Banen, der befinder sig 36.000 kilometer over ækvator, har den særlige egenskab, at en satellit i denne bane hænger stille over samme punkt på Jorden. Forklaringen er, at omløbstiden her er præcis et døgn, så satellitten følger Jordens rotation.
At der findes sådan en bane, har man kunnet regne ud, siden Kepler og Newton fremsatte deres love i 1600-tallet. Men det er nok tvivlsomt, om nogen dengang har beskæftiget sig med denne bane som andet end en matematisk kuriositet.
I dag er banen, som går under navnet 'den geostationære bane' eller 'Clarke-banen', rumfartens vigtigste hovedvej – men det er en hovedvej med mange udfordringer og problemer.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 40 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
Clarke så muligheden
Den første, der så, hvilke muligheder den geostationære bane rummer, var en ung englænder ved navn Arthur C. Clarke.
Den kun 28-årige Arthur C. Clarke havde i flere år været grebet af tanken om rumfart, og nu fik han mulighed for at skrive en artikel om nogle af de tanker, han havde gjort sig, mens han under krigen havde fungeret som radarspecialist i det engelske luftvåben.
Artiklen blev publiceret under navnet 'Extra-Terrestrial Relays' i tidsskriftet Wireless World, men dengang kunne ingen forudse, hvor meget denne artikel ville komme til at betyde for rumfarten.
Rumstationer skulle dække verden
Clarkes ide var at anvende banen 36.000 kilometer over ækvator til enorme rumstationer, som skulle virke som relæstationer for telefon, radio og fjernsyn.
Han forstod, at en satellit i denne bane vil fungere på samme måde som et 36.000 kilometer højt radiotårn, hvorfra man har udsigt til næsten 40 procent af Jordens overflade. Han forestillede sig tre store rumstationer, der tilsammen kunne dække det meste af verden. Det var nødvendigt med store rumstationer, for teknikken i 1945 var baseret på radiorør, som med mellemrum skulle udskiftes af teknikere.
Energien skulle komme fra store solspejle, som leverede energi til dampturbiner – det var et projekt baseret på den teknik, man kendte i 1945.
Clarke var igangsætteren, og han blev senere en meget berømt science fiction-forfatter. I dag er han nok mest kendt for 'Rumrejsen år 2001'.
\ Læs mere
Fra drøm til virkelighed
Artiklen blev læst, og der skulle kun gå 18 år, før det første forsøg blev gjort på at sende en satellit op til banen 36.000 kilometer over ækvator.
Det var Syncom 1, der blev opsendt i februar 1963. Med en vægt på kun 68 kilo var den meget langt fra Clarkes visioner om store rumstationer. Det skyldtes den tekniske udvikling, hvor radiorør og solspejle var erstattet af transistorer og solceller, hvilket gjorde det muligt at bygge små satellitter, der kunne virke i årevis.
Desværre tabte man kontakten med Syncom 1, da den med en sidste raketaffyring skulle placeres i den endelige bane – men den er senere blevet sporet af radarer her fra Jorden.
Op mod 2.000 satelitter i banen
Så gik det meget bedre med Syncom 2, men det helt store gennembrud kom med Syncom 3, der transmitterede de olympiske lege fra Tokyo i 1964. Det var også den første satellit, som det lykkedes at placere præcist over ækvator, altså i den geostationære bane.
Efter vore dages målestok var det en meget lille satellit med en tilsvarende meget beskeden sendestyrke. Men det blev klaret ved at bruge nogle jordstationer med meget store antenner.
Det var jo mange år før, satellitterne blev så store, at hver familie kunne have sin egen parabolantenne.
Derefter gik udviklingen meget hurtigt, og snart fik kommunikationssatellitterne selskab af vejrsatellitter, militære satellitter som kunne varsle raketangreb og mange andre typer.
I dag er der mellem 1.500 og 2.000 satellitter i banen. Heldigvis har banen en omkreds på 265.000 kilometer, så selv med 2.000 satellitter vil gennemsnitsafstanden mellem dem være over 130 kilometer – hvis de var jævnt fordelt.
Beliggenhed betyder alt
Men ligesom ved ejendomshandler betyder beliggenheden alt. Således er en placering ude over Atlanterhavet, hvorfra satellitten har fin udsigt til både Amerika og Europa, meget efterspurgt. Til gengæld er der steder ude over Stillehavet, som ingen er så interesserede i. I nogle af de mest populære områder er afstanden mellem satellitterne kun få kilometer.
Det giver to grundlæggende problemer:
- Risikoen for sammenstød og
- at meget tætliggende satellitter kan forstyrre hinandens signaler.
Begge problemer er mere juridiske end tekniske og kræver, at alle lande følger de samme spilleregler – et ikke helt simpelt problem.
Hertil kommer så yderligere det problem, at den geostationære bane ikke er stabil. Der findes simpelthen ikke nogen bane 36.000 kilometer over ækvator, hvor man kan anbringe en satellit, og så regne med, at den bare bliver hængende over samme punkt på Jorden i al fremtid.
Til gengæld findes der et område, nærmest med form som en torus (rumgeometrisk form, der ligner en donut, red.), hvor det kun kræver meget lidt brændstof at holde en satellit på plads i en bestemt position over Jorden.
Virkelighedens bane
Fysikken bag den geostationære bane er i virkeligheden ganske kompliceret, og det er der to grunde til:
- Jorden er ikke helt rund
- Tyngdekraften fra Solen og Månen spiller en vigtig rolle
Jordens form betyder, at en satellit ganske af sig selv vil drive i banen, det kalder man 'øst-vest-driften'. Der er to stabile punkter over 75o vest og 105o øst, hvor en satellit vil ende, hvis den overlades til sig selv.
Til gengæld er der også to ustabile punkter over 15o vest og 165o øst, som en satellit vil drive bort fra, hvis man ikke holder den på plads.
Det største problem er dog nord-syd driften, som skyldes tyngdekraften fra Månen og Solen. Banen ligger nemlig ikke helt fast over ækvator, men svinger ganske langsomt mellem en banehældning på 0o, altså lige over ækvator, til en største værdi på 15o.
Raketmotorer holder satellit på plads
Det betyder så, at en satellit overladt til sig selv på et tidspunkt vil bevæge sig i en bane mellem 15o nordlig bredde og 15o sydlig bredde, og dermed ikke hænge stille over samme punkt på Jorden. Derefter bliver banehældningen gradvist mindre, indtil satellitten til sidst kommer til at hænge over ækvator. Det tager 53 år før en satellit har gennemført denne cyklus.
Men man kan naturligvis hverken tillade, at en satellit driver langs ækvator eller bevæger sig bort fra ækvator. Brugen af den geostationære bane er jo baseret på, at satellitterne bliver ganske præcist på den plads, de har fået tildelt.
Derfor er det nødvendigt med mellemrum at bruge små raketmotorer til at holde satellitten på sin faste plads. I løbet af et år skal der justeres så meget, at det svarer til en hastighedsændring på omkring 165 kilometer i timen.
Det lyder måske ikke af meget, men i dag bygges en satellit til at holde mindst 15 år, og så skal der medføres brændstof til en samlet hastighedsændring på omkring 2.500 kilometer i timen.
I dag er det denne konstante justering af banen, der begrænser en satellits nyttige liv i den geostationære bane, fordi brændstoffet bruges op. For at holde brændstofforbruget nede, bruger mange satellitter i dag derfor ionmotorer til denne opgave.
Den juridiske bane
På samme måde, som der gælder særlige regler på en motorvej, så er man internationalt også blevet enige om nogle færdselsregler i den geostationære bane. Sådanne regler kræver dog, hvad man kunne kalde en juridisk definition af banen.
Og faktisk findes der hele to. Den første er for den geostationære bane:
Den geostationære bane er en cirkulær bane, præcis 35.786 kilometer over ækvator, hvori omløbstiden er et døgn, og en satellit derfor altid vil befinde sig over det samme punkt på ækvator.
I praksis er det næsten umuligt at holde en satellit helt præcist i denne bane. For at spare på styrebrændstoffet er det nødvendigt at tillade små afvigelser. Derfor har vi også begrebet 'geosynkron bane':
Den geosynkrone bane er en bane mellem 35.586 km og 35.986 kilometer over Jorden med en banehældning på under 15o.
- Banen behøver ikke at være fuldstændig cirkulær i den højde på 35.786 kilometer, hvor omløbstiden er præcis et døgn. Man kan også opnå at hænge over (næsten) samme punkt på Jorden i en bane, der er svagt elliptisk. Derfor tillades en afvigelse på 200 kilometer fra den præcise højde.
- Banehældningen kan gå op til de 15o, som en satellit let kan ende på, hvis man ikke hele tiden justerer banen.
Aftaler og regler gælder for det geosynkrone område, som altså omfatter selve den geostationære bane.
\ Læs mere
For en ordens skyld: Det døgn, vi her taler om, er det sideriske døgn på 23 timer og 56 minutter, der angiver Jordens rotationstid i forhold til stjernerne. Soldøgnet er naturligvis på 24 timer, og det er lidt længere end det sideriske døgn, fordi Jorden bevæger sig rundt om Solen.
Hvor skal jeg parkere?
En ting er at definere, hvad den geostationære bane er. Noget andet er at træffe de internationale aftaler, som er nødvendige for at fordele parkeringspladser til satellitterne.
Disse pladser fordeles af den Internationale Telecommunications Union (ITU) efter et 'først til mølle-princip'. Nu er banen jo stor, så man skulle tro, at der er et næsten ubegrænset antal parkeringspladser.
Det første, man får tildelt, er en bestemt plads, som nøje skal holdes. Dette både for at undgå sammenstød og elektronisk interferens fra andre satellitter, som anvender de samme frekvenser.
Det er nødvendigt med ret store parkeringspladser, da det for at spare på styrebrændstoffet er nødvendigt at lade satellitten drive lidt i banen, både langs ækvator i øst-vestlig retning og vinkelret på ækvator i nord-sydlig retning.
Man regner med, at det skulle være muligt at holde sin plads med en nøjagtighed på bedre end 70 kilometer. Det svarer til, at satellitten skal holde sig inden for 0,1o af den tildelte position.
Begyndende pladsmangel
Af sikkerhedsgrunde sørger man for en vis adskillelse af de enkelte parkeringspladser. Man regner i dag med omkring 1.800 parkeringspladser, svarende til en afstand på 0,2o eller 140 kilometer mellem hver parkeringsplads. Det gælder derfor om at være i god tid med at reservere sig plads, og der er begyndt at blive pladsmangel.
Til gengæld skal man bruge sin boks, som højst kan reserveres for en periode på 15 år.
Pladsmanglen har givet sig udslag i brug af såkaldte 'clusters' af satellitter, hvor der i en parkeringsplads kan være flere satellitter. Det betyder, at afstanden mellem satellitterne kan komme ned på kun få kilometer, hvilket kræver en meget præcis styring.
Clusters kan være nødvendige på de steder i banen, som er særligt eftertragtede, fordi de er specielt velegnede til kommunikation mellem to tætbefolkede områder. Satellitterne i et cluster må bruge lidt forskellige frekvenser for at undgå interferens.
I boksen under artiklen kan du læse om, hvordan det var tæt på at gå galt med satelitten Galaxy 15.
Døde satelitter kredser på ubestemt tid
Det store problem ved den geostationære bane er, at den er så langt fra Jorden, at døde satellitter ikke bremses af luftmodstanden, så de senere brænder op i atmosfæren. Overladt til sig selv vil en satellit i denne bane kunne kredse om jorden i faktisk ubegrænset tid.
Derfor er det op til os at rydde op – og det er ingen simpel sag.
Mange af de døde satellitter ender i et af de to stabile områder over 75o vest eller 105o øst, men det kan i det lange løb give alt for mange satellitter i disse to områder.
Derfor er der en ikke-bindende aftale om, at man bruger de sidste dråber styrebrændstof til at sende en satellit op i en kirkegårdsbane omkring 300 kilometer over den geostationære bane. Her gør de ingen skade, men desværre er det kun få, som følger henstillingen, hvilket er uholdbart i længden.
Det skyldes, at satellitter opsendes for at tjene penge – mange penge. Og skal man op til kirkegårdsbanen, så kan det afkorte satellittens nyttige liv med uger eller måske måneder, og det kan derfor være fristende at blive på parkeringspladsen, indtil alt brændstoffet er brugt.
Verdensrummet tilhører alle
Et andet stort problem de såkaldte papir-satellitter. Det mest berømte/berygtede eksempel er fra den meget lille østat Tonga i Stillehavet. I 1992 reserverede de ikke mindre end 16 pladser, som de naturligvis ikke kunne bruge selv.
Disse pladser søgte Tonga nu at leje ud for to millioner dollar om året, hvilket blev betragtet som et klart brud mod reglerne af ITU. Det førte til nogle ret komplicerede juridiske overvejelser, som desværre ikke endte i en klar afgørelse. Så Tonga kom til at tjene penge på sine papir-satellitter, hvilket kan give problemer i fremtiden ved lignende sager.
Endelig kan nævnes Bogota-deklarationen fra 1976, hvor otte lande på ækvator, blandt andre Brasilien, Colombia, Ecuador, Kenya og Uganda erklærede, at da den geostationære bane gik hen over deres lande, ja så tilhørte dele af banen juridisk set de lande, som lå nedenunder.
Det fik de nu ikke medhold i, da verdensrummet ligesom verdenshavene tilhører alle. Problemet var, at der i 1976 ikke var en juridisk grænse mellem luftrum og verdensrum. Det er der nu, idet grænsen til rummet er sat til 100 kilometer over Jorden.
\ Læs mere
\ Læs mere
\ Sagen om Galaxy 15
En bestemt hændelse i 2010 i den geostationære bane illustrerer alle disse problemer. Det er den nu så berømte sag om satellitten Galaxy 15.
Galaxy 15 er en amerikansk kommunikationssatellit, der blev opsendt i 2005 til en plads på 133o vest, hvor den havde til opgave at sørge for kommunikation i Nordamerika. På et kort kan man se, at 133 graders vestlig længde på ækvator er et sted ude over Stillehavet – men der er en fin udsigt til USA, hvilket jo er det afgørende.
5. april 2010 mistede man kontrollen med satellitten, som nu begyndte at drive i banen. Desværre kunne man ikke slukke for satellitten, og det betød, at den langsomt drev mod øst, hen forbi andre satellitter, som brugte samme frekvensområde.
Langsomt og roligt passerede Galaxy 15 forbi en anden satellit AMC-11 mellem 23. maj og 7. juni. Men man undgik interferens mellem signalerne, fordi man kunne flytte lidt på AMC-11.
Og sådan fortsatte Galaxy 15 med tætte passager forbi flere satellitter i løbet af efteråret. Da man endelig fik kontrol over satellitten igen, var den drevet mere end 30 grader mod øst, hen til et område omkring 100 grader vest, hvilket er lidt vest for Galapagos-øerne. Men den fik generet en del satellitter undervejs, fordi man ikke kunne slukke for Galaxy 15.
Denne hændelse viser, hvor vigtigt det er at blive på sin plads, hvis ikke de forskellige satellitter skal forstyrre signaler fra andre satellitter. Men det endte heldigvis, som det skulle: Man fik flyttet Galaxy 15 tilbage til sin plads på 133o vest.
