ClearSpace-1 przechwytujący górny stopień rakiety Vega (fot. esa.int)
Powyższy wstęp pokazuje, jak ważne jest, aby mieć możliwość świadomego pozbycia się z orbity niechcianych obiektów. Warto dodać, że liczba śmieci kosmicznych wzrasta praktycznie każdego dnia z uwagi na zderzenia, które następują w kosmosie (nie mówimy tu o masie, ale o liczbie). Jak zatem „oczyścić” orbitę ziemską, tak aby nic nie zagrażało naszym interesom? Sposobów jest kilka. Żaden z nich nie jest doskonały, za to każdy jest drogi i wymaga dopracowania.
1.Deorbitacja niechcianego obiektu
Najbardziej oczywistym rozwiązaniem wydaje się lot na orbitę, „złapanie” obiektu i przetransportowanie go z powrotem na Ziemię (lub też doprowadzenie do jego spalenia się w atmosferze). Istnieje ku temu technologia, która była wielokrotnie testowana – jest to nic innego jak dokowanie. Jedną z bardziej spektakularnych misji mających na celu złapanie satelity było pochwycenie Kosmicznego Teleskopu Hubble’a przez załogę wahadłowca Endeavour w 1993 roku; wówczas chodziło o instalację mechanizmu korekcyjnego do teleskopu. Obecnie (2020) Europejska Agencja Kosmiczna planuje misję ClearSpace-1 będącą pierwszą w historii misją mającą za zadanie usunąć obiekt zaklasyfikowany jako kosmiczny śmieć. W 2025 roku zostanie wystrzelony na orbitę obiekt, którego celem będzie pochwycenie pozostałości po rakiecie Vega o masie 100 kg, a następnie doprowadzenie do ich spłonięcia w atmosferze.
Sposób ten ma jedną zasadniczą wadę – sprawdza się tylko w wypadku dużych obiektów, takich jak pozostałości po rakietach czy satelitach, poza tym jest drogi z uwagi na konieczność wystrzelenia obiektu na orbitę (co w wypadku awarii może generować dodatkowe śmieci).
2. Deorbitacja obiektu przestającego działać
Każdy satelita ma swój określony czas misji. Aby móc dalej bezpiecznie korzystać z orbity, należy go z niej usunąć względnie automatycznie. Tu z pomocą przychodzi koncepcja kosmicznego żagla.
PW-Sat2 po otwarciu żagla, wizja artystyczna (fot. pw-sat.pl)
Przykładem testowania tej technologii jest polski satelita PW-Sat2. Miał on wykonać na orbicie zaplanowane zadania (takie jak przelot nad Polską), a następnie rozwinąć żagiel, który znacznie zwiększył jego powierzchnię. Dzięki temu zaczął wytracać prędkość i mógł spłonąć w atmosferze.
Mechanizm żagla można by montować na przyszłych satelitach albo wysyłać na orbitę sam żagiel, który łączyłby się z niedziałającym już sprzętem, a następnie powodował jego deorbitację.
3. Graveyard orbits
O ile deorbitacja jest dobra dla niskich orbit, o tyle sprowadzenie obiektów z orbit wysokich, na przykład geostacjonarnych, jest już bardziej problematyczne i zdecydowanie bardziej niebezpieczne. Tutaj z pomocą przychodzą orbity „cmentarne”, czyli takie miejsca na orbicie Ziemi, gdzie wysyłane są nieużywane satelity, aby nie zagrażały już innym obiektom; na takiej orbicie obiekty pozostają po wsze czasy. Dużym minusem tego rozwiązania jest to, że nie wiemy, czy takie satelity nie będą stwarzać zagrożenia w przyszłości, chociażby za 100 lat.
Nadal jednak mówimy o obiektach sporych. Posprzątanie obiektów mniejszych, których wielkość liczymy w centymetrach, wymaga zupełnie innych technologii.
4. Laserowa miotła
Koncepcja ta, opracowana w latach 90. XX wieku, ma na celu rozgrzanie jednej części obiektu o rozmiarach 1–10 cm i wywołanie ablacji (analogicznie do parowania wody), która powinna mieć zwrot przeciwny do kierunku poruszania się obiektu. Ma to spowodować utratę prędkości ciała, a tym samym obniżanie się jego orbity i docelowo spłonięcie w atmosferze.
Wizja artystyczna laserowej miotły (fot. Wikimedia Commons)
Pojawia się tu szereg problemów, z których podstawowym jest konieczność opracowania technologii.
Proponowane rozwiązanie miałoby polegać na użyciu lasera o wysokiej mocy i częstotliwości. Mowa tutaj o strzałach o mocy 1 MJ (megadżula) trwających ułamek sekundy. Nawet jeśli założymy czas trwania impulsu na 0,1 sekundy, to wymagana moc będzie wynosić 10 MW (megawatów). Dla porównania, nowy blok elektrowni Ostrołęka ma wytwarzać moc 1000 MW.
Jednocześnie mówimy tu o obiekcie poruszającym się z prędkością kosmiczną, a do tego odległym o kilkaset (jeśli nie kilka tysięcy) kilometrów. Na domiar złego, możliwość celowania do niego będzie liczona w sekundach – w momencie wschodu obiektu na niebie ogranicza nas atmosfera, później obiekt jest wystarczająco wysoko, aby droga, którą promień lasera przebiegnie w atmosferze, nie ograniczała jego mocy, ale po chwili obiekt jest już na tyle wysoko, że zaczyna od nas „uciekać”, więc nie możemy do niego już strzelać. Jednocześnie każde odchylenie źródła lasera na ułamki milimetrów na Ziemi spowoduje spudłowanie o całe kilometry. Kto strzelał na strzelnicy na torze długości 50 m, ten wie, że każde drgnięcie ręki powoduje, że możemy w ogóle nie trafić w tarczę. Tutaj mówimy o tarczy oddalonej o setki kilometrów.
Jakby tego było mało, sama wiązka laserowa nie jest punktowa. Na odległościach, o jakich tu mowa, najbardziej optymistyczne założenia mówią, że wiązka rozszerzy się do 1 m.
Podsumowując: jednometrową wiązką musimy trafić w ciągu kilku sekund w obiekt wielkości pięści, poruszający się po niebie w odległości setek kilometrów. Jednocześnie elektrownia musi nam dostarczyć odpowiedniej mocy, a w okolicy nie może się dziać nic, co mogłoby naszym systemem poruszyć.
5. Kosmiczna sieć
Przykładem sposobu usuwania małych obiektów na większą skalę jest rozciągnięcie w kosmosie siatki lub sieci (ang. net, tether) pomiędzy dwoma satelitami, przepuszczenie przez nią prądu elektrycznego, a następnie wpływanie na orbity przelatujących obiektów. W domyśle ma to zmniejszać prędkości orbitalne obiektów, doprowadzając do obniżenia ich orbit, a następnie spłonięcia obiektów w atmosferze.
Misja STARS-2, wizja artystyczna (fot. directory.eportal.org)
Pierwszą taką misją była japońska misja STARS-2 w 2014 roku. Misja trwała dwa miesiące, jednak z przyczyn technicznych nie zakończyła się sukcesem. Przyniosła natomiast wgląd w różne problemy, które mogą się pojawić, takie jak to, że kłopoty z jednym satelitą powodują kłopoty całego zespołu.
Nie ma jednego, idealnego, taniego i powtarzalnego sposobu, aby uprzątnąć niechciane obiekty z orbity. Problemy narastają do niewyobrażalnych rozmiarów, a ogrom pracy, jaką należy wykonać, jest kolosalny. Pracy nie ułatwia brak prawa międzynarodowego wymuszającego sprzątanie po sobie. Obecnie za zanieczyszczanie orbity nie grożą żadne sankcje.
Na domiar złego, żadna z przytoczonych metod nie jest na tyle szybka, aby umożliwić w zdroworozsądkowym czasie uprzątnięcie tego, co już teraz znajduje się na orbitach. Nie ma również pomysłu, jak „sprzątać” na masową skalę. Jedyne, co można obecnie zrobić, to pilnować, aby nie dochodziło do kolejnych zderzeń na orbicie, dzięki czemu wzrost liczby obiektów może wyhamować.
Jednocześnie warto dodać, że o ile w artykule stosowany był termin „śmieć kosmiczny”, o tyle gdyby go zastąpić sformułowaniem „wrogi satelita”, to od razu byłoby widać, dlaczego warto, aby tematem zainteresowało się wojsko. Skądinąd wiadomo, że już to robi.
Strategy&Future publikuje wybrane teksty naszych subskrybentów kierując się wagą podejmowanych w nich tematów. Wszelkie prywatne opinie autorów tych tekstów, zamieszczane obecnie lub w przeszłości w innych miejscach, przedstawiają jedynie poglądy poszczególnych autorów, nie zaś wspólne stanowisko autora i Strategy&Future.
Autor
Remigiusz Pospieszyński
Ukończył Fizykę (ze specjalizacją fizyka kosmiczna) na Uniwersytecie w Umeå oraz studia EMBA na Aalto University School of Business. W latach 2011–2014 zajmował się tematyką śmieci kosmicznych w Instytucie Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Obecnie wykłada w Wyższej Szkole Bankowej w Poznaniu oraz rozwija swoją firmę w branży IT. Prywatnie lubi wędrówki po lasach i górach oraz wędkowanie.
Strategy&Future
Trwa ładowanie...