Derfor kredser ISS kun 400 kilometer over Jorden

En rejse til rumstationen ISS er ikke nogen lang rejse ud i rummet, da rumstationen kredser bare 400 kilometer over Jorden.

Selv når Månen er tættest på Jorden, er den 900 gange længere væk fra Jorden end ISS.

Betydningen af ISS er, at her kan vi lære at leve og arbejde i rummet, før vi begynder på længere togter ud i solsystemet - til Månen og Mars.

Da man planlagde ISS i 1990'erne, var et af de første valg, man skulle træffe, den bane, rumstationen skulle følge.

Det var en langvarig proces, da der var mange ting, man skulle tage hensyn til. Man skulle vælge både flyvehøjde og den vinkel, banen danner med ækvator - den såkaldte banehældning.

Det endelige valg var en flyvehøjde på 400 kilometer og en banehældning på 51,6^o, og i denne artikel vil vi se på, hvordan man er kommet frem til netop disse værdier.

Atmosfæren kan mærkes 1.000 km oppe

Det første, man skal gøre sig klart, er, at Jordens atmosfære strækker sig mange hundrede kilometer ud i rummet.

Man siger ganske vist, at grænsen mellem Jordens atmosfære og rummet er ved en højde på 100 kilometer, den berømte von Kármán-linje. For at blive astronaut skal man således mere end 100 kilometer op.

Men det er en juridisk grænse, som atmosfæren er ganske ligeglad med. Det eneste, vi kan sige, er at over de 100 kilometer er atmosfæren så tynd, at himlen altid er sort, og fly ikke kan flyve.

Men for at en satellit kan kredse om Jorden, skal den meget højere op – mindst 200-300 kilometer. Længere nede bliver satellitten, der jo bevæger sig med 28.000 kilometer i timen, hurtigt bremset af luftmodstanden og ender med at brænde op.

Men atmosfæren er også mærkbar 500 kilometer oppe og helt ud til 1.000 kilometer – man kan ikke sætte en helt fast grænse for atmosfæren, men 1.000 kilometer oppe er luftmodstanden så lille, at en satellit kan kredse i århundreder.

420 ton rumstation kræver lille luftmodstand

Så luftmodstanden var afgørende for, hvilken flyvehøjde man valgte for ISS.

Her skulle man tage i betragtning, at ISS er en stor rumstation med en vægt på nu 420 ton, og den er opbygget af flere moduler, typisk med en vægt på omkring 20 ton.

Rumstationen er 94 meter lang og hertil kommer de enorme over 100 meter lange solpaneler.

Til sammenligning måler verdens største passagerfly, Airbus A380, kun 80 meter fra vingespids til vingespids.

Alene de enorme solvinger giver en meget kraftig luftmodstand, så det taler for en høj bane.

Det kunne man dog ikke bare få, for under hele rumstationens bygning 1998-2011 kunne selv de største raketter ikke sende meget over 20 ton ind i en lav bane - altså mellem 300 og 500 kilometer over Jorden – og det gjaldt også for rumfærgerne.

At gå ind i en højere bane vil nemlig kræve så meget brændstof, at det ville gå ud over, hvor tunge moduler man kunne opsende.

Så nu havde man et dilemma: Banen måtte ikke være for lav, for så ville luftmodstanden blive så høj, at der skulle bruges urimeligt meget brændstof for med mellemrum at hæve banen.

Man havde på forhånd sat et krav om, at ISS skulle kunne klare sig i mindst 30 dage uden at hæve banen, for hver gang man hæver banen, skal der tændes raketmotorer.

ISS begynder at ryste, og den vægtløse tilstand afbrydes, mens motorerne arbejder.

Da mange forsøg på ISS kræver vægtløshed og ro, så endte man med dette krav på 30 dage, hvortil kom yderligere 60 dage, hvor rumstationen ikke kom så langt ned i den tættere atmosfære, at det udsatte besætningen for fare.

Det regnede man på, så den absolut laveste flyvehøjde blev sat til 280 kilometer.

Den største flyvehøjde blev afgjort af to faktorer: De russiske forsyningsrumskibe var kun godkendt til en flyvehøjde på 460 kilometer, og hertil kom strålingsfaren.

Jorden har som bekendt nogle strålingsbælter, der består af atomare partikler som elektroner og protoner, der er indfanget af Jordens magnetfelt, og som hele tiden farer frem og tilbage mellem Jordens to magnetiske poler.

Man udsætter sig for en vis strålingsfare ved at opholde sig for længe i strålingsbælterne. Med en enkelt undtagelse, kaldet den Sydatlantiske Anomali, så mærker vi i de lave baner ikke meget til strålingsbælterne, så længe højden er under 500 kilometer.

I den Sydatatlantiske Anomali når strålingsbæltet ned til en højde på bare 200 kilometer, fordi Jordens magnetfelt i dette område er meget svagt, men det er heldigvis et område ISS hurtigt flyver igennem.

.

Da man ikke kunne komme over 460 kilometer, var banehøjden indsnævret til et område mellem 280 og 460 kilometer over Jorden, og man endte så ved de 400 kilometer, selv om det nogle gange kunne knibe for rumfærgen at sende en tung last så højt op.

Rumskrot giver udfordringer

Alligevel er banen så lav, at der hvert år bruges flere ton brændstof for at hæve banen, så den ikke kommer for langt ned.

I 1998 var problemet med rumskrot stadig overskueligt, og det var nok dengang vanskeligt at forudse, hvor stort problemet ville blive, men man har indtil nu været rimeligt heldig med valget – selv om ISS fra tid til anden må foretage undvigemanøvrer for ikke at støde ind i rumskrot.

Langt det meste rumskrot kredser i baner under 2.000 kilometer fra Jorden, og den største koncentration er i højder på 800-850 kilometer.

Det hænger sammen med, at i disse højder kan rumskrot kredse i årtier, før det af luftmodstanden tvinges så langt ned, at det brænder op i atmosfæren.

.

Det store Starlink-projekt er på vej til at skabe et andet tæt bælte af rumskrot, men det ligger heldigvis også over, hvor ISS kredser.

SpaceX ønsker, at de mange tusinde Starlink-satellitter skal kredse så tæt som muligt på Jorden, og det siger de så er en god ting, fordi en lav højde sikrer, at eventuelt rumskrot derved får en kort levetid.

Endnu går det, men det er da noget man holder godt øje med, fordi antallet af Starlink-satellitter bare vokser og vokser.

For kommende rumstationer bliver problemet med rumskrot ret afgørende for, hvor man vil placere de nye rumstationer.

Derfor flyver ISS ikke over polerne

Rent videnskabeligt havde det været fint med en rumstation, der fløj i en polarbane henover begge Jordens poler, så man kunne observere hele vores planet, men det var af to grunde fuldstændig udelukket.

De to grunde er Jordens rotation og strålingsbælterne.

Vi ser først på betydningen af Jordens rotation. For at komme ind i en polarbane skal man jo sende raketten enten mod nord eller syd, i en vinkel på 90^o med ækvator, og gør man det, kan man ikke udnytte Jordens rotation, der jo har retning mod øst.

Det er virkelig vigtigt at lade Jordens rotation give raketten et ekstra skub.

For at vurdere betydningen af rotationen ser vi på de fire baser, hvorfra der opsendes rumskibe til ISS:

Placering	Basens navn	Basens breddegrad	Jordens rotationshastighed
Europa	Kourou	5,2o nord	1.667 km/time
USA	Cape Canaveral	28,5o nord	1.469 km/time
Japan	Tanegashima	30,4o nord	1.444 km/time
Rusland	Baikonur	45,8o nord	1.166 km/time

For at få den fulde glæde af Jordens rotation, skal man sende raketten mod stik øst. Hvis man gør det, går satellitten ind i en bane med samme banehældning som basens breddegrad.

En stik østlig opsendelse fra Kourou vil altså føre til en bane med en hældning på 5,2^o, og som derfor kun overflyver områder mellem 5,2^o sydlig og 5,2^o nordlig bredde, og den dækker jo ikke meget af Jorden undtagen de tropiske områder.

Men fordelen er, at man får 1.667 kilometer i timen foræret, og det er da den pæn brøkdel af de 28.000 kilometer i timen, raketten skal op på for at gå i bane – mere præcist næsten 6 procent, og det kan i den grad mærkes på brændstof-budgettet.

Russerne må nøjes med godt 4 procent, men de er nu ikke så glade for rent østlige opsendelser, for så risikerer de, at raketten kan falde ned i Kina – og nok er de ’gode venner’, men alligevel…

Så det blev i sidste ende russerne, der kom til at afgøre banehældningen. De 51,6^o er tæt på den mindste banehældning, de kan have, hvis man skal undgå at flyve over Kina.

Så alle måtte give sig, og ingen steder kan man udnytte Jordens rotation fuldt ud, fordi man må opsende raketten mere eller mindre mod nordøst, og det går jo mest ud over opsendelser fra Kourou.

Men når nu alle måtte give sig, hvad så med en bare lidt større banehældning, der ville betyde en stor fordel, hvis man vil observere Jorden?

Den nuværende bane når jo ikke længere nordpå end Tyskland, så Andreas Mogensen kommer jo slet ikke til at overflyve Danmark, som i runde tal ligger på omkring 55 graders nordlig bredde.

Men det går slet ikke, og det ikke bare på grund af brændstofforbruget. For at undgå, at raketter kan falde ned over selve USA, kan man ikke opsende med en større banehældning end 57^o.

.

Men der er imidlertid et meget større problem: Strålingsbælterne.

Astronauter på ISS får fire gange så meget stråling som på et kernekraftværk

Jordens strålingsbælter består af elektrisk ladede partikler, som elektroner og protoner, der kommer fra Solen og er blevet indfanget af Jordens magnetfelt.

Partiklerne farer med enorm hastighed rundt i spiralbaner om de magnetiske feltlinjer, men ved polerne vender de og flyver så tilbage igen.

Strålingsbælterne er helt styret af Jordens magnetfelt, og slet ikke af tyngdekraften.

Strålingsbælterne er længst fra Jorden over ækvator, men kommer langt ned over de magnetiske poler, hvor partikler fra bælterne er med til at danne polarlys, når de rammer atmosfæren 100-300 kilometer oppe.

Det er tæt på den højde, ISS flyver, og når rumstationen er i den nordligste eller sydligste del af sin bane, kan astronauterne være så heldige, at de kan opleve et fantastisk lysshow - heldigvis på afstand.

Da det er farligt gentagne gange at passere gennem strålingsbælterne ved de magnetiske poler, må banen for ISS hverken komme for langt mod nord eller syd.

Det har man naturligvis regnet på, og med en flyvehøjde på 400 kilometer må banehældningen helst ikke komme meget over 52^o af hensyn til strålingsfaren.

Man kan leve – sådan da – med den Sydatlantiske Anomali, men alligevel får astronauterne på ISS en temmelig høj strålingsdosis, omkring fire gange så meget stråling, som en arbejder på et kernekraftværk.

Godt, at det kun er 3-4 gange i døgnet man flyver gennem anomalien.

Med en polarbane ville rumstationen 32 gange i døgnet (to gange på hver omkredsning) flyve hen over polarområderne, og det ville bringe strålingsdosen så højt op, at det ikke kan accepteres.

Stråling kan give behov for atomdrevne raketter til Mars

Det kan give stof til eftertanke, når vi taler om Månen og Mars. For at komme derud, skal man først flyve gennem Jordens strålingsbælter, men det varer heldigvis kun et par timer, så det er ikke her problemet ligger.

Problemet er, at uden for Jordens skærmende magnetfelt, så er strålingen bare højere, og udbrud fra Solen kan på kort tid fylde rummet med absolut dødbringende stråling.

Det kan gå med Månen, fordi rejsetiden kun er et par dage, og vel ankommet kan man jo bare grave sig godt ned – selv om det går ud over ture, hvor man bare nyder månelandskabet i jordskin.

Mars er, med en rejsetid på mange måneder meget værre, men på et tidspunkt bliver vi nødt til at løse problemet. Umiddelbart er det svært at se andre løsninger end at nedsætte rejsetiden ved at bruge atomdrevne raketter.