Patrz w górę. Stamtąd lecą śmieci
Był rześki poranek 22 stycznia 1997 r., gdy Lottie Williams, spacerując z przyjaciółmi po parku w Turley, ujrzała na niebie jasny rozbłysk, a chwilę później spadającą gwiazdę. Kronikarze nie odnotowali, jakie pomyślała wtedy życzenie, ale można założyć, że nie prosiła o to, by obiekt spadł prosto na nią. Był to niemal 13-centymetrowy kawałek czegoś, co wyglądało jak wysuszony poczerniały liść, ważący nie więcej niż pusta puszka po napoju. Dzięki dużej powierzchni przy małej wadze przybysz z niebios mógł opadać powoli, a pani Williams nic się nie stało. Przedmiot odbił się od ręki i spoczął w trawie.
Był to wykonany z włókna szklanego fragment drugiego stopnia rakiety Delta II, która dziewięć miesięcy wcześniej wyniosła na orbitę satelitę Sił Powietrznych USA i odtąd okrążała planetę stopniowo coraz niżej. Deformacja i osmalenie to skutek temperatury co najmniej 1,2 tys. st. C, do jakiej został podgrzany w trakcie niekontrolowanego wejścia w atmosferę. Kawałki rakiety opadły na Oklahomę i Teksas.
Lottie miała szczęście, ale prawdziwym fartem może się pochwalić farmer spod Georgetown. Na jego ranczo spadł – zaledwie 50 m od domu – największy fragment rzeczonej rakiety: zbiornik paliwa o masie ćwierci tony.
Znacznie mniej powodów do radości miała załoga frachtowca „Dai Chi Chinei”, który 5 czerwca 1969 r. przepływał przez wąską zatokę między wybrzeżem syberyjskiego Kraju Chabarowskiego a wyspą Sachalin. Jakiego trzeba mieć pecha, by statek kosmiczny uderzył w taką łupinę? Pływająca jednostka doznała poważnych uszkodzeń, a pięciu członków załogi zostało ciężko rannych. Szkody prawdopodobnie spowodowała rakieta, nad którą Sowieci stracili kontrolę na wczesnym etapie lotu. Oficjalnie się do niej nie przyznali, ale wysłali dwa okręty, by zebrały szczątki.
Wzrost planowany
Odkąd 4 października 1957 r. na orbitę trafił sztuczny satelita Sputnik 1, robi się na niej coraz ciaśniej. W samym tylko 2024 r. wystrzelono 263 rakiety (258 z sukcesem). 70 proc. stanowiły rakiety komercyjne. Tendencja jest stała – w 2023 r. było ich 65 proc., a w 2022 – 55 proc. Za ten wzrost odpowiadają głównie satelity komunikacyjne łączone w megakonstelacje, jak przekaźniki Starlink. Aż 95 proc. ze 145 amerykańskich rakiet, które oderwały się od Ziemi w 2024 r., to rakiety firmy SpaceX (138 startów). Większość z nich transportowała satelity, których liczba na orbicie wzrosła w ub.r. o ponad 1,3 tys. i dobija do 6 tys.
Oprócz SpaceX swoje megakonstelacje tworzą m.in. Eutelsat (OneWeb), Amazon (Project Kuiper) oraz chińskie korporacje SSST/Spacesail, Guowang i Shanghai Lanjian Hongqing Technology, które docelowo chcą mieć na orbicie ok. 40 tys. satelitów komunikacyjnych. W 2024 r. liczba sztucznych obiektów na orbicie wzrosła prawdopodobnie o ponad 3 tys. – do ok. 11,5 tys. Jeszcze w 2020 r. było ich 3371.
Oprócz nieczynnych satelitów i ich szczątków okrążają Ziemię części rakiet, kawałki aluminium, płatki farby odpryśniętej po uderzeniach mikrometeroidów lub odklejonej za sprawą promieniowania UV i zmian temperatury, krople chłodziwa z reaktorów rosyjskich satelitów szpiegowskich, a nawet upuszczone przez astronautów śruby i klucze do nich. Na szczęście skrzynka narzędziowa zgubiona w 2008 r. podczas spaceru kosmicznego przez astronautkę Heidemarie Stefanyshyn-Piper rok później spłonęła w atmosferze.
Większość kosmicznych śmieci znajduje się w promieniu 2 tys. km od powierzchni Ziemi, czyli na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Najwięcej – w paśmie 750–1 tys. km i na wysokości 1,4 tys. m. Od tego, jak wysoko krąży ten gruz, zależy, jak szybko wejdzie w atmosferę. Jeśli orbituje w odległości powyżej 1 tys. km, może minąć nawet ponad tysiąc lat, zanim spadnie na Ziemię lub spłonie po drodze. Śmieci z orbity oddalonej o 800 km będą krążyć przez stulecia. Za to te z pasma poniżej 600 km – przez zaledwie kilka lat. Mogą być mikroskopijne, mierzyć poniżej milimetra lub ważyć kilka ton. Wszystkie stanowią zagrożenie, bo nikt nie ma nad nimi kontroli i nie we wszystkich przypadkach wiadomo, gdzie i kiedy się ich spodziewać. Według obecnych szacunków agencji kosmicznych liczba śmieci o wielkości od 1 mm do 1 cm wynosi ok. 128–300 mln, obiektów w przedziale 1–10 cm – od 900 tys. do miliona, a gruzu o wielkości powyżej 10 cm – od 34 do 36,5 tys. Ostrożnie licząc.
To ilości olbrzymie, a przecież będą rosły. Trudno przewidzieć w jakim tempie, bo każde zderzenie większych obiektów może znacząco je zwiększyć. W ciągu zaledwie dwóch lat, w wyniku dwóch fatalnych kraks w 2007 i 2009 r., liczba orbitalnych odpadów wzrosła o ok. 70 proc.
Zderzenia oczekiwane
Jak wiele chińskich inicjatyw kosmicznych, także ta miała źródło w resentymentach wobec Stanów Zjednoczonych. W 1999 r. w ramach interwencji NATO w Jugosławii Amerykanie zbombardowali, tłumacząc to pomyłką, ambasadę chińską w Belgradzie. Państwo Środka doszło do wniosku, że sobie na to pozwoliły, bo uznały je za słabe, niezdolne do odwetu. Jedną z reakcji była decyzja o rozwijaniu programu gwiezdnych wojen.
11 stycznia 2007 r. Chiny przeprowadziły test rakiety zdolnej niszczyć obiekty orbitalne. Udany. Celem był satelita meteorologiczny FY-1C typu Fengyun o masie 750 kg, oddalony od Ziemi o 865 km. Rakieta balistyczna weszła na jego kurs, lecąc w przeciwnym kierunku, i zderzyła się z celem czołowo, przy prędkości własnej 8 km/s. Energia kolizji i wielkość satelity dały efekt, który przyprawił agencje kosmiczne o potężny ból głowy. Samych tylko najbardziej niebezpiecznych szczątków, o wielkości piłki golfowej i większych, skatalogowano ponad 3 tys., by śledzić ich ruch w przyszłości. Całkowitą liczbę pozostałości po FY-1C oszacowano na ok. 150 tys. W kwietniu 2011 r. szczątki satelity minęły Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) w odległości zaledwie 6 km.
Czy mogło być gorzej? 10 lutego 2009 r. satelita Iridium 33 z konstelacji obsługującej telefonię zderzył się z rosyjskim satelitą wojskowym Strieła, o nazwie katalogowej Kosmos 2251, nieczynnym od 1995 r. Innymi słowy 560 kg metalu trzepnęło w 950 kg metalu z hiperprędkością 11,7 km/s. Powstało 1,8 tys. odłamków o średnicy ok. 10 cm i większych – plus drobnica. 24 marca 2012 r. jeden z nich minął ISS w odległości 120 m. Sześciu członków załogi stacji schroniło się na ten czas w dwóch kapsułach Sojuz. Środek ostrożności jak najbardziej sensowny – według ekspertów Iridium 33 i Kosmos 2251 miały się minąć bezpiecznie w odległości 584 m. Eksperci generalnie zdają się mocno niedoszacowywać kosmiczne zagrożenia. Dwa lata wcześniej John Campbell z Iridium oceniał prawdopodobieństwo takiej kolizji na jeden do 50 mln.
A ono z każdym rokiem wzrasta, bo masa obiektów, które wynosimy na orbitę, jest większa od masy obiektów wchodzących w atmosferę. Obecnie krąży nad nami ok. 13,5 tys. ton artefaktów. To więcej niż masa wieży Eiffla (ok. 10 tys. ton). Szacuje się, że do 2030 r. na orbitę trafi dodatkowe 100 tys. satelitów. Każdy z nich kiedyś przestanie działać, zamieniając się w kosmiczny złom. Wzrośnie prawdopodobieństwo kolejnych kolizji, w wyniku których fragmentacja doprowadzi do powstania nowej chmury obiektów. Jak bardzo niebezpiecznych?
Apokalipsa przewidziana
Załóżmy, że kosmiczny śmieć o średnicy 1 mm jest kawałkiem aluminium o gęstości 2,7 g/cm sześc. i porusza się z prędkością 7 km/s, typową dla większości obiektów orbitalnych. Przy uderzeniu wyzwoli energię ok. 34,3 J. Wystarczającą, by przebić cienkie elementy satelity czy statku kosmicznego, jak panele słoneczne czy anteny. Specjalnie wzmocnione, m.in. tarczami Whipple’a („kanapka” z dwóch metalowych ekranów oddalonych od siebie o 10 cm, wypełniona tkaniną kevlarową), pomieszczenia ISS pozostaną bezpieczne, ale już zewnętrzne powłoki – niekoniecznie. Uderzenie takiego malucha może pozostawić tyci krater czy mikropęknięcia albo odłupać kawałek farby. A nawet drobny płatek może stanowić zagrożenie. W 1983 r. w trakcie misji STS-7 taka drobinka przebiła okno wahadłowca Challenger, pozostawiając po sobie milimetrowy otwór.
Satelity mają cieńsze osłony niż statki czy stacje kosmiczne i choć ich krytyczne elementy bywają chronione kevlarem lub ceramiką, jednomilimetrowy obiekt może już być dla nich zagrożeniem. Zwłaszcza gdy porusza się z prędkością nie siedmiu, a 15 km/s, co także się zdarza. Wtedy wyzwolona energia to już 159,3 J – porównywalna z energią kuli wystrzelonej z broni lekkiej. Kratery wywołane uderzeniem są głębsze, znacząco wzrasta prawdopodobieństwo powstania mikropęknięć.
Szacuje się, że stan nasycenia umożliwiający wystąpienie syndromu Kesslera jest już na orbitach 900–1,5 tys. km.
Sytuacja wygląda znacznie gorzej w przypadku obiektów o średnicy 1 cm. Przy prędkości 7 km/s uderzenie wyzwala energię 34,5 kJ – to jak wystrzał z broni ciężkiej lub eksplozja małego ładunku wybuchowego. Taki pocisk może przebić ściany satelitów i statków kosmicznych, doprowadzając do dehermetyzacji i poważnych uszkodzeń. Biorąc pod uwagę, że tarcze Whipple’a zaprojektowano z myślą o kolizjach z obiektami do 1 cm, zapewne wytrzymają uderzenie. Sytuacja nie wygląda już jednak tak różowo, gdy centymetrowy śmieć pędzi z prędkością 15 km/s. Wówczas energia zderzenia (159,1 kJ) wystarczy, by przebić osłony ISS z katastrofalnym skutkiem, zwłaszcza jeśli trafi w elementy krytyczne, jak systemy podtrzymywania życia, elektronika, zbiorniki z paliwem. Jest to niemalże 10-krotność energii kuli wystrzelonej z ciężkiego karabinu snajperskiego.
Skoro takie skutki może wywołać obiekt jednocentymetrowy, nie ma co się zastanawiać, czym skończyłaby się kolizja z przedmiotem 10-centymetrowym i większym. A głównie takie są regularnie śledzone. Sieci obserwacyjne, jak U.S. Space Surveillance Network, skatalogowały do dziś 54 tys. dużych obiektów, z czego 9,3 tys. to aktywne satelity, a reszta – śmieci. Co prawda istnieją radary naziemne zdolne zauważyć nawet 3-milimetrowy kosmiczny złom, ale takiej drobnicy jest zbyt wiele, żeby ją śledzić. Na niskiej orbicie okołoziemskiej nadzoruje się obiekty o wielkości od 5–10 cm w górę, a na geostacjonarnej (ok. 36 tys. km), gdzie zagęszczenie śmieci jest mniejsze o dwa do trzech rzędów wielkości, co najmniej 30-centymetrowe.
Tym, co spędza sen z powiek osobom zaangażowanym w misje kosmiczne, nie jest jednak kolejna kolizja, która – jak zdarzało się dotychczas – jedynie zwiększy liczbę kosmicznych śmieci. Mechanizm znany jako syndrom Kesslera został dobrze zobrazowany w filmie „Grawitacja” (2013). Jak w 1978 r. przewidywał Donald Kessler, po osiągnięciu stanu krytycznej gęstości kosmicznych śmieci jedna kolizja może spowodować reakcję łańcuchową – fragmenty rozbitego satelity zniszczą kolejne obiekty orbitalne, których szczątki z kolei uderzą w te niedotknięte jeszcze kataklizmem itd. W końcu odłamków będzie tyle, że dana orbita stanie się dla każdej misji kosmicznej strefą śmierci.
Szacuje się, że stan nasycenia umożliwiający wystąpienie syndromu Kesslera jest już na orbitach 900–1,5 tys. km. Na szczęście na orbicie ISS (ok. 408 km) zagęszczenie śmieci kosmicznych jest zdecydowanie mniejsze. A mimo to co jakiś czas stacja musi zmienić pozycję, by zminimalizować ryzyko kolizji. Co możemy zrobić, by przestrzeń kosmiczną wokół naszej planety uczynić bezpieczną?
Przyszłość niedoszacowana
Najprostsza i najbardziej efektywna jest profilaktyka. Od pewnego czasu próbuje się zmniejszyć prawdopodobieństwo eksplozji, opróżniając po zakończeniu misji zbiorniki z paliwa i gazów, rozładowując baterie, odłączając wytwarzające energię panele fotowoltaiczne. Zgodnie z wytycznymi Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), satelity z niskiej orbity okołoziemskiej powinny być sprowadzane do atmosfery w ciągu maksymalnie 25 lat od rozpoczęcia misji. Dziś wszystkie satelity Starlink i większość pozostałych są wyposażane w silniczki umożliwiające szybką deorbitację. Używane są także żagle oporowe, które zmniejszając prędkość satelity, kierują go coraz niżej. Przy konstruowaniu obiektów, które trafią na orbitę, zwraca się uwagę na ograniczenie elementów mogących odpaść, np. śrub. Olbrzymią zmianą było wprowadzenie rakiet wielokrotnego użytku i zadbanie, aby górne stopnie ulegały deorbitacji lub były przenoszone na wyższe orbity.
Profilaktyka to za mało. Pomysły na aktywne usuwanie orbitalnego złomu obejmują m.in. kosmiczne śmieciarki wykorzystujące magnesy, siatki i harpuny, naziemne lasery spychające cele na niższe orbity, robotyczne chwytaki łapiące większe fragmenty gruzu, by usunąć je z chronionego obszaru. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) zamierza wykorzystać statek z czterema takimi robotycznymi ramionami, by w ramach misji ClearSpace-1 przechwycić satelitę PROBA-1. Planuje się także naprawianie uszkodzonych satelitów, jeśli to tylko będzie możliwe. Zajmie się tym wyspecjalizowany statek konserwatorski.
Wszystko to wydaje się jednak dość rozpaczliwą próbą powstrzymania tsunami workami z piaskiem. Ilość złomu i innych odpadów spadających z nieba będzie tylko rosnąć. 19 lutego br. pokaźne części drugiego stopnia rakiety Falcon 9 zbudowanej przez SpaceX spadły na Polskę w okolicach Poznania.
Czym to się skończy, nikt nie wie. Prognozy opierają się na mocno niepewnych danych. A czy ludziom grozi śmierć niczym grom z jasnego nieba? Tak, według bardzo ostrożnych predykcji prawdopodobieństwo, że w najbliższych latach ktoś zostanie zabity śmieciem z orbity, wynosi 10 proc. I – jak ostrzegają autorzy tej tezy opublikowanej w „Nature Astronomy” – jest to prawdopodobnie wartość mocno niedoszacowana.