Πώς η πιο μαύρη επίστρωση του κόσμου «κρύβει» τους δορυφόρους

Σύνοψη

• Οι δορυφόροι χαμηλής γήινης τροχιάς (LEO) ξεπερνούν ήδη τους 14.000 και αναμένεται να φτάσουν τις 60.000 έως το 2030, δυσχεραίνοντας σοβαρά το έργο των αστεροσκοπείων.
• Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Surrey αποδεικνύουν ότι η υπερ-μαύρη επίστρωση Vantablack 310 της Surrey NanoSystems μπορεί να περιορίσει δραστικά την αντανάκλαση του ηλιακού φωτός.
• Το υλικό αντανακλά μόλις το 2% του φωτός, ρίχνοντας τη φωτεινότητα των δορυφόρων στο επιτρεπτό όριο 7,0 της κλίμακας AB (κάνοντάς τους ουσιαστικά αόρατους στο γυμνό μάτι).
• Η επίστρωση υπερτερεί σημαντικά έναντι ενός μη επικαλυμμένου δορυφόρου Starlink (μέγεθος 3.7) και προσφέρει καλύτερα αποτελέσματα από παλαιότερες προσπάθειες όπως τα DarkSat και VisorSat.
• Η τεχνολογία θα δοκιμαστεί στο σκληρό περιβάλλον του Διαστήματος μέσω του μικροδορυφόρου Jovian-1 (CubeSat).

Η τρομακτική ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων έχει δημιουργήσει ένα πρωτοφανές κυκλοφοριακό πρόβλημα στη χαμηλή γήινη τροχιά (LEO). Σήμερα, περισσότεροι από 14.000 δορυφόροι βρίσκονται σε λειτουργία, ένας αριθμός που αναμένεται να εκτοξευθεί στους 60.000 μέχρι το 2030, καθώς εταιρείες όπως η SpaceX (Starlink), η Amazon (Project Kuiper) και η OneWeb επεκτείνουν τα δίκτυα τους. Αυτή η εξέλιξη εγγυάται την παροχή ευρυζωνικού διαδικτύου σε παγκόσμια κλίμακα, ωστόσο δημιουργεί ένα κρίσιμο εμπόδιο για την Αστρονομία, τη διαστημική φωτορύπανση.

Οι μεταλλικές επιφάνειες και τα ηλιακά πάνελ των δορυφόρων αντανακλούν το ηλιακό φως πίσω στη Γη. Κατά τις περιόδους κοντά στην ανατολή και τη δύση του ηλίου, οι δορυφόροι αυτοί εμφανίζονται ως φωτεινές γραμμές που διασχίζουν τον ουρανό, καταστρέφοντας τις φωτογραφίες μακράς έκθεσης των επίγειων τηλεσκοπίων. Αυτό το φαινόμενο δεν επηρεάζει απλώς την αισθητική του νυχτερινού ουρανού, αλλά εμποδίζει ενεργά την ικανότητα των επιστημόνων να εντοπίζουν αμυδρά ουράνια σώματα, μακρινούς γαλαξίες, καθώς και δυνητικά επικίνδυνους αστεροειδείς που πλησιάζουν τη Γη (Near-Earth Objects).

Μια νέα μελέτη υπόσχεται μια πρακτική, βασισμένη στην επιστήμη των υλικών λύση, ικανή να μετριάσει το πρόβλημα χωρίς να απαιτεί ριζικό επανασχεδιασμό των διαστημικών αποστολών.

Πώς το Vantablack 310 μειώνει τη φωτεινότητα των δορυφόρων;

Το Vantablack 310 αποτελεί μια υπερ-μαύρη επίστρωση, η οποία αντανακλά μόλις το 2% του εισερχόμενου φωτός. Σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Surrey, η εφαρμογή του σε δορυφόρους χαμηλής τροχιάς (LEO) μειώνει τη φωτεινότητά τους κοντά στο αυστηρό όριο μεγέθους 7,0 της κλίμακας AB, επιλύοντας το πρόβλημα φωτορύπανσης που παρεμποδίζει τις επίγειες αστρονομικές παρατηρήσεις.

Η συγκεκριμένη έκδοση είναι βελτιστοποιημένη για ευκολότερη εφαρμογή και αυξημένη αντοχή. Δεν λειτουργεί όπως οι συμβατικές μαύρες μπογιές, οι οποίες απλώς περιέχουν σκούρες χρωστικές, αλλά βασίζεται στη νανοδομή της.

Όπως διαπίστωσε η ερευνητική ομάδα κατά την εξέταση της επίστρωσης κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, η επιφάνεια του Vantablack 310 μοιάζει με κοράλλι, καθώς διαθέτει βαθιές, μικροσκοπικές κοιλότητες. Όταν τα φωτόνια του ηλιακού φωτός χτυπούν την επιφάνεια, εισέρχονται σε αυτές τις κοιλότητες και αναπηδούν συνεχώς στα εσωτερικά τοιχώματα μέχρι να απορροφηθούν πλήρως και να μετατραπούν σε θερμότητα. Αυτό σημαίνει ότι εξαλείφονται οι έντονες αναλαμπές που τυπικά παράγονται από το σασί των διαστημικών σκαφών.

Vantablack 310 και Starlink

Για να αξιολογήσουν την πρακτική αποτελεσματικότητα του υλικού, οι ερευνητές δημιούργησαν φυσικά μοντέλα για να ελέγξουν την απόδοση της επίστρωσης σε διάφορα σημεία της τροχιάς. Το αλμπέντο της Γης (η αντανάκλαση του φωτός από τον πλανήτη μας) παίζει ρόλο, καθώς ένας δορυφόρος φωτίζεται διαφορετικά όταν πετάει πάνω από χιονισμένες εκτάσεις σε σχέση με τους ανοιχτούς ωκεανούς.

Στην αστρονομία, η φωτεινότητα μετριέται με την κλίμακα μεγέθους AB (AB magnitude scale), μια λογαριθμική κλίμακα όπου οι μικρότερες τιμές υποδεικνύουν μεγαλύτερη φωτεινότητα. Στη χειρότερη δυνατή περίπτωση αντανάκλασης, ο προσομοιωμένος δορυφόρος με Vantablack 310 κατέγραψε τιμές από 6.7 έως 7.0. Στις περισσότερες τροχιές, η φωτεινότητα έπεσε στο 7.1 έως 7.8.

Η Διεθνής Αστρονομική Ένωση (IAU) έχει προτείνει το μέγεθος 7.0 ως το ελάχιστο αποδεκτό όριο, καθώς τα αντικείμενα με αυτή τη βαθμολογία είναι πρακτικά αόρατα στο γυμνό μάτι. Η διαφορά γίνεται χαώδης όταν συγκρίνεται με έναν τυπικό, μη επικαλυμμένο δορυφόρο Starlink της SpaceX, ο οποίος καταγράφει μέγεθος 3.7 (εξαιρετικά φωτεινός). Μάλιστα, οι επιδόσεις του Vantablack 310 είναι ισάξιες ή καλύτερες από τις προηγούμενες, πειραματικές προσπάθειες της SpaceX, η οποία είχε δοκιμάσει δορυφόρους βαμμένους μαύρους (DarkSat) ή εξοπλισμένους με σκίαστρα (VisorSat). Τα σκίαστρα παρουσίασαν προβλήματα ανάπτυξης στο διάστημα και αύξησαν την αεροδυναμική οπισθέλκουσα, ενώ το DarkSat αντιμετώπισε προβλήματα θερμικής διαχείρισης.

Προκλήσεις και η αποστολή Jovian-1

Το επόμενο κρίσιμο βήμα είναι η πιστοποίηση του υλικού σε πραγματικές συνθήκες. Το Διάστημα αποτελεί ένα αμείλικτο περιβάλλον, χαρακτηριζόμενο από ακραίες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις, συνεχή βομβαρδισμό από υπεριώδη ακτινοβολία και οξείδωση από ατομικό οξυγόνο στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Όπως επισημαίνουν οι ίδιοι οι ερευνητές, η τρέχουσα μελέτη επικεντρώνεται στην οπτική απόδοση. Η ανθεκτικότητα και η θερμική συμπεριφορά του σκάφους απαιτούν δοκιμές σε θαλάμους θερμικού κενού.

Γι’ αυτό τον λόγο, το Vantablack 310 θα ταξιδέψει σύντομα στο διάστημα μέσω της αποστολής του μικροδορυφόρου Jovian-1 (CubeSat). Το project, το οποίο αναπτύσσεται συνεργατικά από τα Πανεπιστήμια του Surrey, του Portsmouth και του Southampton, θα επιτρέψει στους επιστήμονες να λάβουν πραγματικές μετρήσεις από επίγεια τηλεσκόπια, καταγράφοντας την ακριβή συμπεριφορά της επίστρωσης κατά την τροχιακή πτήση.

«Ο νυχτερινός ουρανός είναι ένα από τα παλαιότερα παράθυρα της ανθρωπότητας προς το Σύμπαν, αλλά γίνεται ολοένα και πιο δύσκολο να δούμε μέσα από αυτό», αναφέρει η ερευνήτρια Astha Chaturvedi. Η Δρ. Noelia Noël, αστροφυσικός και επιβλέπουσα του προγράμματος, προσθέτει πως το πλέον ενθαρρυντικό στοιχείο είναι η μετάβαση από τη διαπίστωση του προβλήματος στην ανάπτυξη ρεαλιστικών, τεκμηριωμένων λύσεων.