Kosmiczne śmieci

Wizualizacja rozmieszczenia kosmicznych śmieci wokół Ziemi. Widoczne jest zagęszczenie na niskich orbitach wokółziemskich i na orbicie geostacjonarnej (źródło: ESA)

Od początków ery kosmicznej 50 lat temu w przestrzeń kosmiczną wystrzelono ponad 5000 rakiet, które wyniosły łącznie ok. 6300 ton sprzętu. Wynoszone na ziemską orbitę satelity po upływie pewnego czasu przestają funkcjonować: wyczerpuje im się paliwo potrzebne do manewrowania, kończy się ich misja lub ulegają uszkodzeniu. Pozostają one na orbicie tworząc populację kosmicznych śmieci wraz z górnymi stopniami rakiet, odrzuconymi osłonami, zgubionymi częściami i pozostałościami po eksplozjach i kolizjach. Te z kosmicznych śmieci, które krążą nisko nad powierzchnią Ziemi (do 300 km) mają szansę spłonąć w atmosferze po niedługim czasie. Pozostała większość stanowi zagrożenie – zarówno dla już pracujących instrumentów, jak i dla przyszłych misji. Do jednego groźnego zdarzenia już doszło – w 2009 roku satelita telekomunikacyjny Iridium 33 zderzył się z nieaktywnym rosyjskim satelitą Kosmos-2251. Wykonywanie manewrów mających na celu uniknięcie kolizji z kosmicznymi śmieciami przez działające satelity należy już do codzienności.

Optical Ground Station (naziemna stacja optyczna) na Teneryfie służąca m.in. do obserwacji kosmicznych śmieci (źródło: ESA)

Z problemu zdano sobie sprawę dosyć wcześnie i wdrożono procedury takie jak programowa pasywacja: u progu śmierci satelity spala się pozostałe resztki paliwa i wyłącza wszystkie systemy zasilania by zminimalizować ryzyko eksplozji i (jeżeli to możliwe) ustawia się statek na trajektorii prowadzącej do spalenia się jego w atmosferze (tzw. deorbitacja). Śmieci są także obserwowane przy pomocy wyspecjalizowanych ziemskich stacji radarowych. W chwili obecnej w katalogu znajduje się ponad 23000 śledzonych obiektów, przy czym wykryte mogą być jedynie obiekty większe niż 5-10 cm na niskich orbitach okołoziemskich i większe niż 30-100 cm na orbitach geosynchronicznych.

Prognoza gęstości kosmicznych śmieci na niskiej orbicie wokółziemskiej. Widoczne jest zagęszczenie w okolicach orbit około-polarnych (źródło: ESA)

Nie są to jednak działania wystarczające – groźne mogą być już obiekty większe niż 1 mm – w 1983 roku uszkodzenie okna promu kosmicznego Challenger spowodowane zostało przez listek farby. Tak małe obiekty powstają przede wszystkim wskutek licznych kolizji pomiędzy samymi śmieciami. Obliczono, że gdyby wstrzymać wszelką działalność człowieka w przestrzeni kosmicznej ilość kosmicznych śmieci nadal wzrastałaby wykładniczo – właśnie na skutek zderzeń. Inne obliczenia wskazują, że usuwanie z orbity rocznie 5-10 obiektów o dużym ryzyku zderzenia ustabilizowałoby ilość śmieci na dzisiejszym poziomie. Dużym ryzykiem zderzenia charakteryzują się przede wszystkim duże nieaktywne satelity, krążące po orbitach o dużym nachyleniu (okołopolarnych) – ze względu na korzystne warunki obserwacji Ziemi są one wyjątkowo zatłoczone.

Logo inicjatywy CleanSpace, w ramach której podejmowane są działania zmierzające do ograniczenia ryzyka związanego ze śmieciami kosmicznymi (źródło: ESA)

Aby przeciwdziałać zaśmiecaniu środowiska kosmicznego i zwiększyć bezpieczeństwo przyszłych misji (zarówno naukowych jak i komercyjnych) pod egidą Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) powołana została inicjatywa CleanSpace. W ramach tej inicjatywy prowadzone są badania na temat technicznych możliwości aktywnego usuwania kosmicznych śmieci (ang. Active Debris Removal – ADR). Powstaje m. in. projekt swego rodzaju „kosmicznej śmieciarki” – autonomicznego pojazdu, którego celem będzie zbliżenie się do obiektu, przechwycenie go i doprowadzenie do kontrolowanego spalenia w atmosferze – deorbitacji, poprzez odpowiednią modyfikację jego orbity.

Wizualizacja przechwytywania nieaktywnego satelity za pomocą sieci (źródło: ESA)

Jedną z poważnie rozpatrywanych technik przechwycenia przeznaczonego do deorbitacji obiektu jest użycie sieci wystrzeliwanej z pojazdu-śmieciarki, która oplatałaby się wokół celu umożliwiając jego „odholowanie”. Dużą zaletą takiej sieci względem innych rozpatrywanych rozwiązań (m. in. robotyczne ramię) jest duża tolerancja sieci na kształt celu i jego ruch względem pojazdu – wszystkie kontrolowane zbliżenia w przestrzeni kosmicznej realizowane są w oparciu o dane telemetryczne transmitowane przez oba zbliżające się obiekty. W przypadku kosmicznego śmiecia pojazd będzie musiał polegać wyłącznie na własnych czujnikach (radarach, kamerach), co sprawi że zbliżenie się na małą odległość będzie bardzo trudne technicznie. Sieć będzie można wystrzelić już z odległości 50-100 m, a prędkości (postępowej i obrotowej) nie trzeba będzie bardzo dokładnie synchronizować – dzięki temu sterujący śmieciarką komputer będzie miał znacznie ułatwione zadanie.

Wizualizacja nieaktywnego już satelity obserwacyjnego Envisat, który jest jednym z możliwych celów pierwszej misji usuwania kosmicznych śmieci (źródło: ESA)

Celem pierwszej misji typu ADR (Active Debris Removal) może być Envisat – nieczynny od 2012 roku satelita obserwacyjny należący do ESA. Jest to największy w historii satelita cywilny – waży ponad 8 ton, a razem z panelami słonecznymi ma 26 m długości. Krąży po orbicie polarnej na wysokości ok. 770 km. Czas do jego naturalnej deorbitacji (na skutek hamowania przez resztkową atmosferę) jest szacowany na ok. 150 lat.