Kontrolsüz düşen uydunun saati: Sinir ağı ve yörünge fiziği birlikte tahmin ediyor

Yörüngede ömrünü tamamlayan uydular ve roket gövdeleri çoğu zaman kontrolsüz biçimde atmosfere düşer ve nereye ineceklerini önceden söylemek zordur. Endonezya Ulusal Araştırma ve İnovasyon Ajansı'nın (BRIN) Uydu Teknolojisi Araştırma Merkezi'nin öncülük ettiği, Bandung Teknoloji Enstitüsü'nün de katıldığı bir ekip, bu düşüşlerin saatini tahmin etmek için yörünge fiziğini bir yapay sinir ağıyla birleştiren bir yöntem geliştirdi. Acta Astronautica'da yayımlanan çalışmayı, yazarlardan Khalifa Üniversitesi'nden (BAE) uygulamalı matematikçi Denys Dutykh 16 Ekim'de kaleme aldığı yazıda anlattı.

Bir dakikalık hata, 460 kilometre

Sorunun özü hız. Ömrünün sonuna yaklaşan alçak yörüngedeki bir cisim hâlâ saniyede yaklaşık 7,8 kilometre hızla ilerliyor. Dutykh'in hesabına göre düşüş saatindeki bir dakikalık hata, düşüş yerini yörünge boyunca yaklaşık 460 kilometre kaydırıyor; bir saatlik hata ise yaklaşık 28.000 kilometreye, yani Dünya'nın çevresinin üçte ikisine denk geliyor. Bu yüzden "nereye" sorusunun cevabı "ne zaman" sorusundan geçiyor.

Güneşle birlikte nefes alan atmosfer

Bu cisimleri aşağı çeken şey, üst atmosferin seyrek havasının yarattığı sürtünme. Güneş etkinleştiğinde üst atmosfer ısınıp genişliyor, belli bir yükseklikteki hava yoğunlaşıyor ve alçak yörüngeler daha hızlı küçülüyor. Güneş'in etkinliği yaklaşık 11 yıllık bir döngüyle iniş çıkış gösteriyor.

Havanın bir cismi ne kadar yavaşlattığı "balistik katsayı" denen değerle ölçülüyor: cismin sürüklenme katsayısı ile kesit alanının çarpımının kütlesine bölümü. Küre biçimli kompakt bir cisim havaya her yönden aynı yüzü gösterir. Takla atan bir roket gövdesi ya da geniş güneş panelli bir uydu ise her an farklı bir yüz gösterir, dolayısıyla katsayısı sürekli değişir. Yaygın bir basitleştirme bu katsayıyı geçmiş izleme verilerinden tahmin edilen sabit bir değerde tutmak.

Yörünge için fizik, sürtünme için öğrenme

Ekibin fikri işi ikiye bölmek. Cismin hareketi Newton yasalarıyla hesaplanıyor: Dünya'nın kütleçekimi, basıklığı ve Güneş ile jeomanyetik etkinliğe göre çalışan standart bir üst atmosfer modelinden gelen sürtünme. Denklemi yazılamayan kısım, yani balistik katsayının nasıl değişeceği ise bir sinir ağına öğretiliyor.

Her cisim için önce 11 yıllık, yani tam bir Güneş döngüsünü kapsayan kamuya açık izleme verisinden katsayının geçmişi çıkarılıyor. Dizi verisi için tasarlanmış, "belleği olan" bir ağ, yalnızca o cisme özgü olarak, katsayıyı cismin geçmişinden ve Güneş ile jeomanyetik etkinlik tahminlerinden öngörmeyi öğreniyor. Tahmin sırasında iki parça sırayla çalışıyor: her üç saatte bir, jeomanyetik etkinlik endeksinin güncellendiği aralıkla, ağ yeni yörüngeyi alıp yeni bir katsayı veriyor. Hesap, atmosfere giriş eşiği sayılan 80 kilometrede duruyor. Ağ, rastgele parçaları kapatılarak 100 kez çalıştırılıyor; sonuçların yayılımı tahmin edilen saatin çevresinde bir belirsizlik penceresi veriyor.

Üç düşüş, üç sınav

Yöntem, daha önce düşmüş üç cisim üzerinde geriye dönük olarak sınandı:

• Kosmos-482: 1972'de Venüs'e iniş için fırlatılan, roketin üst kademesindeki arıza yüzünden 53 yıl Dünya yörüngesinde kalan Sovyet aracı 10 Mayıs 2025'te düştü. Tahmin 06.22 UTC (artı eksi 11,4 dakika); Roscosmos'un bildirdiği saat 06.24. Roscosmos'a göre araç Hint Okyanusu'na, Cakarta'nın batısına düştü.
• NEOWISE: NASA'nın 2009'da gökyüzünü haritalamak için fırlattığı, sonra asteroit ve kuyruklu yıldız avına yönlendirilen kızılötesi teleskobu. Tahmin 2 Kasım 2024, 00.54 UTC (artı eksi 7,8 dakika); görevin bildirdiği saat 00.49.
• Uzun Yürüyüş 4B üst kademesi: 2006'da fırlatılan Çin roketinin üst kademesi. Tahmin 26 Mart 2023, 22.45 UTC (artı eksi 13,2 dakika); parçaları İspanya'nın güneydoğusunda, Murcia ve Almería üzerinde 22.33 ile 22.36 arasında görüldü.

Üç durumda da bildirilen saat ekibin belirsizlik penceresinin içinde kaldı.

Değişken katsayı ne kazandırıyor?

Araştırmacılar aynı tahminleri balistik katsayıyı son tahmin edilen değerde sabitleyerek de tekrarladı. Küreye yakın Kosmos-482'de tahmin yalnızca beş dakika kaydı. Güneş panelleri ve güneşliği olan NEOWISE ile takla atmaya yatkın içi boş bir silindir olan roket kademesinde ise tahmin 31 ve 36 dakika geç çıktı; yani pencerelerin dışına ve bildirilen saatlerden daha uzağa düştü. Dutykh'e göre bu, değişken katsayının özellikle küresel olmayan cisimlerde fark yarattığını gösteriyor.

Sınırlar: hepsi geriye dönük

Bulguların en önemli sınırı, sınavların geriye dönük yapılması. Ajansların düşüşten sonra yayımladığı yeniden yapılandırmalar gibi, bu tahminler de düşüşten kısa süre öncesine kadarki izleme verilerini kullandı. Üç cisim az bir örneklem; üstelik her biri en az 11 yıl boyunca izlenmişti. Ekibe göre asıl sınav, hâlâ yörüngede olan ve izleme geçmişi daha kısa olan genç cisimleri önceden tahmin etmek olacak. Sıradaki çalışma da bu yönde.

Yörüngedeki cisim sayısı arttıkça kontrolsüz düşüşler daha sık gündeme geliyor. Yörüngedeki enkazın büyüyen riskini sinema üzerinden anlatan Gravity ve Kessler sendromu yazımız da bu konuya farklı bir açıdan bakıyor.