Dünya yörüngesinde yaklaşık 15.000 uydu bulunuyor. Uluslararası Uzay İstasyonu ve Hubble Teleskobu gibi birçoğu Dünya yüzeyinden yaklaşık 2.000 kilometre (1.200 mil) yükseklikteki alçak Dünya yörüngesinde (LEO) yer alıyor. Ancak giderek daha fazla uydu LEO’ya fırlatıldıkça -SpaceX'in Starlink internet uydu takımı bile sonunda binlerce uyduyu daha oraya gönderecek- bölge biraz kalabalıklaşıyor. Bu nedenle kalabalığı hafifletmeye yardımcı olma potansiyeline sahip, Dünya’ya daha da yakın başka bir yörüngenin varlığı sevindirici. Buna VLEO veya çok alçak Dünya yörüngesi deniyor ve Dünya yüzeyinden sadece 100 ila 400 kilometre (60 ila 250 mil) yükseklikte bulunuyor.

İnsan varlığını Dünya’nın ötesine genişletmek için teknolojiler geliştiren bir mühendis ve profesör olarak çok alçak Dünya yörüngesindeki (VLEO) uyduların daha yüksek irtifadaki uydulara göre avantajlar sunduğunu söylemek mümkün. Diğer faydalarının yanı sıra, VLEO uyduları daha yüksek çözünürlüklü görüntüler, daha hızlı iletişim ve daha iyi atmosferik bilim verileri sağlayabiliyor.

Çok Alçak Dünya Yörüngesinin Avantajları
Çok alçak Dünya yörüngesindeki uydulardan alınan görüntüler daha keskindir çünkü bu uydular, tıpkı bir tabloya daha yakından bakmanın onu daha iyi görmenize yardımcı olması gibi Dünya’yı daha yüksekteki uydulardan daha net görürler. Bunun sonucu olarak tarım, iklim bilimi, afet müdahalesi ve askerî gözetleme gibi alanlar için daha yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edilir. Uçtan uca iletişim de daha hızlıdır, bu da telefon ve internet hizmeti gibi gerçek zamanlı iletişim için idealdir. Sinyaller aynı hızda hareket ediyor olsalar bile kat etmeleri gereken mesafe daha kısadır, bu nedenle gecikme azalır ve konuşmalar daha sorunsuz gerçekleşir. Hava tahminlerinin çoğu, Dünya üzerindeki bulutların görüntülerine dayanır, bu nedenle bu görüntüleri daha yakından çekmek, daha yüksek çözünürlük ve tahmin için daha fazla veri anlamına gelir. Bu tür avantajlar nedeniyle devlet kurumları ve endüstri çok alçak Dünya yörüngesi uyduları geliştirmek için çalışıyor.

Temel Engellerden Biri: Atmosferik Sürükleme
Bu uzay bölgesinin, şimdiye kadar neden sürekli uydu operasyonları için pek tercih edilmediğini merak ediyor olabilirsiniz. Bunun en önemli nedeni atmosferik sürükleme. Uzay genellikle vakum olarak düşünülür. Peki uzay tam olarak nerede başlıyor? Yaklaşık 100 kilometre yükseklik -von Kármán çizgisi olarak bilinir- yaygın olarak başlangıç noktası olarak kabul edilse de uzayın aniden başladığı kesin bir geçiş noktası yok. Aksine Dünya’dan uzaklaştıkça atmosfer incelir. Uzayın nerede başladığı nispeten keyfi bir karar olsa da çoğu kişi bunu yaklaşık 100 kilometre yükseklik olarak kabul eder. Çok alçak Dünya yörüngesinde ve altında, Dünya atmosferi hâlâ uyduları yavaşlatacak kadar kalındır, bu da en düşük irtifalardaki uyduların birkaç hafta hatta günler içinde yörüngeden çıkmasına, yani Dünya'ya geri düşerken yanıp yok olmasına neden olur. Bu atmosferik sürtünmeyi dengelemek ve yörüngede kalmak için, rüzgâra karşı bisiklet sürmenin sürekli pedal çevirmeyi gerektirmesi gibi uydu sürekli olarak kendini ileriye doğru itmelidir.

Uzay içi itki sistemleri için uydular, yavaşlamayı önlemek amacıyla gereken itişi sağlayan çeşitli itici motorlar kullanırlar. Ancak alçak Dünya yörüngesinde, iticilerin neredeyse her zaman açık olması gerekir. Bu nedenle geleneksel iticiler hızla yakıt tüketir. Neyse ki VLEO'daki Dünya atmosferi hâlâ yeterince kalın olduğundan atmosferin kendisi yakıt olarak kullanılabilir.

Yenilikçi İtici Motor Teknolojileri
İşte tam bu noktada araştırmamız devreye giriyor. Penn State’te, Georgia Tech ile iş birliği içinde ve ABD Savunma Bakanlığı tarafından finanse edilen ekibimiz, 70 ila 90 kilometre yükseklikte çalışmak üzere tasarlanmış yeni bir itki sistemi geliştiriyor. Teknik olarak bu irtifalar, çok düşük Dünya yörüngesinin bile altında kalıyor; bu da sürüklenmenin üstesinden gelmeyi daha da zorlaştırıyor. Yaklaşımımız, bisiklet sürerken ağzınızı sonuna kadar açmanız gibi, bir kepçe vasıtasıyla atmosferi topluyor ve ardından toplanan atmosferi ısıtmak için yüksek güçlü mikrodalgalar kullanıyor. Isınan gaz bir nozuldan dışarı atılıyor ve bu da uyduyu ileri doğru itiyor. Ekibimiz bu konsepte “hava soluyan mikrodalga plazma motoru” adını veriyor. Laboratuvarda, 80 kilometre yükseklikteki atmosfer basıncını simüle eden bir vakum odasında prototip bir motorun çalıştığını göstermeyi başardık. Bu yaklaşım nispeten basit olsa da özellikle atmosferin daha kalın olduğu düşük irtifalarda büyük potansiyel taşıyor. Atmosferin daha ince olduğu daha yüksek irtifalarda ise uzay araçları, geniş irtifa aralıklarını kapsamak için başkaları tarafından geliştirilen farklı tipte VLEO iticilerini kullanabilir. İtici motor teknolojisi üzerinde çalışan tek ekip biz değiliz. Bir örnek verelim. ABD Savunma Bakanlığı, kendi hava soluyan motor teknolojisine sahip Otter adlı bir VLEO uydusu geliştirmek için savunma yüklenicisi Red Wire ile ortaklık kurdu. Bir uyduyu VLEO'da tutmak için üzerinde çalıştığımız bir teknolojiden yararlanan bir başka seçenek de alçak yörüngedeki bir uyduyu daha yüksek yörüngedeki bir uyduya uzun bir kablo ile bağlamaktır. NASA böyle bir sistemi hiç uçurmamış olsa da 1990'larda uçurulan kablolu uydu sistemi görevlerinin devamı niteliğinde önerilen görev, uzay mekiğinden çok daha düşük bir yörüngeye, çok uzun bir kabloyla bağlı bir uyduyu sarkıtmaktı. Şu anda bu sistemin modifiye edilmiş bir formunun VLEO için çalışıp çalışmayacağını görmek üzere konuyu yeniden inceliyoruz.

Diğer Karmaşıklıklar
Sürüklenmeyi yenmek en zoru olsa da tek zorluk bu değil. Çok düşük Dünya yörüngesi uyduları, çoğu maddeyi hatta plastikleri bile hızla aşındıran, oksijenin oldukça reaktif bir formu olan atomik oksijene çok yüksek seviyelerde maruz kalır. Uydunun malzemeleri ayrıca 1.500 santigrat derecenin (2.732 Fahrenheit) üzerindeki aşırı yüksek sıcaklıklara dayanmalıdır çünkü atmosferde hareket ederken oluşan sürtünme onu ısıtır. Bu, tüm uzay araçlarının yörüngeden atmosfere yeniden girdiği sırada meydana gelen bir fenomendir. Bu uyduların potansiyeli, araştırmaları ve yatırımları tetikliyor ve önerilen görevler şimdiden gerçeğe dönüşmeye başladı. Juniper Research, sadece önümüzdeki üç yıl içinde 220 milyar dolar yatırım yapılacağını tahmin ediyor. Yakında internetiniz, hava tahminleriniz ve güvenliğiniz, VLEO uyduları sayesinde daha da iyi hale gelebilir.