KUNSTMATIGE SATELLIETEN: WAAR ZIJN ZE VOOR, HOE WERKEN ZE, TYPEN, BELANGRIJK - ARTE - 2024

De satellieten zijn voertuigen of apparaten die speciaal zijn gebouwd om zonder bemanning in de ruimte te worden losgelaten om rond de aarde of een ander hemellichaam te cirkelen.

De eerste ideeën over het bouwen van kunstmatige satellieten kwamen van sciencefictionauteurs, bijvoorbeeld Jules Verne en Arthur C. Clark. De laatste was een radarofficier bij de Royal Air Force en kwam aan het einde van de Tweede Wereldoorlog op het idee om drie satellieten in een baan om de aarde te gebruiken om een ​​telecommunicatienetwerk te onderhouden.

Figuur 1. Kunstmatige satelliet in een baan om de aarde. Bron: Wikimedia Commons.

Op dat moment waren de middelen nog niet beschikbaar om een ​​satelliet in een baan om de aarde te brengen. Het duurde een paar jaar voordat het Amerikaanse leger begin jaren vijftig de eerste satellietcommunicatie produceerde.

De ruimtewedloop tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie heeft de kunstmatige satellietindustrie een boost gegeven. De eerste die met succes in een baan om de aarde werd gebracht, was de Sovjet Spoetnik-satelliet in 1957 en deze zond signalen uit in het bereik van 20-40 MHz.

Dit werd gevolgd door de lancering van de Echo I door de Verenigde Staten voor communicatiedoeleinden. Sindsdien werden talloze lanceringen in een baan om de aarde opgevolgd door beide mogendheden en vervolgens sloten veel landen zich aan bij de nieuwe technologie.

Waar zijn kunstmatige satellieten voor?

-In de telecommunicatie, voor de doorgifte van radio-, televisie- en gsm-berichten.

-In wetenschappelijk en meteorologisch onderzoek, inclusief cartografie en astronomische waarnemingen.

-Voor militaire inlichtingendoeleinden.

-Voor navigatie en locatiegebruik, zijnde het GPS (Global Positioning System) een van de bekendste.

-Om het landoppervlak te bewaken.

-In ruimtestations, ontworpen om het leven buiten de aarde te ervaren.

Hoe werken ze?

In zijn Principia stelde Isaac Newton (1643-1727) vast wat nodig was om een ​​satelliet in een baan om de aarde te brengen, hoewel hij in plaats van een satelliet als voorbeeld een kanonskogel gebruikte die vanaf de top van een heuvel werd afgevuurd.

Afgevuurd met een bepaalde horizontale snelheid, volgt de kogel het gebruikelijke parabolische traject. Door de snelheid te verhogen, wordt het horizontale bereik steeds groter, iets dat duidelijk was. Maar zal een bepaalde snelheid ervoor zorgen dat de kogel in een baan om de aarde gaat?

De aarde buigt vanaf een lijn die het oppervlak raakt met een snelheid van 4,9 m voor elke 8 km. Elk object dat uit rust komt, valt 4,9 m tijdens de eerste seconde. Daarom, wanneer de kogel horizontaal vanaf een piek wordt afgevuurd met een snelheid van 8 km / s, zal hij 4,9 m vallen tijdens de eerste seconde.

Maar de aarde zal in die tijd ook 4,9 m zijn afgedaald, terwijl ze onder de kanonskogel door buigt. Deze blijft horizontaal bewegen, de 8 km beslaat en zou gedurende die seconde op dezelfde hoogte ten opzichte van de aarde blijven.

Natuurlijk gebeurt hetzelfde na de volgende seconde en in alle opeenvolgende seconden, waarbij de kogel in een kunstmatige satelliet verandert, zonder enige extra voortstuwing, zolang er geen wrijving is.

Wrijving door luchtweerstand is echter onvermijdelijk, daarom is een booster-raket nodig.

De raket tilt de satelliet op tot grote hoogte, waar de dunnere atmosfeer minder weerstand biedt en hem de nodige horizontale snelheid geeft.

Deze snelheid moet hoger zijn dan 8 km / s en minder dan 11 km / s. Dit laatste is de ontsnappingssnelheid. Met deze snelheid geprojecteerd, zou de satelliet de zwaartekrachtsinvloed van de aarde verlaten en de ruimte in gaan.

Kunstmatige satellietstructuur

Kunstmatige satellieten bevatten verschillende complexe mechanismen om hun functies uit te voeren, waaronder het ontvangen, verwerken en verzenden van verschillende soorten signalen. Ze moeten ook licht zijn en autonoom kunnen werken.

De hoofdstructuren zijn gemeenschappelijk voor alle kunstmatige satellieten, die op hun beurt verschillende subsystemen hebben, afhankelijk van het doel. Ze zijn gemonteerd in een behuizing van metaal of andere lichtgewicht verbindingen, die als ondersteuning dient en een bus wordt genoemd.

Op de bus vind je:

- De centrale besturingsmodule, die de computer bevat waarmee de gegevens worden verwerkt.

- Ontvang- en zendantennes voor communicatie en gegevensoverdracht door middel van radiogolven, evenals telescopen, camera's en radars.

- Een systeem van zonnepanelen op de vleugels, om de nodige energie en oplaadbare batterijen te verkrijgen als de satelliet in de schaduw staat. Afhankelijk van de baan hebben satellieten ongeveer 60 minuten zonlicht nodig om hun batterijen op te laden, als ze zich in een lage baan bevinden. Meer verre satellieten brengen veel meer tijd door met blootstelling aan zonnestraling.

Omdat satellieten lange tijd aan deze straling worden blootgesteld, is een beschermingssysteem nodig om schade aan andere systemen te voorkomen.

De blootgestelde delen worden erg heet, terwijl ze in de schaduw extreem lage temperaturen bereiken, omdat er niet genoeg atmosfeer is om de veranderingen te reguleren. Om deze reden zijn radiatoren nodig om warmte af te voeren en aluminium afdekkingen om indien nodig warmte vast te houden.

Soorten kunstmatige satellieten

Afhankelijk van hun traject kunnen kunstmatige satellieten elliptisch of cirkelvormig zijn. Natuurlijk heeft elke satelliet een toegewezen baan, die over het algemeen in dezelfde richting is als de aarde roteert, de zogenaamde asynchrone baan. Als de satelliet om de een of andere reden de andere kant op reist, heeft hij een retrograde baan.

Onder zwaartekracht bewegen objecten zich in elliptische banen volgens de wetten van Kepler. Kunstmatige satellieten ontkomen hier niet aan, maar sommige elliptische banen hebben zo'n kleine excentriciteit dat ze als cirkelvormig kunnen worden beschouwd.

De banen kunnen ook hellen ten opzichte van de evenaar van de aarde. Bij een helling van 0 ° zijn het equatoriale banen, als ze 90 ° zijn, zijn het polaire banen.

De hoogte van de satelliet is ook een belangrijke parameter, aangezien tussen 1500 - 3000 km hoog de eerste Van Allen-gordel ligt, een gebied dat moet worden vermeden vanwege de hoge stralingssnelheid.

Figuur 2. Banen, hoogtes en snelheden van kunstmatige satellieten. Niet meer gebruikte satellieten gaan de baan van de begraafplaats in, hoewel er in alle banen overblijfselen zijn. Bron: Wikimedia Commons.

Satellietbanen

De baan van de satelliet wordt gekozen op basis van de missie die hij heeft, aangezien er meer of minder gunstige hoogtes zijn voor verschillende operaties. Volgens dit criterium worden satellieten geclassificeerd als:

- LEO (Low Earth Orbit) , ze zijn tussen 500 en 900 km hoog en beschrijven een cirkelvormig pad, met periodes van ongeveer anderhalf uur en een helling van 90º. Ze worden gebruikt voor mobiele telefoons, faxen, persoonlijke pagers, voor voertuigen en voor boten.

- MEO (Medium Earth Orbit) , ze bevinden zich op een hoogte tussen 5000-12000 km, helling van 50º en een periode van ongeveer 6 uur. Ze worden ook gebruikt in mobiele telefoons.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) of geostationaire baan, hoewel er een klein verschil is tussen de twee termen. De eerste kan een variabele helling hebben, terwijl de laatste altijd op 0 ° staat.

Ze bevinden zich in ieder geval op grote hoogte -36.000 km meer of minder-. Ze reizen cirkelvormige banen in perioden van 1 dag. Dankzij hen zijn onder meer fax, interlokale telefonie en satelliettelevisie beschikbaar.

Figuur 3. Schema van de banen van kunstmatige satellieten. 1) Aarde. 2) LEO. 3) MEO, 4) Geosynchrone banen. Bron: Wikimedia Commons.

Geostationaire satellieten

In het begin hadden de communicatiesatellieten andere periodes dan de rotatie van de aarde, maar dit maakte het moeilijk om de antennes te positioneren en de communicatie ging verloren. De oplossing was om de satelliet op een zodanige hoogte te plaatsen dat zijn periode samenviel met die van de rotatie van de aarde.

Op deze manier draait de satelliet samen met de aarde en lijkt ten opzichte daarvan gefixeerd. De hoogte die nodig is om een ​​satelliet in een geosynchrone baan om de aarde te plaatsen, is 35786,04 km en staat bekend als de Clarke-gordel.

De hoogte van de baan kan worden berekend door de periode vast te stellen met behulp van de volgende uitdrukking, afgeleid van de wet van universele zwaartekracht van Newton en de wetten van Kepler:

Waar P de periode is, a de lengte van de semi-hoofdas van de elliptische baan, G de universele gravitatieconstante en M de massa van de aarde.

Omdat op deze manier de oriëntatie van de satelliet ten opzichte van de aarde niet verandert, garandeert het dat hij er altijd contact mee zal hebben.

De belangrijkste kunstmatige satellieten van de aarde

Spoetnik

Figuur 4. Replica van Spoetnik, de eerste kunstmatige satelliet in een baan in de geschiedenis. Bron: Wikimedia Commons.

Het was de eerste kunstmatige satelliet in de geschiedenis van de mensheid, die in oktober 1957 door de voormalige Sovjet-Unie in een baan om de aarde werd gebracht. Deze satelliet werd gevolgd door drie andere, als onderdeel van het Spoetnik-programma.

De eerste Spoetnik was vrij klein en licht: voornamelijk 83 kg aluminium. Het was in staat om frequenties uit te zenden tussen 20 en 40 MHz, was drie weken in een baan om de aarde, waarna het op de aarde viel.

Replica's van Spoetnik zijn tegenwoordig te zien in veel musea in de Russische Federatie, Europa en zelfs Amerika.

De spaceshuttle

Een andere bekende bemande missie was het Space Transport System STS of Space Shuttle, dat actief was van 1981 tot 2011 en, naast andere belangrijke missies, deelnam aan de lancering van de Hubble Space Telescope en het International Space Station, naast missies van reparatie van andere satellieten.

De Space Shuttle had een asynchrone baan en was herbruikbaar, aangezien hij naar de aarde kon komen en gaan. Van de vijf veerboten werden er twee per ongeluk vernietigd, samen met hun bemanning: de Challenger en de Columbia.

GPS-satellieten

Het Global Positioning System staat erom bekend mensen en objecten overal ter wereld nauwkeurig te lokaliseren. Het GPS-netwerk bestaat uit minimaal 24 satellieten op grote hoogte, waarvan er altijd 4 satellieten zichtbaar zijn vanaf de aarde.

Ze bevinden zich in een baan om de aarde op een hoogte van 20.000 km en hun periode is 12 uur. GPS gebruikt een wiskundige methode die lijkt op triangulatie om de positie van objecten te beoordelen, genaamd trilateratie.

GPS is niet beperkt tot het lokaliseren van mensen of voertuigen, het is ook nuttig voor cartografie, landmeetkunde, geodesie, reddingsoperaties en sportpraktijken, naast andere belangrijke toepassingen.

De Hubble-ruimtetelescoop

Het is een kunstmatige satelliet die onvergelijkbare nooit eerder vertoonde beelden biedt van het zonnestelsel, sterren, melkwegstelsels en het verre heelal, zonder dat de atmosfeer van de aarde of lichtvervuiling het verre licht blokkeert of vervormt.

Figuur 5. Aanzicht van de Hubble-ruimtetelescoop. Bron: NASA via Wikimedia Commons.

Daarom was de lancering in 1990 de meest opmerkelijke vooruitgang in de astronomie van de afgelopen tijd. Hubble's enorme cilinder van 11 ton bevindt zich op een hoogte van 548 km in een baan om de aarde in een cirkelvormige beweging, met een periode van 96 minuten.

Het wordt naar verwachting tussen 2020 en 2025 gedeactiveerd en wordt vervangen door de James Webb-ruimtetelescoop.

Internationaal Ruimtestation

Het staat bekend als ISS (International Space Station) en is een onderzoekslaboratorium in een baan dat wordt beheerd door vijf ruimteagentschappen over de hele wereld. Tot dusver is het de grootste kunstmatige satelliet die er bestaat.

In tegenstelling tot de rest van de satellieten zijn er in het ruimtestation mensen aan boord. Naast de vaste bemanning van zeker twee astronauten is het station zelfs door toeristen bezocht.

Het doel van het station is primair wetenschappelijk. Het heeft 4 laboratoria waarin de effecten van zwaartekracht worden onderzocht en astronomische, kosmologische en klimaatwaarnemingen worden uitgevoerd, evenals verschillende experimenten in de biologie, chemie en de invloed van straling op verschillende systemen.

Chandra

Deze kunstmatige satelliet is een observatorium om röntgenstralen te detecteren, die worden geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde en daarom niet vanaf het oppervlak kunnen worden bestudeerd. NASA bracht het in 1999 in een baan om de aarde via de Space Shuttle Columbia.

Iridium communicatiesatellieten

Ze vormen een netwerk van 66 satellieten op een hoogte van 780 km in banen van het type LEO, met een periode van 100 minuten. Ze zijn ontworpen door het telefoonbedrijf Motorola om telefooncommunicatie op moeilijk bereikbare plaatsen mogelijk te maken. Het is echter een dienst tegen zeer hoge kosten.

Galileo-satellietsysteem

Het is het door de Europese Unie ontwikkelde plaatsbepalingssysteem, gelijkwaardig aan GPS en voor civiel gebruik. Het heeft momenteel 22 satellieten in bedrijf, maar het is nog in aanbouw. Het is in staat om een ​​persoon of een object te lokaliseren met een precisie van 1 meter in de open versie en het is interoperabel met de satellieten van het GPS-systeem.

Landsat-serie

Het zijn satellieten die speciaal zijn ontworpen om het aardoppervlak te observeren. Ze begonnen met hun werk in 1972. Ze zijn onder meer verantwoordelijk voor het in kaart brengen van het terrein, het vastleggen van informatie over de beweging van ijs op de polen en de uitgestrektheid van bossen, en het zoeken naar mijnbouw.

Glonass-systeem

Het is het geolocatiesysteem van de Russische Federatie, vergelijkbaar met GPS en het Galileo-netwerk.

Observatie van kunstmatige satellieten

Kunstmatige satellieten kunnen door amateurs vanaf de aarde worden gezien, omdat ze zonlicht reflecteren en kunnen worden gezien als lichtpunten, zelfs als de zon is ondergegaan.

Om ze te vinden, is het raadzaam om een ​​van de satellietzoekapplicaties op de telefoon te installeren of internetsites te raadplegen die satellieten volgen.

De Hubble-ruimtetelescoop kan bijvoorbeeld met het blote oog zichtbaar zijn, of beter nog, met een goede verrekijker, als je weet waar je moet kijken.

De voorbereidingen voor het waarnemen van satellieten zijn dezelfde als voor het waarnemen van meteorenregen. De beste resultaten worden verkregen op zeer donkere en heldere nachten, zonder wolken en zonder maan, of met de maan laag aan de horizon. Hoe verder weg van lichtvervuiling, hoe beter, je moet ook warme kleding en warme dranken meenemen.

Referenties

1. Europees Ruimteagentschap. Satellieten. Hersteld van: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Astronomy for Dummies.
4. POT. Over de Hubble-ruimtetelescoop. Hersteld van: nasa.gov.
5. Wat zijn kunstmatige satellieten en hoe werken ze? Hersteld van: youbioit.com
6. Wikiversity. Kunstmatige satellieten. Hersteld van: es.wikiversity.org.