Kosmiczny pierścień z odpadków
Zapewne ta kwestia, co krąży na orbicie, nie zaprzątała także myśli Lottie Williams, mieszkanki amerykańskiego miasta Tulsa w stanie Oklahoma, która w 1997 r. wybrała się jak każdego dnia na spacer z psem. Została trafiona w ramię pewnym przedmiotem. Za tym zdarzeniem jednak nie stało niegrzeczne dziecko sąsiadów czy wiatr, który poderwał coś z ziemi. W ramię pani Williams uderzył… fragment drugiego stopnia rakiety Delta 2, który po kilku miesiącach przebywania na orbicie wszedł w atmosferę. W tym samym czasie kilkaset kilometrów od Tulsy, w teksaskim Georgetown, w ogródku jednego z mieszkańców wylądował inny fragment tej rakiety – stalowy zbiornik na paliwo, ważący, bagatela, ćwierć tony, a w Arabii Saudyjskiej znaleziono kolejny, siedemdziesięciokilogramowy, kawałek Delty.
Odkurzyć przestrzeń…
Temat kosmicznych śmieci pojawił się w popkulturze za sprawą filmu „Grawitacja”, a to chyba znaczy, że sprawa jest poważna. Ziemię otacza bowiem swoisty pierścień kosmicznych odpadków. Zużyte części rakiet, nieaktywne satelity, setki tysięcy innych odpadków powstałych w trakcie podboju przestrzeni wokółziemskiej – to wszystko stanowi zagrożenie dla nowych misji orbitalnych, a także dla setek krążących już satelitów wojskowych, komercyjnych czy cywilnych, ponieważ nawet milimetrowy okruch może zniszczyć jakiś podsystem na ich pokładzie. Załoganci Międzynarodowej Stacji Kosmicznej kilka razy stawali już w obliczu takich zagrożeń, szukając ratunku przed nimi choćby na pokładzie zacumowanego do ISS statku transportowego. Szacuje się, że wokół naszej planety krąży 170 mln fragmentów mających średnicę powyżej 1 mm. W tym jest ok. 670 tys. o średnicy 1–10 cm oraz prawie 30 tys. większych.
Trajektorie, po których poruszają się space junks (nazywane także space debris), muszą być monitorowane i uwzględniane przy planowanych misjach. Jednym z opcjonalnych programów realizowanych przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), a służących monitorowaniu „obiektów śmieciowych”, a także zaprojektowaniu manewrów ich omijania (Collision Avoidance Manouver), jest system SST (Space Surveillance and Tracking) bazujący na technice pomiarów laserowych. Może bowiem dojść do… kolizji na orbicie. 10 lutego 2009 r. doszło do takiego zdarzenia na wysokości 800 km nad Syberią. Amerykański satelita komunikacyjny Iridium 33 zderzył się z rosyjskim Kosmosem 2251. Dwa lata wcześniej, 11 stycznia 2007 r., chińskie siły zbrojne przetestowały skutecznie broń antysatelitarną, niszcząc swojego nieczynnego już satelitę meteorologicznego. Ale satelity i rakiety czasami eksplodują. W 2000 r. w taki sposób zakończyła żywot chińska rakieta Długi Marsz 4, a 25 sierpnia 2017 r. – indonezyjski satelita telekomunikacyjny. Efekty tych zdarzeń są łatwe do odgadnięcia – chmara nowych orbitujących śmieci. Eksperci już kilka lat temu sygnalizowali, że liczba kosmicznych fragmentów osiągnęła poziom krytyczny i coś należy z tym zrobić. Oczywiście nie wchodzi w grę zaprzestanie umieszczania na orbicie satelitów. Należy raczej odkurzyć przestrzeń z największych śmieci. – Obecnie sytuacja nie jest tragiczna – mówi dr hab. inż. Karol Seweryn z Centrum Badań Kosmicznych PAN – ale kolejny wypadek podobny do tego z 2009 r. może spowodować znaczący wzrost liczby kosmicznych śmieci.
Odłowić śmieci
Takie zadanie postawiła sobie Europejska Agencja Kosmiczna. W ramach misji e.Deorbit w 2023 r. zostanie podjęta próba ściągnięcia ważącego 8 t największego cywilnego satelity Envisat, z którym utracono kontakt w kwietniu 2012 r. – Projekt ten ma służyć do zademonstrowania technologii przechwycenia nieaktywnego satelity (śmiecia kosmicznego), wykorzystywanej później w ramach systemu Space Tug, który pozwoli na komercyjny monitoring, serwisowanie czy usuwanie nieczynnych satelitów. W ramach misji mają być przetestowane dwa sposoby przechwycenia obiektu, z którym nie ma kontaktu: robotyczne ramię oraz technologia wykorzystująca siatkę – tłumaczy dr Karol Seweryn. Przy znaczącym wzroście liczby śmieci problemu nie rozwiąże ich monitorowanie, ponieważ takich obiektów będzie zbyt dużo, aby skutecznie je omijać. – Na takie sytuacje musimy być przygotowani. W razie zagrożenia nie będzie przecież możliwe wysłanie misji kosmicznej w kilka tygodni czy nawet miesięcy. Z tego powodu od dawna trwają prace nad systemem radzącym sobie z usuwaniem śmieci kosmicznych przy użyciu manipulatorów, sieci czy harpunów – kontynuuje dr Seweryn.
Pomysł z robotycznym ramieniem ma polegać na tym, że manipulator umieszczony na satelicie pościgowym, sześć razy mniejszym niż przedmiot do „upolowania”, ma chwycić pierścień zainstalowany na ośmiotonowym urządzeniu, służący do wynoszenia aparatu na orbitę na pokładzie rakiety. Satelita pościgowy, po zbliżeniu się do Envisat, będzie musiał dostosować prędkość i położenie do obracającego się obiektu. W drugiej fazie operacji Envisat zostałby ze swej orbity na wysokości ok. 800 km przeniesiony na trajektorię, która sprowadzi go w atmosferę.
W przypadku koncepcji z harpunami zapał pomysłodawców został ostudzony przez niepowodzenie analogicznego rozwiązania w misji Rosetta. Wtedy harpuny, które miały zakotwiczyć lądownik Philae na powierzchni komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko, nie zadziałały. Rozwiązanie to należało więc nieco zmodyfikować. Rozważane jest np. odpalenie (ze statku, który zbliży się do nieczynnego satelity) harpunów z odległości 5–10 m, a następnie, po ich zakotwiczeniu w konstrukcji i ustabilizowaniu, ciągnięcie satelity za statkiem. Podobnie ma wyglądać operacja z wykorzystaniem siatki, z tym że Envisat zostałby nią po prostu opleciony. I to ostatnie rozwiązanie ma niebagatelny atut w postaci niższych kosztów. – Przedsiębiorstwa i instytuty z Polski biorą udział w kolejnych fazach misji e.Deorbit, m.in. budując chwytak manipulatora, prototyp siatki, opracowując elementy nawigacji satelity czy prowadząc testy całego systemu na stanowiskach badawczych – mówi dr Seweryn.
Ciekawą metodę czyszczenia orbity przedstawił Hao Jiang ze Stanford University. Forsuje on pomysł kosmicznych chwytaków wykorzystujących rozwiązania podpatrzone w naturze – u gekonów, wyposażonych w niezwykle chwytne odnóża. Ta technologia być może zostanie wprowadzona przez Amerykanów przy okazji Restore-L, inicjatywy, w której ramach testowane będą sposoby naprawy i przywrócenia do użytku nieaktywnych satelitów.
Na serwisowaniu satelitów na niskiej orbicie (160– 1900 km) koncentruje swoje prace Space Systems Loral z Palo Alto (USA). Zapewne tą misją nie zostanie objęty satelita Vanguard 1, który został wystrzelony w 1958 r. i jest najstarszym wytworem ludzkich rąk, jaki wciąż krąży nad naszymi głowami.
Ostatnia droga
Kosmiczne śmieci zagrażają czynnym satelitom, ale też… samolotom. 27 marca 2007 r. fragmenty rosyjskiego urządzenia szpiegowskiego opadały blisko jednej z maszyn rejsowych. Stacje orbitalne po latach pracy również kończą żywot. Te potężne konstrukcje, tak jak większe satelity, przetrwają lot w atmosferze, czyli ich elementy tylko w małej części ulegną spaleniu. W procesie kontrolowanej deorbitacji obsługa naziemna stara się trafić wrakiem w odpowiednie miejsce na Oceanie Spokojnym, 4 tys. km na południowy wschód od Nowej Zelandii. Duża głębokość tego akwenu i odległość od morskich szlaków komunikacyjnych stanowi o atrakcyjności tej lokalizacji jako podwodnego składowiska orbitalnych wraków. Na tym kosmicznym cmentarzysku spoczywa ich już sporo, m.in. 130-tonowy kompleks Mir. Zapewne dołączą tam następne (Międzynarodowa Stacja Kosmiczna), choć czasami podczas ściągania z orbity następuje ich defragmentacja, grożąca upadkiem poszczególnych kawałków w różnych miejscach na powierzchni Ziemi. Podczas wycofywania europejskiego statku ATV w 2013 r. wydano ostrzeżenie o możliwości rozrzucenia jego fragmentów w Nowej Zelandii i Chile. Alternatywnym rozwiązaniem wobec „sprowadzenia szczątków na ziemię” jest odesłanie satelity na emeryturę na tzw. orbitę cmentarną, umiejscowioną 2 tys. km powyżej orbity geostacjonarnej (38 tys. km). Ocenia się, że ilość paliwa potrzebnego do wykonania takiego manewru pozwoliłaby obiektowi utrzymać się na swojej dotychczasowej orbicie jeszcze przez kilka miesięcy – mimo wszystko jest to zabieg tańszy od deorbitacji, przynajmniej jeśli chodzi o urządzenia krążące daleko od Ziemi.
Koniec misji Tiangong-1
Aktualnie nad naszymi głowami kończy się misja Tiangong-1, jednomodułowej, ośmiotonowej chińskiej stacji kosmicznej, nad którą stracono panowanie. Moduł nie jest już prawidłowo zorientowany ku Słońcu, co spowodowało, że panele słoneczne nie zasilają pokładowych baterii i systemów. Schodzenie konstrukcji z orbity odbywa się więc w sposób niekontrolowany. Wiadomo, że szczątki spadną na Ziemię w pierwszym kwartale 2018 r., ale dokładne przewidzenie tego momentu nie jest możliwe. Kilka lat temu w podobnym stylu zakończył żywot sześcioipółtonowy UARS, a miejsce jego „pochówku” nie jest dokładnie znane.
Jak wyglądają kwestie prawne dotyczące wydarzeń związanych z kosmicznymi śmieciami? – Zgodnie z konwencją międzynarodową państwo wypuszczające obiekt kosmiczny jest odpowiedzialne za szkody, które ten wyrządzi na powierzchni Ziemi lub statkowi powietrznemu podczas lotu – mówi Kamil Dobrowolski z kancelarii Kaczor Klimczyk Pucher Wypiór Adwokaci Spółka Partnerska. – Państwo odpowiadałoby za wyrządzoną szkodę także wtedy, gdyby wynikła ona z powodu wadliwej konstrukcji czy błędnego operowania obiektem z Ziemi – wyjaśnia. Odpowiedzialność spada na państwo również w przypadku, kiedy szkoda powstała wskutek działania na jego terenie prywatnej firmy wypuszczającej obiekt kosmiczny. Choć oczywiście może ono odzyskać od firmy na drodze sądowej koszty związane z odszkodowaniami.
Śmiecioszpiedzy i rezerwuary części
Czasami za kosmiczne śmieci przebierają się satelity szpiegowskie. Umieszczony w pobliżu grupy orbitalnych odpadków aparat pozostaje przez jakiś czas nieaktywny, dopiero po uśpieniu czujności przeciwnika, który przestaje monitorować taki obłok, pojazd budzi się i rozpoczyna działalność szpiegowską. O takich działaniach niezdefiniowanego przeciwnika wspominał jeden z dowódców rosyjskich sił kosmicznych. Ale też i Rosjanie mają swoje za uszami. Kilka lat temu Amerykanie zorientowali się, że to, co brali za kosmiczne śmieci pozostałe po trzech rosyjskich satelitach wojskowych z serii Kosmos, jest zdolnym do wykonywania manewrów urządzeniem.
Krążą nad nami tony niepotrzebnego żelastwa. Czy naprawdę nie da się ich w jakiś sposób wykorzystać? Z oryginalnym pomysłem wystąpił Thomas Markusic z Firefly Space Systems. Postuluje on, by statek lecący na Marsa holował za sobą niektóre z martwych satelitów aż na orbitę Fobosa, tak aby ludzie z załogi marsjańskiej mogli skorzystać z surowców i komponentów po ich rozmontowaniu i przekonfigurowaniu do postaci potrzebnego im oprzyrządowania. Często bowiem sprzęt na pokładzie satelity jest sprawny, ale naprawa aparatu czy uzupełnienie paliwa nie są możliwe. – Ze względu na degradację elementów mechanicznych i elektronicznych starych satelitów nie należy rozważać jako rezerwuaru czegokolwiek wartościowego, przynajmniej moim zdaniem – kontestuje ten pomysł dr Karol Seweryn. W niedalekiej przyszłości jednak serwisowanie satelitów stanie się rutynowym działaniem agencji kosmicznych czy prywatnych firm i rozważania dotyczące recyklingu stracą rację bytu.