Śmieci na orbicie

Będzie to francuski koncern zbrojeniowy Airbus Defence and Space, który wraz z dziesięcioma firmami europejskimi utworzył konsorcjum do realizowania programu TeSeR – Technology for Self-Removal of Spacecraft. W ramach projektu ma powstać moduł do uprzątania starych satelitów.

Czytaj więcej

Jeremiadom nie ma końca. Ziemię otaczają setki tysięcy fragmentów rakiet i silników, nikt ich nie sprząta. Największe zagrożenie stanowią na niskiej orbicie, gdzie mogą uderzyć w statek kosmiczny, poruszając się z prędkością 30 tys. km/h. Przestrzeń kosmiczna wokół Ziemi staje się spektakularnym śmietnikiem.

Podczas 6. europejskiej konferencji poświęconej kosmicznym odpadom w Darmstadt w Niemczech w 2013 roku Heiner Klinkard, dyrektor biura do spraw odpadów orbitalnych Europejskiej Agencji Kosmicznej, rozdzierał szaty: „Od 1978 roku liczba kosmicznych odpadów potroiła się, wielokrotnie zwiększając ryzyko kolizji. Jeśli agencje kosmiczne nie zredukują swoich planów, a nie zamierzają tego robić, wprost przeciwnie, snują coraz to nowe projekty gwarantujące, że rytm wystrzeliwania rakiet z satelitami będzie przyspieszał, ilość kosmicznych śmieci będzie rosła lawinowo, już w połowie bieżącego stulecia prawdopodobieństwo kolizji zwiększy się 25-krotnie".

Nic, tylko siąść i płakać

Specjaliści alarmują, że śmiecie orbitujące wokół naszej planety są problemem o wiele poważniejszym, niż to się wydaje większości ludzi. Trzeba na nie patrzeć nie tylko jak na ekologiczną plagę, którą nasza planeta „zaraża" kosmos. One są w stanie wywołać konflikt polityczny, a nawet zbrojny – ostrzega rosyjski naukowiec Witalij Aduszkin z Rosyjskiej Akademii Nauk. Przy czym nie robi tego na jakimś niepoważnym portalu społecznościowym, ale na łamach poważnego, fachowego pisma „Acta Astronautica".

Kosmiczne śmiecie zbierają się w polu grawitacyjnym Ziemi od czasu wystrzelenia pierwszego sputnika w 1957 roku. Każda misja kosmiczna nieuchronnie kończy się tak samo – statki, rakiety po wyczerpaniu paliwa są porzucane, zderzają się z innymi obiektami, rozpadają na mniejsze części. Kosmonauci porzucają w przestrzeni osobisty sprzęt – kamery, odzież, przedmioty higieny osobistej, ponieważ transportowanie ich na Ziemię to niepotrzebne koszty.

Nawet niewielki fragment kosmicznego śmiecia zdolny jest do zniszczenia satelity czy stacji kosmicznej. Obsłudze naziemnej trudno ocenić, czy miał miejsce wypadek czy celowy atak. Właściciel satelity może uznać przypadkowe zderzenie za atak i odpowiedzieć ogniem. Prawdopodobieństwo realizacji takiego scenariusza jest duże. „Zagrożenie, jakie stanowią kosmiczne śmieci dla satelitów wojskowych, można określić jako szczególnie istotne politycznie z tego względu, że mogą one sprowokować zbrojny konflikt pomiędzy państwami, które realizują program kosmiczny" – stwierdza Witalij Aduszkin. Niestety, nie bez racji.

Dlatego światłe umysły, rozumiejące wagę problemu, z ogromnym zainteresowaniem i z nadzieją przyjęły wiadomość podaną 4 maja w Paryżu na specjalnie zorganizowanej konferencji prasowej, że Airbus Defence and Space stanęło na czele utworzonego konsorcjum, którego celem jest zbudowanie modułu do usuwania z orbity satelitów kończących żywot.

Na konferencji ogłoszono, że „moduł będzie praktycznie niezawodny, a zarazem tani w eksploatacji, będzie gwarantował, że wyeksploatowane satelity przestaną stwarzać zagrożenie".

Obiecanki cacanki?

Taki moduł, przymocowywany do każdego nowego satelity wynoszonego w przestrzeń, będzie w stanie sprowadzić go z orbity, gdy nadejdzie czas jego technicznej śmierci. Za pomocą modułu to samo można będzie zrobić ze starymi satelitami, nieczynnymi od lat, nad którymi już dawno utracono wszelką kontrolę.

Moduł będzie miał dwie możliwości. Pierwsza to wprowadzanie martwych satelitów na „orbitę parkingową" – nieco wyższą od orbity geostacjonarnej (36 tys. km), gdzie „zaparkowany" satelita będzie wprowadzany w stan pasywny; tym samym nie stworzy już żadnego zagrożenia kolizją z innym, żywym, ponieważ znajdzie się ponad strefą, w której umieszczane są ziemskie urządzenia.

Druga możliwość dotyczyć będzie urządzeń krążących wokół Ziemi na stosunkowo małej wysokości kilkuset kilometrów (na przykład Międzynarodowa Stacja Kosmiczna ISS od 404 do 429 km). Takich urządzeń nie opłaca się (za daleko) transportować na „orbitę parkingową". Będzie dużo łatwiej i taniej nieco je spowolnić, wyhamować, aby obniżały się stopniowo, wchodziły w górne warstwy atmosfery i tam się spalały, unicestwiały.

A jest co unicestwiać. Obiekt wielkości 10 cm jest w stanie całkowicie zniszczyć statek kosmiczny. Żaden pojazd nie jest na takie zdarzenie przygotowany. Podczas wspomnianej konferencji w Darmstadt przedstawiono raport ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) zawierający alarmujące liczby. Wokół naszego globu krąży 29 tys. odpadów wielkości ponad 10 cm, 670 tys. wielkości 1 cm i ponad 170 mln milimetrowych. W sumie na orbicie znajduje się 6500 ton kosmicznych śmieci (teraz już więcej, minęły trzy lata). Nawet jeśli kosmonauci wyrzucają w przestrzeń opakowania po żywności, zużyte części z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS, nie są w stanie aż tak zaśmiecić kosmosu. Zatem skąd się biorą w takiej ilości orbitalne śmiecie?

Po kolizji jednego z martwych rosyjskich satelitów z czynnym Iridium Communication Inc. powstało ok. 1500 szczątków pędzących z prędkością 7,7 km/s. Po nieudanej próbie wystrzelenia chińskiego satelity z urządzenia i rakiety pozostało na orbicie 150 tys. odłamków. W sierpniu 2012 r. nie udała się próba rosyjskiej rakiety Proton, która nie zdołała wynieść ładunku na orbitę geostacjonarną. Na wysokości 400 km jeden z silników zgasł, ciężkie satelity stały się wrakami, nad którymi nikt nie sprawuje kontroli. Po dwóch miesiącach wybuchło niezużyte paliwo w ostatnim członie rakiety. Po eksplozji powstał obłok złożony prawdopodobnie z setek tysięcy fragmentów wielkości od milimetra do metra.

Według danych sztokholmskiego Instytutu Badań nad Pokojem na wysokości od 800 do 1000 km krąży około 370 tys. rozmaitych odpadów. Strefę tę monitoruje NASA, ponieważ znajduje się w niej 120 „ważnych" (wojskowych) satelitów. Niestety, z monitorowania tego niewiele wynika, nie ma bowiem sposobu na zapobieganie kolizjom. Tymczasem okazji do zderzeń jest coraz więcej, skoro śmieci przybywa. Niszczycielską siłę może mieć nawet ułamek wielkości 1 cm pędzący z prędkością 50 tys. km/godz. Efekt uderzenia w Międzynarodową Stację Kosmiczną przypominałby wybuch granatu, na co absolutnie nie jest przygotowana ani stacja, ani żaden inny satelita.

Niszczenie satelitów przez śmiecie kosmiczne jest reakcją łańcuchową. Jeśli w porę nie zostanie przerwana, doprowadzi do tego, że pewnego dnia, pozornie bez powodu, przestaną działać telefony komórkowe, telewizja, GPS, nie będzie prognozy pogody. Któregoś dnia dowiemy się o tragedii w kosmosie, o śmierci kosmonauty pracującego na zewnątrz stacji, któremu satelitarny odłamek uszkodził skafander – ostrzega raport NASA przedstawiony Kongresowi USA.

W 2011 roku 8-tonowy Envisat, satelita do badań geofizycznych Europejskiej Agencji Kosmicznej, znalazł się na kursie kolizyjnym ze zużytym, blisko 4-tonowym członem chińskiej rakiety. Udało się przesunąć Envisat o 50 m, dzięki czemu nie doszło do powstania setek tysięcy odłamków, które rozbijałyby kolejne obiekty w reakcji łańcuchowej. Już w 1978 roku przed takim scenariuszem ostrzegał amerykański naukowiec Donald Kessler.

– Gdyby nawet w ogóle zaprzestać lotów kosmicznych, to i tak istnieje prawdopodobieństwo, że w ciągu najbliższych 200 lat dojdzie do 20 zderzeń. Ale przecież lotów kosmicznych nie zaprzestaniemy, dlatego inżynierowie ostrzegają, że wkrótce straty spowodowane w kosmosie przez śmiecie przewyższą korzyści płynące z umieszczania na orbicie rozmaitych urządzeń, głównie telekomunikacyjnych. Tylko w ostatnich latach zanotowano 250 kolizji i eksplozji – ostrzega Heiner Klinkrad z ESA.

Nie są to ostrzeżenia przesadzone. Ślady po uderzeniach miniaturowych odprysków farby z powłoki urządzeń satelitarnych obserwowano wielokrotnie na amerykańskich promach kosmicznych. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest największym sztucznym obiektem w kosmosie i dlatego jest najbardziej narażona na kolizje. Z tego powodu na zewnątrz stacji zamontowano specjalne osłony. Jednak chronią one tylko przed kosmicznym drobiazgiem. Na razie jedynym sposobem unikania kolizji z większymi obiektami jest zmiana położenia stacji, a to jest kosztowne i dezorganizuje działalność ISS.

– Praktycznie jedynym sposobem pozbywania się najgroźniejszych, dużych odpadów byłyby regularne misje w kosmos, aby zabierać z orbity co roku od pięciu do dziesięciu masywnych elementów. W przeciwnym razie to środowisko wymknie się nam spod kontroli – uważa amerykański ekspert Nicholas Johnson pracujący dla NASA.

Sprzątaczka potrzebna od zaraz

Może doczeka się realizacji tego postulatu właśnie dzięki modułowi, jaki ma powstać w ramach programu TeSeR – Technology for Self-Removal of Spacecraft.

Już w 2009 roku Biuro ONZ do spraw Przestrzeni Kosmicznej ogłosiło dyrektywy dotyczące redukcji kosmicznego złomu, zaleciło usuwanie nieczynnych satelitów, zużytych członów rakiet nośnych. Dyrektywy te, mimo że słuszne, do dziś pozostają na papierze, kosmiczni potentaci na razie nie wyszli poza zapowiedzi. Dlatego cała nadzieja (umiera ostatnia) na razie w konsorcjum utworzonym przez Airbus Defence and Space. Czy po drugiej stronie Atlantyku również pójdą po rozum do głowy? Agencja Zaawansowanych Obronnych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA (DARPA) planuje użycie satelitów wyposażonych w mechaniczne ramiona do chwytania odpadów. Projekt ten o nazwie „Feniks" zakłada budowanie na orbicie z odzyskanych elementów nadających się do powtórnego użycia nowych satelitów. Według wstępnych założeń sprzątanie miało się rozpocząć w 2015 roku, ale mamy już rok 2016 i nic w tej sprawie nie słychać. Na razie w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie jedynie „trwają prace nad rozwojem technologii umożliwiających montowanie nowych satelitów z nieczynnych". Papier jest cierpliwy.

Inicjatywa Europejskiej Agencji Kosmicznej o nazwie „Clean Space" też odnosiła się do roku 2015 i także ten termin nie został dotrzymany. ESA wprawdzie zapowiada, że w ciągu ćwierć wieku z niskiej orbity powinna zniknąć większość odpadów schwytanych w sieci, ale nie informuje o pracach zmierzających w tym kierunku.

Inżynierowie koncernu Boeing zaprojektowali rakietę mieszczącą duży zbiornik wypełniony gazem obojętnym, ksenonem lub kryptonem. Gaz byłby uwalniany specjalną dyszą w pobliżu kosmicznego odpadu. Obłok gazu spowoduje zmniejszenie prędkości, z jaką porusza się kosmiczny śmieć. Redukcja o 0,2 km/s. wystarczy, aby się obniżył, wszedł w atmosferę i spłonął. Rakieta z gazowym pojemnikiem mogłaby sprzątać już na wysokości 100 km. Mogłaby, ale nikt jej nie buduje.

Problem przyciąga także pojedynczych naukowców, wynalazców i pomniejsze laboratoria.

Na przykład zespół z brytyjskiego Uniwersytetu Surrey zbudował prototyp urządzenia CubeSail. Jest to sześcian o boku długości 30 cm, ważący 3 kg. Na orbicie ma rozkładać cienki plastikowy żagiel o powierzchni 25 metrów kwadratowych, służący do zbierania kosmicznych śmieci i kierowania ich w stronę powierzchni Ziemi, aby spłonęły w atmosferze. Prototyp nawet nie został wystrzelony w przestrzeń.

Naukowcy z Politechniki Warszawskiej zaprojektowali urządzenie PW-sat o wymiarach 10 x 10 x 11,3 cm. Na europejskich uczelniach zbudowano jeszcze sześć analogicznych urządzeń. Służą one do testowania sposobu usuwania śmieci z orbity. Urządzenia te rozwijają ogon długości 100 cm. Dzięki niemu przy wchodzeniu w atmosferę zwiększa się tarcie i obiekt ulega spaleniu. W taki ogon, w zamyśle polskich badaczy, powinien być wyposażony każdy satelita, aby po zakończeniu misji ogon ciągnął go ku atmosferze i ułatwiał unicestwienie. Program ten na razie nie wyszedł poza fazę testową, nie znalazł się chętny do finansowania ogonowej technologii.

Biorąc to wszystko pod uwagę, z tym większą uwagą należy przyglądać się poczynaniom (w nadziei, że nastąpią) konsorcjum dziesięciu europejskich firm: „Airbus Defence and Space rozpocznie realizowanie programu TeSeR – Technology for Self-Removal of Spacecraft – z własnych środków, ale podpisał również umowę o subwencji z programu »Horyzont 2020« – największego w historii programu finansowania badań naukowych i innowacji w Unii Europejskiej. Jego budżet w latach 2014–2020 wynosi 80 miliardów euro" – stwierdza komunikat Airbus Defence and Space. Dlatego może tym razem coś z tego będzie.