Chiński satelita widzi 1/3 Ziemi. Zachód nie potrafi go skopiować

Na wysokości około 36 tys. km krąży chiński satelita, który nie musi czekać kilku dni na kolejny przelot nad interesującym obszarem. Przez znaczną część doby ma dostęp do ogromnego fragmentu Azji i Pacyfiku, a jego radar działa nocą, przez chmury i podczas ulewy. Jednak aby sygnał pokonał dziesiątki tysięcy kilometrów, Chińczycy zbudowali nadajnik o mocy przekraczającej 18 kW. Kluczowym składnikiem wzmacniaczy jest azotek galu – materiał, nad którego surowcowym zapleczem Pekin ma niemal pełną kontrolę.

Ludi Tance-4 01, znany również jako Land Exploration-4 01, trafił na orbitę jeszcze w sierpniu 2023 r. Chiny przedstawiły go jako pierwszy na świecie działający satelita z radarem z syntetyczną aperturą umieszczony na wysokiej orbicie geosynchronicznej. Stwierdzenie, że widzi 1/3 Ziemi, wymaga jednak doprecyzowania. Nie wykonuje jednego ostrego zdjęcia obejmującego oceany i całe kontynenty. Z wysokości około 36 tys. km ma geometryczny dostęp do ogromnej części powierzchni planety, ale radar obrazuje wybrane pasy oraz obszary.

To nadal gigantyczna przewaga w porównaniu z typowym satelitą radarowym na niskiej orbicie okołoziemskiej. Taki obiekt porusza się zwykle kilkaset kilometrów nad powierzchnią i przelatuje nad celem przez kilka minut. Później odlatuje, a na kolejną okazję trzeba poczekać albo skorzystać z następnego satelity należącego do większej konstelacji.

Chińska maszyna pozostaje natomiast nad tym samym rozległym regionem. Czas ponownej obserwacji konkretnego obszaru można dzięki temu skrócić z dni do godzin. Szerokość pasa obrazowania wzrasta zaś z setek do tysięcy kilometrów.

Nie jest to satelita geostacjonarny idealnie nieruchomy nad jednym punktem równika. Porusza się po nachylonej orbicie geosynchronicznej i z perspektywy obserwatora na Ziemi kreśli na niebie kształt przypominający cyfrę 8. Po każdym obiegu wraca jednak do podobnego układu względem powierzchni planety.

Zwykła kamera rejestruje światło odbite od powierzchni. Radar SAR najpierw sam wysyła impulsy mikrofalowe, a następnie nasłuchuje ich niezwykle słabego echa. Fale trafiają w ziemię, budynki, wodę, roślinność albo pojazdy. Część energii odbija się i wraca do anteny. Komputer łączy wiele kolejnych pomiarów, wykorzystując ruch satelity do stworzenia obrazu o rozdzielczości znacznie lepszej, niż sugerowałyby fizyczne rozmiary pojedynczej anteny.

Dzięki temu radar może obserwować powierzchnię nocą i przez chmury. Nie zobaczy świata tak, jak ludzkie oko, ale pokaże kształty obiektów, wilgotność gruntu, zmiany ukształtowania terenu, zasięg powodzi albo pozycję dużej jednostki pływającej.

Problem zaczyna się wraz z odległością. Sygnał z Ludi Tance-4 01 musi przelecieć około 36 tys. km w stronę Ziemi, odbić się od celu, a następnie pokonać podobną drogę powrotną. Echo słabnie dramatycznie, więc radar potrzebuje ogromnej anteny, bardzo czułego odbiornika i potężnego nadajnika.

Chińczycy zastosowali rozkładaną, pierścieniową antenę reflektorową współpracującą z układem fazowanym. Sama konstrukcja musiała po starcie otworzyć się na orbicie, zachować właściwy kształt i bardzo precyzyjnie kierować wiązkę. Nawet niewielkie odkształcenie albo błąd ustawienia z odległości dziesiątek tysięcy kilometrów oznaczałby znaczące przesunięcie obserwowanego obszaru.

Nowe szczegóły poznaliśmy dzięki pracy specjalistów z Xi’an Institute of Space Radio Technology, którzy opisali wzmacniacze mocy pracujące na pokładzie satelity. Pojedynczy moduł impulsowy dostarcza 800 W mocy w paśmie L. Współpracujące urządzenia pozwalają całemu systemowi radarowemu osiągnąć ponad 18 kW. To nie oznacza oczywiście, że satelita bez przerwy zużywa taką moc. Radar wysyła krótkie, bardzo silne impulsy, a później czeka na wracające echo.

Wzmacniacze osiągnęły sprawność dodaną mocy na poziomie 50,3 proc. W przypadku sprzętu pracującego w próżni nie jest to jedynie liczba dla elektroników. Energia, która nie zamienia się w użyteczny sygnał radiowy, staje się ciepłem. Na Ziemi można zamontować wentylator albo duży radiator chłodzony powietrzem. W kosmosie ciepło trzeba rozprowadzić po konstrukcji i wypromieniować. Im mniej wydajny wzmacniacz, tym większego układu zasilania i chłodzenia potrzebuje satelita.

Do tego dochodzą gwałtowne impulsy poboru energii. Chińscy konstruktorzy musieli stworzyć zasilanie klasy 10 kW, zabezpieczyć elektronikę przed wahaniami napięcia oraz sprawić, aby cały system działał przez lata bez możliwości wysłania serwisanta.

W doniesieniach o nowej pracy pojawia się stwierdzenie, że satelitę napędza gal. Nie jest to do końca prawda. Energii dostarczają panele słoneczne i system zasilania. Gal nie jest paliwem ani kosmiczną baterią. Wykorzystano go jednak do produkcji azotku galu, czyli GaN. Z tego materiału powstają tranzystory zdolne pracować z dużą mocą, wysokim napięciem i częstotliwościami używanymi przez systemy radarowe.

W porównaniu z klasycznym krzemem GaN pozwala budować mniejsze, bardziej wydajne wzmacniacze, które lepiej znoszą wysoką temperaturę. To przydatne w ładowarkach, stacjach telefonii komórkowej i samochodach elektrycznych, ale w radarach jego zalety stają się szczególnie cenne.

Warto przy tym jednak trochę uporządkować nazewnictwo. Gal jest metalem krytycznym i stosunkowo rzadkim, lecz nie należy do grupy metali ziem rzadkich. Zwykle nie wydobywa się go też z osobnych kopalń. Powstaje przede wszystkim jako produkt uboczny przetwarzania boksytów na aluminium oraz części rud cynku.

Według najnowszych danych amerykańskiej służby geologicznej Chiny odpowiadały nawet za 98 proc. światowej produkcji pierwotnego galu. Nie oznacza to, że 98 proc. wszystkich złóż znajduje się właśnie tam. Pekin zbudował za to ogromne zdolności odzyskiwania, oczyszczania i przetwarzania metalu.

To przewaga znacznie trudniejsza do nadrobienia, niż samo znalezienie skały zawierającej odpowiedni pierwiastek. Potrzebne są rafinerie, energia, chemikalia, doświadczeni pracownicy, odbiorcy oraz gotowość do prowadzenia działalności, która przez lata może być mało opłacalna.

W sierpniu 2023 r., a więc w tym samym miesiącu, w którym wystrzelono Ludi Tance-4 01, Chiny wprowadziły licencje eksportowe na produkty związane z galem i germanem. Później przepisy dodatkowo zaostrzano, szczególnie wobec odbiorców ze Stanów Zjednoczonych i zastosowań podwójnego przeznaczenia.

Jak pisaliśmy w tekście: USA i Japonia położą łapę na metalach ziem rzadkich. Mamy przekichane, zachodnie państwa próbują budować własne łańcuchy dostaw krytycznych surowców. Samo uruchomienie kopalni nie rozwiązuje jednak problemu, jeżeli wydobyty materiał nadal trzeba wysłać do Chin na oczyszczanie i dalsze przetwarzanie.

Gal jest wręcz podręcznikowym przykładem takiej zależności. Zachód zna jego zastosowania i produkuje zaawansowane układy GaN, ale surowcowa podstawa rynku pozostaje ekstremalnie skoncentrowana.

Amerykańskie, europejskie i japońskie firmy od lat wytwarzają tranzystory z azotku galu. GaN trafia do radarów wojskowych, systemów walki elektronicznej, łączności i sprzętu kosmicznego. Nie ma jednak publicznie znanego zachodniego satelity SAR o możliwościach i orbicie bezpośrednio odpowiadających Ludi Tance-4 01.

Główną barierą jest cały system. Potrzebna jest bardzo duża, rozkładana antena, zasilanie dostarczające potężne impulsy, skuteczne odprowadzanie ciepła, precyzyjna kontrola położenia i dokładne wyznaczanie orbity. Do tego dochodzi obróbka słabego echa przechodzącego przez jonosferę, korekcja zakłóceń oraz ogromna ilość danych.

Innymi słowy, nie wystarczy kupić worka galu i wysłać go do fabryki satelitów. Chińczycy połączyli materiał, mikroelektronikę, konstrukcję anteny, energetykę, algorytmy i zaplecze przemysłowe w jednym programie. Nie wiemy również, jakie systemy pozostają tajne. Państwa raczej nie publikują pełnych parametrów najważniejszych satelitów wywiadowczych, więc porównywanie opiera się wyłącznie na jawnie znanych konstrukcjach.

Europa i Stany Zjednoczone rozwijają teraz przede wszystkim konstelacje satelitów radarowych na niskich orbitach. Zamiast jednego ogromnego obserwatora znajdującego się 36 tys. km nad Ziemią wysyłają wiele mniejszych maszyn przelatujących znacznie bliżej powierzchni.

Tak działa m.in. ICEYE. Niewielkie satelity SAR potrafią wykonywać obrazy o rozdzielczości sięgającej kilkudziesięciu centymetrów. Polski system wojskowy wykorzystuje całą konstelację, aby możliwie szybko zamawiać kolejne obserwacje.

Niska orbita daje znacznie lepszą rozdzielczość przy mniejszej mocy nadajnika. Utrata jednej maszyny nie niszczy całego systemu, a kolejne satelity można regularnie wymieniać na nowsze. Wadą jest jednak przede wszystkim brak stałego dostępu do jednego obszaru. Nawet duża konstelacja musi odpowiednio ustawić przeloty i podzielić czas pomiędzy klientów. Chiński satelita może natomiast znacznie częściej wracać do obszaru znajdującego się w jego strefie obserwacji.

Zobacz także:

Europa również rozwija duże radary pasma L. Jak pisaliśmy w tekście: Europa buduje radarowego potwora. Pokazali, jak rozkłada się gigant, satelita ROSE-L otrzyma 11-metrową antenę i będzie obserwował ląd, lód oraz oceany. Nadal ma jednak pracować na niskiej orbicie, a więc reprezentuje inną filozofię działania.

Chińska konstrukcja nie jest po prostu lepszą wersją zachodniego satelity. Jest narzędziem zoptymalizowanym do częstego i szerokiego monitorowania ogromnego regionu kosztem szczegółowości obrazu.