Pensalo come un gioco da tavolo celeste:qual è il numero minimo di satelliti necessari per vedere ogni punto sulla Terra? E come potrebbero quei satelliti rimanere in orbita e mantenere una copertura continua 24 ore su 24, 7 giorni su 7, mentre si contendono il campo gravitazionale terrestre, la sua massa bitorzoluta, l'attrazione del sole e della luna, e la pressione della radiazione solare?

A metà degli anni '80, il ricercatore John E. Draim ha proposto quella che è generalmente considerata la soluzione ideale:una costellazione di quattro satelliti. Però, la quantità di propellente necessaria per mantenere i satelliti in posizione, e il conseguente costo, ha reso la configurazione irrealizzabile.

Ora, una collaborazione sponsorizzata dalla National Science Foundation guidata da Patrick Reed, il Joseph C. Ford Professore di Ingegneria alla Cornell University, ha scoperto la giusta combinazione di fattori per rendere possibile una costellazione di quattro satelliti, che potrebbe guidare i progressi nelle telecomunicazioni, navigazione e telerilevamento. E in una svolta ingegnosa, i ricercatori hanno ottenuto questo risultato facendo lavorare a loro favore le forze che normalmente degradano i satelliti.

"Una delle domande interessanti che abbiamo avuto è stata, possiamo davvero trasformare quelle forze? Invece di degradare il sistema, possiamo effettivamente capovolgerlo in modo tale che la costellazione raccolga energia da quelle forze e le usi per controllarsi attivamente?" ha detto Reed.

La loro carta, "Costellazioni satellitari a basso costo per una copertura globale quasi continua, " pubblicato il 10 gennaio in Comunicazioni sulla natura .

Gli strumenti di ricerca informatica evolutiva basati sull'intelligenza artificiale che Reed ha sviluppato sono ideali per navigare tra le numerose complicazioni del posizionamento e della gestione dei satelliti.

Per questo progetto, Reed ha collaborato con ricercatori di The Aerospace Corporation, combinando il suo know-how algoritmico con l'esperienza dell'azienda in astrofisica all'avanguardia, logistica operativa e simulazioni.

Per vagliare le centinaia di migliaia di possibili orbite e combinazioni di perturbazioni, il team ha utilizzato il supercomputer Blue Waters dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign. Blue Waters ha compresso 300 o 400 anni di esplorazione computazionale nell'equivalente di circa un mese di calcolo effettivo, Reed ha detto.

Hanno selezionato i loro progetti di costellazioni in due modelli che potrebbero orbitare per un periodo di 24 o 48 ore e raggiungere una copertura continua oltre l'86% e il 95% del globo, rispettivamente. Mentre la copertura delle prestazioni del 100% sarebbe l'ideale in teoria, i ricercatori hanno scoperto che sacrificare solo il 5%-14% ha creato maggiori guadagni in termini di raccolta di energia dalle stesse forze gravitazionali e di radiazione solare che normalmente renderebbero una costellazione satellitare di breve durata e difficile da controllare.

Il compromesso ne vale la pena, Reed ha detto, soprattutto perché gli operatori satellitari potrebbero controllare dove si verificherebbero le lacune nella copertura. Le interruzioni in queste regioni a bassa priorità dureranno circa 80 minuti al giorno, al massimo, nella peggiore delle ipotesi.

"Questa è una di quelle cose in cui la ricerca della perfezione potrebbe effettivamente ostacolare l'innovazione, " Reed ha detto. "E non stai davvero rinunciando a una quantità drammatica. Potrebbero esserci missioni in cui hai assolutamente bisogno di copertura ovunque sulla Terra, e in quei casi, dovresti solo usare più satelliti o sensori in rete o piattaforme ibride."

L'utilizzo di questo tipo di controllo passivo potrebbe potenzialmente estendere la durata della vita di una costellazione da cinque anni a 15 anni. Questi satelliti richiederebbero meno propellente e galleggeranno a quote più elevate, rimuovendoli dalla rischiosa zona ad alto traffico dell'orbita terrestre bassa. Ma forse il più grande punto di forza è il basso costo. Gli interessi commerciali o i paesi senza le risorse finanziarie per lanciare una grande costellazione di satelliti potrebbero raggiungere una copertura globale quasi continua in modo molto economico, con costi tecnici ridotti a lungo termine.

"Anche un satellite può costare centinaia di milioni o miliardi di dollari, a seconda di quali sensori ci sono e qual è il suo scopo. Quindi avere una nuova piattaforma che puoi usare nelle missioni esistenti ed emergenti è abbastanza carino, " Reed ha detto. "C'è un grande potenziale per il telerilevamento, telecomunicazione, navigazione, rilevamento e feedback ad alta larghezza di banda nello spazio, e questo si sta evolvendo molto, molto velocemente. Ci sono probabilmente tutti i tipi di applicazioni che potrebbero trarre vantaggio da una lunga vita, costellazione satellitare autoadattante con copertura quasi globale."

L'autore principale del documento è Lake Singh con The Aerospace Corporation. Ricercatori dell'Università della California, Davis, anche contribuito.

"Abbiamo sfruttato l'esperienza nella progettazione delle costellazioni di Aerospace con la leadership di Cornell nell'analisi intelligente della ricerca e abbiamo scoperto un'alternativa operativamente fattibile alla progettazione della costellazione Draim, " disse Singh, direttore dei sistemi per il dipartimento Future Architectures di The Aerospace Corporation. "Questi progetti di costellazioni possono fornire vantaggi sostanziali ai pianificatori di missioni per concetti su orbite geostazionarie e oltre".