE

Ifølge Grydeland er det allerede registrert skader på satellitter som kan skyldes kollisjoner med romskrot.

– Det store skrekkscenariet er hvis hver kollisjon forårsaker kanskje tusen nye skrotpartikler som igjen kan kollidere og forårsake mer skade. En slik kjedereaksjon gjør at problemet raskt kan spinne ut av kontroll. Da kan en hel satellitt-populasjon i løpet av kort tid bli omdannet til skrot som vil gjøre all framtidig romfart umulig.

– Det er her snakk om baner i 700-1000 kilometers høyde. Der er det så liten luftmotstand og friksjon at ting blir der for evig tid. I baner under 500 kilometer vil ting «falle ned» og brenne opp i atmosfæren innen 25 år.

Få håndhever kjørereglene

I geostasjonære baner (dvs ca 36 000 km over ekvator) der de store kommunikasjonssatellittene går, følger satellittene jordas rotasjon. Det er tett trafikk, men de flyr i samme retning, med omtrent samme hastighet, og holder seg omtrent i ro i forhold til hverandre.

– I lavere høyder brukes flere baneplan. Disse må nødvendigvis krysse hverandre, og der de krysses kan kollisjoner skje, sier Grydeland.

Han forteller at det finnes systemer for innrapportering av hva som flyr rundt, og det finnes en del internasjonale avtaler for hva slags kjøreregler man skal følge for at ikke dette problemet skal bli mye verre enn det behøver å være. Men det er opp til hvert enkelt land hvordan de velger å håndheve reglene for sitt lands aktører.

At tre radarstasjoner sender radarsignaler gir sammen opptil hundre ganger mer effektiv posisjonsbestemmelse av objekter enn om bare en eller to gjør det. Illustrasjon: Robert Ricker/NORCE

Bør observeres en gang per dag

En amerikansk tjeneste kalt Space-Track holder øye med 40-50 000 objekter fra cirka 10 centimeters størrelse og oppover. I denne katalogen kan man finne navn og nummer på objekter, og den mest oppdaterte informasjon om bane slik at man kan gjøre prediksjoner over hvor objektene kommer til å befinne seg fremover i tid.

– Men ser vi på objekter som er fra en centimeter og oppover, så regner vi med at det er i hvert fall en million slike i bane rundt jorda i dag, og en veldig stor del av den populasjonen vet vi lite om. Når ting går i stykker og skaper skrotpartikler, følger fragmentene baner som kan regnes ut fra de opprinnelige banene. Men de endrer seg over tid. Selv en liten mutter kan gjøre stor skade hvis den treffer noe i 8 kilometer/sekundet.

Ifølge NORCE-forskeren begynner samlingen av skrotpartikler som en tett klynge. Etter en stund fordeler de seg utover, og så forsinkes de i forhold til jordas rotasjon. Det som begynner som en tett liten samling, har i løpet av noen måneder fordelt seg lange hele banen, og i løpet av et par år i alle baneplan.

– Veldig mange av disse er i en type bane som endrer seg såpass fort at hvis du skal holde rede på dem, så bør du se dem i hvert fall én gang per dag, for å gjenoppdage dem og oppdatere baneinformasjon. Med en million partikler og kun 86 400 sekunder i et døgn sier det seg selv at du ikke har tid nok til å observere alle disse partiklene sier Grydeland.

Utgangspunkt i forskningsradaren EISCAT

– Forbedring av dataene om partiklene er det beste tiltaket man kan iverksette for at vi unngår de kollisjonene som det er mulig å unngå, mener Grydeland. Han jobber nå for at Norge, Sverige og Finland skal samarbeide om deteksjon gjort fra radarstasjoner med samme system.

 Ved å samarbeide mener han de kan holde øye med mellom 50 og 100 ganger flere objekter enn om man bare bygger en radar. Det er dette NOSTRA-prosjektet med romtrafikkovervåkingssystemet dreier seg om.

Tom Grydeland har bakgrunn fra den internasjonale vitenskapelige organisasjonen EISCAT, som utforsker den polare øvre atmosfæren, for eksempel nordlys og romvær. Per i dag har de et anlegg på Ramfjordmoen utenfor Tromsø, med mottakere i Kiruna i Sverige og Sodankylä i Finland.

Disse skal legges ned, og nå bygges en ny generasjon avanserte romradaranlegg i Skibotn i Troms, Kaiseniemi i Sverige og Karesuvanto i Finland, kalt EISCAT 3D. I tillegg har EISCAT en radar utenfor Longyerbyen på Svalbard som skal drives videre.

Sender- og mottakersystemet som EISCAT bygger på Skibotn består av 10 000 antenner og ti 91-antenne støttebeinmottakere i umiddelbar nærhet.Kun Kaiseniemi og Karesuvantos mottaksoppstillinger består av omtrent 5000 antenner hver. I løpet av 2024 vil EISCAT 3D gradvis utvides til fullt tristatiske operasjoner. Foto: EISCAT, Harri Hellgren

«Sweet point»

– Veldig mange satellitter går i polare baner, og der ligger det også veldig mye romskrot. For å overvåke romskrot er det veldig fordelaktig med en posisjon som har geografisk riktig avstand til den geografiske polen, sier Grydeland som opplyser at ESA gjorde en simuleringsstudie for 10-15 år siden som pekte på et «sweet point» rundt 70 grader nordlig bredde.

NORCE-forskeren forklarer at for å karakterisere en satellittbane, trenger man å bestemme seks parametere. Én radarstasjon kan bare bestemme to parametere i en deteksjon. Ved at tre radarstasjoner ser på samme partikkel i samme tidsøyeblikk (såkalt tristatisk) kan seks parametere bestemmes på så kort tid som kanskje et tidel av et sekund.

– Å plassere en slik radar på tre stedene rundt 70 rader er derfor veldig gunstig geografisk for å kunne sende radarsignaler som kan karakterisere satellittbaner og bestemme nok parametere til å kunne følge objekter i lang nok tid, og kanskje flere ganger i løpet av en passering, sier han.

Les også Hvor går satellittene når de dør?

Må følge sikkerhetslovgivning

– EISCAT sine egne krav til transparens betyr at de legger stor vekt på å unngå bruk som potensielt kan rammes av sikkerhetslovgivning. Romskrotovervåkning er slik bruk, ettersom et instrument som kan se romskrot vil også kunne se (hemmelige) satellitter, sier Grydeland.

Derfor jobber NORCE med Grydeland og flere av hans tidligere svenske og finske EISCAT-kollegaer for å kunne bruke erfaringene fra utviklinga av det nye radaranlegget EISCAT 3D til å lage et helt nytt instrument.

– Mange ting i dette instrumentet vil minne om EISCAT 3D, men organisasjonen EISCAT vil ikke være en del av dette arbeidet, og skal ikke ha noe med dette prosjektet å gjøre, sier han.

Selv bitte små biter av romsøppel kan gjøre stor skade hvis de treffer satellitter i hastigheter på tusenvis av kilometer i timen. Infografikken fra ESA og UNOOSA fra 2020 viser omfanget av objekter og satellitter.

Vil være romnasjon

Så langt har NORCE laget en teknisk skisse for hvordan noe slikt kan gjøres, og har sagt noe om de tekniske mulighetene og utfordringene.

–  Vi ønsker å ta EISCAT-designet og se om vi kan modifisere det og bygge noe som har en bølgelengde som er tilpasset å gjøre romskrotobservasjoner av objekter fra så små som en centimeter i diameter og større. De radarene vi ønsker å bygge er fasestyrte med mellom 200 og 500 pulser i sekundet, og de kan peke fra en retning til en annen fra puls til puls. Vi ser for oss at det systemet vi utvikler vil gå langt utenpå noe annet som finnes i den sivile sfære for partikler av denne størrelse.

Grydeland forteller at det er god kontakt mellom fagmiljøene i de tre landene, og at de jobber med å få nasjonale myndigheter på banen.

–  Jeg vil si at hvis Norge, som det står i planene, tar mål av seg til å være en romnasjon, så er det å ha kontroll på observasjon av romskrot en integrert del av det.

ESA, NATO og EU

Ifølge Grydeland har ikke den europeiske romfartsorganisasjonen ESA egne systemer med nok kapasitet til å opprettholde sin egen katalog av romskrot, mens EU har enorme ambisjoner på området.

EU har en organisasjon kalt EU Space Surveillance and Tracking (EU-SST) som bare er åpen for medlemsland. Med Finland og Sverige som både er EU-medlemmer og nylig NATO-medlemmer håper Grydeland det kan gi Norge en annen tilknytning til EUSST enn bare å kunne kjøpe tjenester derfra. Han minner om at romovervåking ikke minst handler om sikkerhetspolitikk.

– Det ligger et spennende politisk bakteppe i all denne virksomheten, sier han.

Om NOSTRA-initiativet blir gjennomført tror Grydeland det kan ligge store muligheter for norsk kompetanseutvikling og industriprosjekter i det.  I tillegg til å utvikle teknologi og systemer, ser han for seg at bedrifter som KSAT kan levere en kommersiell kollisjonsvarslingstjeneste basert på dataene fra romtrafikkovervåkingssystemet.

Les også Rannveig håper hennes skjold vil blokkere romsøppel

Støttes av Space Norway

Torolv Bjørnsgaard i det statseide selskapet Space Norway (SPN) opplyser at de støtter NORCE i NOSTRA- initiativet og har bidratt i framleggingen av dette ovenfor Norsk Romsenter.

Torolv Bjørnsgaard, Program Manager MicroSAR, Space Norway AS

Space Norway forvalter og videreutvikler sikkerhetskritisk og kostnadseffektiv romrelatert infrastruktur som dekker viktige norske samfunnsbehov. Bjørnsgaard leder programmet de kjører med å bygge den første MicroSAR-satellitten.

– På mange måter er romskrotproblematikken lik klimautfordringene. Vi vet alle at vi bør gjøre noe med det, men hver for oss blir vi små. Uten at man på ett eller annet vis håndterer dette, så vil det i framtiden bli svært vanskelig å utnytte rommet slik vi ønsker, sier han.

Ifølge Bjørnsgaard er Space Norway er overbevist om at dersom et slik initiativ skal lykkes så må det, i hvert fall innledningsvis, ledes og drives fram av myndighetene. Her tror de at Norsk Romsenter vil være sentral. Å få til et tre-lands samarbeid uten at myndighetene er tungt inn ser han på som helt urealistisk.

Snart går toget

–  Det er også viktig å se NOSTRA i lys av at Norge ikke er med i EU. EU har ambisjoner på dette feltet. Norges beliggenhet sammen med Sverige og Finland, er svært gunstig, og det faktum at Sverige og Finland er EU-medlemmer gjør at vi får en «fot innafor». Det er viktig for norsk næringsliv som holder på med romrelaterte aktiviteter.

Hvor store investeringer det vil dreie seg om synes Bjørnsgaard det er vanskelig å svare på i og med at NOSTRA fortsatt er på et idéstadium.

– NORCE og Space Norway har foreslått for Norsk Romsenter å sette i gang et utredningsarbeid som kan gi et bedre grunnlag for hva dette eventuelt vil kunne koste. Om vi sammenligner en NOSTRA-installasjon med Kartverkets geodesistasjon i Ny-Ålesund, som i perioden 2014-18 kostet om lag 300 MNOK, så er vi kanskje ikke så langt unna, anslår Bjørnsgaard.

Han er imidlertid svært usikker på om myndighetene evner å ta inn over seg problemstillingen og at de ser potensialet i det som er foreslått fra NORCE.

– Det synes å være slik at Finland og Sverige har startet et arbeid med dette, og det er opplagt at dersom en fra norsk side ikke kommer på banen, så går toget, sier Torolv Bjørnsgaard.