Dystrybucja śmieci kosmicznych na orbitach LEO (Low Earth Orbit) i GEO (Geostationary Earth Orbit), wielkość obiektów uwypuklona
Kosmiczne śmieci (space debris) są obiektami wytworzonymi przez człowieka pozostającymi na orbicie okołoziemskiej (a w przyszłości także na innych). Mogą to być obiekty znacznej wielkości, np. niedziałające satelity, jak również odłamki lakieru czy też gazy będące paliwem. Czasem do śmieci kosmicznych zalicza się też materię pochodzenia naturalnego, jak kosmiczny pył lub też odłamki planetoid i meteoroidy. Wszak one także powodują w kosmosie niebezpieczeństwo tak dla urządzeń, jak dla ludzi.
Aby ciało poruszało się po orbicie drugiego ciała, obiekt okrążający musi osiągnąć pewną minimalną prędkość. Nazywamy ją pierwszą prędkością kosmiczną V1 i dla Ziemi wynosi ona 7,91 km/s. Oznacza to, że każdy obiekt poruszający się poniżej tej prędkości po prostu „spadnie” z orbity i spali się w atmosferze. Jeśli natomiast jakiś obiekt będzie się poruszać za szybko, to może osiągnąć drugą prędkość kosmiczną V2 (tzw. prędkość ucieczki). Po jej osiągnięciu wyrwie się z ziemskiej studni grawitacyjnej i zacznie poruszać się swobodnie w odmęty przestrzeni kosmicznej. Dla Ziemi prędkość ta wynosi 11,19 km/s. Warto porównać te prędkości do bardziej „ziemskich”. Otóż pojazd poruszający się z prędkością 50 km/h we wcześniejszych jednostkach będzie się poruszać z prędkością 0,01389 km/s, natomiast nabój 9 × 19 mm parabellum może mieć maksymalną prędkość początkową 0,42 km/s. Oznacza to, że satelity poruszają się po orbicie z prędkościami ponaddwudziestokrotnie większymi niż najpopularniejszy na świecie nabój pistoletowy. Dodajmy, że jeśli dwa obiekty na tej samej orbicie poruszają się w przeciwnych kierunkach, to prędkość ich potencjalnego zderzenia zwiększa się dwukrotnie.
Jeśli chodzi o satelity, a zwłaszcza śmieci kosmiczne, należy się dodatkowo zaznajomić z pojęciem area-to-mass ratio (AMR), którego jednostką jest m2/kg. Jest to współczynnik mówiący nam, jaki jest stosunek powierzchni obiektu do jego masy. Przykładowo, kartka papieru na kierunku prostopadłym do swojej powierzchni będzie mieć wysoki współczynnik AMR (duża powierzchnia i mała masa), ale już cegła, również na kierunku prostopadłym do swojej największej powierzchni, będzie mieć ten współczynnik niski (duża powierzchnia przypadająca na dużą masę).
Jest to o tyle ważne, że wbrew pozorom kosmos wcale nie jest „pusty”. Mało tego, do dnia dzisiejszego w kosmosie nie odnaleziono próżni idealnej. Warunki „nieskończonej nicości” można uzyskać jedynie na Ziemi, w laboratorium. Na orbicie oprócz śmieci kosmicznych wpływ na satelity będą mieć resztki atmosfery ziemskiej, ciśnienie światła słonecznego, wiatr słoneczny, ale również materiał, z którego został wytworzony dany obiekt, poprzez albedo (zdolność do odbijania promieniowania) oraz wiele innych.
Ciśnienie atmosferyczne na wysokościach, na których przelatują satelity, jest minimalne, z wartością mniejszą niż 10-10 bara, ale istnieje, działa nieprzerwanie. Światło, tak słoneczne, jak każde inne, również wywiera pewien wpływ. Na niskich orbitach tylko przez połowę czasu (przez drugą połowę ciało jest w cieniu), na wysokich nawet cały czas. Rozpędzone cząsteczki wyrzucane przez Słońce bombardują wszystko w Układzie Słonecznym. Na Ziemi chroni nas przed nimi płaszcz atmosfery, ale już na orbicie takiego luksusu nie ma. Jeśli satelita jest wykonany z błyszczących materiałów i ma wysokie albedo, wówczas nagrzewa się mniej niż wtedy, gdy wykonany jest z materiałów ciemnych – jest lepiej chroniony. Jeśli się nagrzewa, to cząsteczki materiału zaczynają parować i tym samym zamieniać się w mikrosilniki rakietowe (nie mówiąc już o degradacji materiału).
Każdy z tych efektów ma wpływ na orbitę naszych satelitów oraz śmieci. Im obiekt jest mniejszy, tym ten wpływ jest większy i odwrotnie. Dlatego też praktycznie każdy satelita wymaga mniejszych lub większych korekt orbity. Oczywiście dla satelity na orbicie geostacjonarnej będą one minimalne, ale już dla satelitów na orbicie niskiej, jak np. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, te poprawki mogą być częste.
Jednym z ciekawszych „dużych” kosmicznych śmieci jest satelita Envisat Europejskiej Agencji Kosmicznej. W 2012 roku, po 10 latach działania, utracono z nim kontakt, którego nie odzyskano do dnia dzisiejszego. Należy sobie uzmysłowić, że na orbicie polarnej krąży teraz obiekt o masie biskiej dziewięciu tonom, wielkości autobusu, z którym nie ma żadnego kontaktu. Jeśli człowiek nie podejmie żadnych działań, satelita ten będzie orbitować przez kolejne 150 lat, nim ulegnie spaleniu w atmosferze ziemskiej. Envisat nie jest jedynym tego typu obiektem. Każdy z nich stwarza zagrożenie dla misji. W wypadku tak dużych obiektów dużym plusem jest fakt, że znamy ich orbity oraz w miarę łatwo możemy te obiekty śledzić.
Model satelity Envisat w centrum Europejskiej Agencji Kosmicznej w Noordwijk w Holandii; wsparta żółtym stelażem tablica jest wielkości człowieka
Na drugim końcu spektrum rozmiaru mamy obiekty wręcz mikroskopijne, np. odłamki lakieru, zużyte paliwo czy nawet ludzkie ekskrementy (sic!). Również przed takimi obiektami należy się chronić, gdyż mogą one doprowadzić nawet do śmierci astronautów. Pamiętajmy też, że jeśli dokonujemy manewru orbitalnego, to wystrzeliwujemy paliwo w przeciwną stronę, niż sami się poruszamy. Jeśli paliwo to nie osiągnie prędkości ucieczki, to znajdzie się na orbicie przeciwnej do naszej w chwili uruchomienia silnika i będzie się po niej poruszać z prędkością taką samą jak my (lub większą), ale w przeciwnym kierunku. Oznacza to, że prędkości się zsumują, a uderzenie takiej chmury cząsteczek może wywołać katastrofalne skutki.
Kilkumilimetrowy ślad pozostawiony przez uderzający w okno wahadłowca odłamek farby
Ilość śmieci kosmicznych rośnie w dużym tempie, właściwie z dnia na dzień. Wobec rozwoju podróży kosmicznych tempo to będzie tylko wzrastać. Już teraz na orbicie skatalogowano oraz oznaczono (tzn. wyznaczono dla nich elementy orbitalne: mimośród, półoś wielka orbity, odległość perygeum, nachylenie orbity, długość węzła wstępującego, argument perycentrum) ponad 15 tysięcy obiektów (są to statystyki oficjalne). Samą tylko ilość zauważalnych śmieci kosmicznych szacuje się na ponad 80 tysięcy. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę, że o ile na orbicie LEO jesteśmy w stanie wykryć obiekty o średnicy około 1 cm, o tyle już dla orbity GEO wykrywamy obiekty dopiero powyżej 1 m. Warto sobie w tym momencie przypomnieć o wspomnianych wcześniej odłamkach lakieru.
Ilość śmieci kosmicznych w zależności od orbity oraz od roku
W powyższym wykresie warto zwrócić uwagę na rok 2007, kiedy to Chińczycy testowali broń do zestrzeliwania satelitów. Eksperyment się powiódł i jednocześnie zwiększył o połowę ilość odłamków na orbicie. O ile test ten był zamierzony, o tyle 10 lutego 2009 roku miało miejsce pierwsze w historii zaobserwowane zderzenie dwóch satelitów – był to incydent z udziałem satelitów Iridium 33 oraz Kosmos 2251.
Interesujące jest to, że Iridium 33 był satelitą z konstelacji satelitów do komunikacji telefonii satelitarnej. Zderzenie spowodowało dziurę w konstelacji, a tym samym niemożność pełnego działania całego systemu. Dziura ta została załatana miesiąc później poprzez wystrzelenie brakującego satelity. Jednocześnie bardzo wzrosła ilość niebezpiecznych odłamków na orbicie.
Należy podkreślić, że pierwsze szacunki z roku 2009 mówiły, że nawet jeśli zakazalibyśmy całkowicie lotów w kosmos, to ilość samoczynnych zderzeń na orbicie spowodowałaby, że do 2050 roku loty w kosmos stałyby się niemożliwe z uwagi na permanentne zagrożenie zderzeniem.
Temat śmieci kosmicznych nie jest zbyt medialny, więc jest często pomijany w dyskusji publicznej. Jeśli jednak chcemy myśleć o bezpiecznej ekspansji kosmicznej, to jako ludzkość musimy podjąć konkretne działania. Pozostaje pytanie: kto miałby się tym zająć? W końcu na dnie Bałtyku również zalega niezliczona ilość toksycznych i niebezpiecznych odpadów (ropa we wrakach, miny etc.) pozostałych po II wojnie światowej, tymczasem wszelkie podejmowane działania są jedynie zachowawcze. Największe agencje kosmiczne posiadają oczywiście swoje komórki odpowiedzialne za śledzenie śmieci, ich badanie czy też proponowanie rozwiązań, jednak są to jednostki małe, o bardzo ograniczonym budżecie. Przykładowo, Europejska Agencja Kosmiczna posiada swój Space Situational Awareness Programme, jednak nakłady na badania są niewielkie w porównaniu chociażby do dużo bardziej medialnego tematu programu wysyłania człowieka w przestrzeń kosmiczną.
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...