Kosmiczny śmietnik i orbitalna ekologia

Jako ludzkość generujemy niesamowitą wręcz ilość odpadków. Podobny problem dotyczy także orbity okołoziemskiej. Masa kosmicznych śmieci stanowi poważne zagrożenie dla satelitów, ale na szczęście świadomość ekologiczna zaczyna rosnąć

Przerażający obraz żółwia ściśniętego wpół plastikową opaską, który przez lata rósł z nią tak, że jego pancerz wygląda dziś jak klepsydra. Unosząca się w wodzie folia, która wygląda jak meduza i tym samym staje się pokarmem morskich stworzeń. Żołądki morskich ptaków wypchane kawałkami śmieci. Takie obrazki już chyba mało kogo szokują, bo media od dawna są przepełnione alarmistycznymi informacjami o katastrofalnym zanieczyszczeniu mórz i oceanów.

Coraz więcej śmieci w kosmosie

Świadomość ekologiczna mieszkańców naszej planety powoli rośnie, ale jak jest z kosmosem? Na orbicie okołoziemskiej od czasów sputnika pojawiły się tysiące obiektów ziemskiego pochodzenia. To przede wszystkim satelity, ich szczątki oraz elementy rakiet nośnych, które po wyczerpaniu paliwa są odłączane od głównych modułów transportowych, a nawet rękawice czy skrzynki na narzędzia, które zdarzyło się zgubić astronautom podczas spacerów kosmicznych.

Przez całe dziesięciolecia problem zaśmiecenia orbity okołoziemskiej, w szczególności tzw. niskiej orbity (przestrzeń od 200 do 2000 km nad powierzchnią Ziemi), był ignorowany przez instytucje wynoszące swój sprzęt w kosmos. O niebezpieczeństwie informowali jednak naukowcy. W 1978 r. pracujący dla NASA Donald Kessler przestrzegał przed scenariuszem (później nazwanym syndromem Kesslera), w którym przy przekroczeniu masy krytycznej obiektów orbitalnych zderzenie dwóch dużych satelitów może wywołać niszczycielską reakcję łańcuchową.

W takim wariancie rozbite satelity czy inne konstrukcje rozdrabniają się na mniejsze, ale równie niebezpieczne części. Ich kolejne kolizje tworzą gigantyczną, rozpraszającą się chmurę materii, która niszczy wszystko na swojej drodze. Miłośnikom kina taki scenariusz rozwoju wydarzeń może się kojarzyć z filmem „Grawitacja”.

„To bardzo poważny problem. Najwięksi pesymiści sądzą, że miesiące lub lata dzielą nas od sytuacji, kiedy jedno zderzenie wywoła katastrofalną w skutkach reakcję łańcuchową, powodującą, że dany obszar orbity okołoziemskiej będzie niedostępny dla satelitów. Jeśli chodzi o koszt takiego zdarzenia, to mówimy o stratach idących w wiele miliardów dolarów, bo taka jest wartość przemysłu komicznego na niskiej orbicie okołoziemskiej. Zagrożenie jest takie, że kilka tysięcy satelitów  znajdujących się w tym rejonie nagle przestanie działać” – wyjaśnia Dominik Roszkowski z Politechniki Warszawskiej, zastępca koordynatora projektu studenckiego satelity PW-Sat2.

Mieć orbitę na oku

Najpoważniejszym zdarzeniem na orbicie, które na szczęście nie wywołało takiej reakcji łańcuchowej, była kolizja dwóch satelitów komunikacyjnych – merykańskiego i rosyjskiego – w 2009 r. Efektem było powstanie chmary większych i mniejszych odłamków, z których ponad tysiąc stanowiły szczątki większe niż 10 cm; kawałki o mniejszych rozmiarach trudno było w ogóle zliczyć.

W oceanach głównym kłopotem jest plastik, który rozpadł się na proszek, i którego nie da się już wyłowić. Z kolei w kosmosie realnym kłopotem są kosmiczne śmieci, które wielkością nie przekraczają nawet centymetra, ale przy gigantycznych prędkościach zderzeń na orbicie są niczym pociski.

Przyczyną zaśmiecania kosmosu są nie tylko nieszczęśliwe zderzenia działających obiektów. Głównym problemem są satelity, które już nie działają i dryfują po orbicie. Co gorsza, niektóre państwa przez nierozsądne działania przyczyniają się do pogłębienia kłopotów. Tak jak Chiny, które w 2007 r. postanowiły się pozbyć nieczynnego satelity meteorologicznego – z wielkim hukiem. Do tego celu wojsko wykorzystało rakietę balistyczną. Efekt to kilka tysięcy kawałków, których rozmiar pozwala na ich monitorowanie, ale także 150 tys. szczątek zbyt małych, by można było je śledzić.

To właśnie śledzenie w tym momencie jest kluczowym elementem ochrony przed wypadkami.

„Jesteśmy w całkiem niezłej sytuacji. Zarówno amerykańska agencja NORAD jak i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) dysponują radarami, które są w stanie namierzać obiekty do rzędu wielkości kilkunastu centymetrów, i one są śledzone” – tłumaczy Roszkowski.

„Nie zawsze jesteśmy w stanie wyśledzić wszystkie obiekty, czasami zdarza się tak, że dopiero na kilka godzin przed potencjalnym przelotem uzyskiwane są takie informacje, jednak działa to całkiem sprawnie. Otrzymujemy codziennie raporty, które mówią nam, jakie obiekty znajdą się w pobliżu naszego satelity, dzięki czemu jesteśmy w stanie reagować, a przynajmniej mieć świadomość zagrożenia dla satelity” – dodaje.

W jednym z takich projektów dotyczących monitorowania orbity – NEOSTEL, realizowanego pod egidą ESA – bierze udział polska firma Creotech, która konstruuje ekstremalnie czułą kamerę rejestrującą obraz z teleskopów.

Informacje z systemów alarmowania uzyskuje także Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, która od czasu do czasu wykonuje manewry wymijające. „Średnio raz w roku zdarza się, że w jej pobliżu przelatuje jakiś obiekt, a stacja musi wykonać taki manewr. Zdarzało się, że astronauci musieli się wówczas schować do kapsuły ewakuacyjnej” – wyjaśnia Dominik Roszkowski. Niemniej czasem jest i tak, że załoga nawet nie zdaje sobie sprawy z takich manewrów, bo są one dokonywane przez automat w czasie ich snu.

Posprzątać po sobie

Jest wiele projektów, które służą opracowaniu systemów sprzątania kosmosu z takich niebezpiecznych śmieci. Niestety, ciągle jeszcze są jedynie projektami.

„Jeszcze w czasach wahadłowców taki pojazd potencjalnie mógł się zbliżyć do satelity. Tak było na przykład w przypadku teleskopu Hubble’a, który został naprawiony na orbicie. A więc wahadłowiec – teoretycznie mógłby też zabrać niedziałającego satelitę z orbity” – przypomina rozmówca Holistic News.

Wahadłowce są już jednak przedmiotami muzealnymi, a obecnie działające rakiety załogowe służą głównie jako transport astronautów między Ziemią a Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Niemniej omawiane, a nawet testowane pomysły na sprzątanie, są całkiem interesujące. Jednym z najczęściej wymienianych jest stworzenie siatki, która wyłapywałaby śmieci, a następnie kierowała je albo w stronę atmosfery, by spadając się spaliły, albo na „orbitę cmentarną” – taką, na której nie znajdują się żadne czynne obiekty. Ta orbita znajduje się w bardzo dużej odległości od Ziemi i nie zagraża funkcjonującym satelitom. Jest swoistym śmietnikiem, ale stworzonym z premedytacją, a nie „dzikim wysypiskiem”, jak te powstające spontanicznie na niskiej orbicie.

Większy problem jest z najmniejszymi obiektami. Wprawdzie mówi się np. o systemach laserowych „odparowujących” milimetrowe odłamki, ale to – jak na razie – pomysł z gatunku twardego science fiction, nieosiągalny przy obecnych możliwościach technicznych.

Na dziś najskuteczniejszą i najbardziej rozpowszechnioną metodą radzenia sobie ze śmieciami jest: nie śmiecić. Zapewniają to systemy deorbitacyjne.

Gwiazdy spadające z nieba

Deorbitacja oznacza, że pod koniec życia satelity silniki lub inne systemy skierują go na kurs kolizyjny z planetą. Takie obiekty spalają się w atmosferze, a dla obserwatorów z Ziemi są jedynie spadającymi gwiazdami. Misja PW-Sat2 służyła właśnie przetestowaniu jednego z rozwiązań deorbitacyjnych – żagla o powierzchni czterech metrów kwadratowych.

„PW-Sat2 poleciał w kosmos 3 grudnia 2018 r. Misja była planowana na 40 dni. Mieliśmy więcej sesji komunikacyjnych, niż przewidywaliśmy, dzięki czemu misję udało się nam zrealizować znacznie szybciej – już pod koniec grudnia otworzyliśmy żagiel, co oznacza, że główna część misji właściwie zakończyła się z Nowym Rokiem” – relacjonuje Dominik Roszkowski.

„Druga część misji polegała na próbach utrzymania łączności i to także się nam udało. Wykonaliśmy również zdjęcia otwartego żagla” – podkreśla.

Tor lotu PW-Sat2 jest też stale monitorowany i – jak zaznacza Roszkowski – już teraz można zaobserwować znaczne obniżenie wysokości orbity, nawet mimo niepomyślnego wypadku – uszkodzenia powierzchni żagla obniżającego jego skuteczność o 30-50 proc.

„To oznacza, że satelita nie zdeorbituje w ciągu roku, ale w dwa lata” – dodaje zastępca koordynatora projektu.

Zwykle kosmiczne żagle działają na tzw. wiatr słoneczny, czyli na emitowane przez gwiazdę promieniowanie elektromagnetyczne. Ale żagiel satelity PW-Sat2 jest pod tym względem zaskakująco „mało kosmiczny”. „Żagiel hamuje satelitę, uderzając w cząsteczki gazów, które znajdują się w wysokich partiach atmosfery (400-700 km nad Ziemią). Panuje tam niesamowicie niskie ciśnienie, są jedynie pojedyncze cząsteczki wodoru, helu i innych lekkich gazów. Ciśnienie jest właściwie pomijalne, ale przy wystarczająco dużej powierzchni żagla i odpowiednio długim czasie może sprawić, że satelita deorbituje” – wyjaśnia.

System jest skuteczny, jeśli chodzi o urządzenia o wadze do 100 kg. Większe mają bezwładność kuli armatniej, a więc trudniej je przesunąć, często znajdują się także na wyższych orbitach, gdzie cząsteczek gazów jest już zbyt mało. W ich przypadku konieczna jest deorbitacja z użyciem silników.

Niepisane reguły i ekologiczna świadomość

Zdaniem Dominika Roszkowskiego „świadomość ekologiczna” w przemyśle kosmicznym rośnie, co oznacza, że wkrótce najprawdopodobniej wszyscy będą się stosować do niepisanych reguł, bo ogólnoświatowych regulacji nakładających obowiązek usuwania potencjalnych śmieci z orbity po prostu nie ma. ONZ rekomenduje, by satelity opuszczały swoje orbity w ciągu 25 lat po zakończeniu misji. Agencje kosmiczne i najwięksi gracze na rynku, na szczęście, zwykle przestrzegają tego postulatu.

„Moim zdaniem to kwestia najwyżej kilku lat, gdy wszystkie nowe misje będą 
miały na swoim pokładzie jakieś systemy deorbitacji” – przekonuje naukowiec.

Co jednak z tymi śmieciami, które już są na orbicie? Nikt nie wie, kiedy syndrom Kesslera się uruchomi, i czy w ogóle do tego dojdzie. Gramy więc w pewnym sensie w loterii, której stawką jest wart miliardy dolarów biznes i technologia mająca znaczący wpływ na nasze życie.

„Mam wrażenie, że przemysł nastawia się na to, że to zagrożenie można przeczekać. To kwestia 10, 20, może 30 lat, żeby te obiekty, które teraz są potencjalnym zagrożeniem, zdeorbitowały się siłami natury. Niektóre, niestety, pozostaną na orbicie jeszcze przez wieki” – uważa Roszkowski.