Kosmiczne śmieci na orbicie Ziemi - w końcu trzeba będzie to posprzątać

W 1957 roku na orbitę wokół Ziemi trafił Sputnik 1, pierwszy stworzony przez człowieka sztuczny satelita ziemi (dziś najczęściej pomijamy przymiotnik sztuczny mówiąc o takich obiektach). Choć pracował tylko kilkanaście dni, a po kilku miesiącach prawdopodobnie spłonął w atmosferze, to właśnie wtedy rozpoczęła się epoka wysyłania obiektów na ziemską orbitę. Rosła ich liczba, ale też rozmiary i czas pracy. Dziś orbita Ziemi jest tak zatłoczona, że nie można obojętnie przejść obok tego problemu, choć laikowi może to wydać się dziwne jak stosunkowo małe w porównaniu z rozmiarem przestrzeni kosmicznej obiekty mogą stanowić zagrożenie.

By rzucić na ten problem więcej światła, należy satelity porównać do niewielkich asteroid/meteoroidów, które stanowią niewątpliwe zagrożenie dla znajdujących się na orbicie innych satelitów czy statków załogowych (w tym stacji kosmicznych).

Problem powraca wraz z nanosatelitami

Problem zatłoczenia przestrzeni kosmicznej poruszany był już niejednokrotnie (już w latach 80. czy 90. XX wieku), jednak z roku na rok staje się on coraz istotniejszy, szczególnie w obliczu inwazji nanosatelitów (ang. cubesat). Już dziś na orbitę trafia 100 do 150 nanosatelitów rocznie, a ta liczba z pewnością wzrośnie. Samo choćby SpaceX ma wizję wystrzelenia 4500 niewielkich satelitów.

Nasze kosmiczne podwórko - jak dziś jest zaśmiecone

Tymczasem ostatnie dane ujawnione przez ESA wskazują na około 5000 obiektów (celowo nie piszę satelitów, aczkolwiek chodzi tu o sztucznie wytworzone obiekty lub ich pozostałości) o rozmiarach większych niż 1 metr. Schodząc ze skalą do obiektów o rozmiarach ponad 10 cm, ta liczba rośnie już do 20 000. A gdyby uwzględnić każdy drobiazg większy niż jeden centymetr, to mamy już 750 000 kosmicznych śmieci. W przypadku tak małych rozmiarów są to oczywiście wyliczenia, a nie obiekty konkretnie potwierdzone i zidentyfikowane. Schodząc z rozmiarami do jednego milimetra, liczba potencjalnych szkodników rośnie do 150 milionów.

Wszystkie obiekty, które znajdują się obecnie na orbicie, ważą razem 7500 ton, czyli tyle co 12 w pełni załadowanych Airbusów A380

Nie jest tak, że tylko duży obiekt stanowi zagrożenie. Wręcz przeciwnie, tor lotu dużego satelity można dość dobrze przewidzieć, zobaczyć go wizualnie. Niewielki kilkucentymetrowy obiekt poruszający się z ogromna prędkością (średnio jest to około 10 km/s) to przeznaczenie, które dosięga w najmniej spodziewanym momencie. Energia wyzwalana podczas zderzenia porównywalna jest do tej podczas wybuchu ręcznego granatu - skutków nie trzeba chyba tłumaczyć.

Każda planowana dziś misja, czy to związana z wystrzeleniem satelity, a szczególnie lot załogowy, musi brać pod uwagę zagrożenie związane z kosmicznym śmieciem wokół Ziemi. Już dziś centra kontroli lotów każdego roku muszą instruować satelity, by schodziły z drogi zagrożeniu. Podobne manewry wykonuje także Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Nie są to szczególnie wielkie manewry, wystarczy drobna korekta, ale z czasem może to nie wystarczyć, czasem zaplanowany manewr może być błędny lub niepotrzebny.

Jedna z szyb w ISS - tym razem skończyło się na drobnym 7 mm wyżłobieniu

Niestety nie wszystko jest pod kontrolą

Dziś jesteśmy w stanie kontrolować pozycje około 18 000 - 22 000 kosmicznych śmieci. Tylko 5% to satelity, reszta to ich pozostałości i inne obiekty. Zarówno te z czasów zimnej wojny, jak i czasów współczesnych - ostatnio przez błąd podczas instalacji osłony przeciw kosmicznemu śmieciowi na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ważący 8 kilogramów element o wymiarach 162 x 59 x 7 cm odpłynął w siną dal.

Centrum kontroli lotów kosmicznych ESA

Jak widać, nie wszystko co zagraża jest pod kontrolą. A nawet milimetrowych rozmiarów obiekt może solidnie uszkodzić na przykład baterię słoneczną satelity - poniższa ilustracja pokazuje 40 cm średnicy takie „wgniecenie” w przypadku satelity Sentinel-1A, który przeznaczony jest do obserwacji radarowych powierzchni Ziemi i obiega ją na wysokości około 700 km. Zdarzenie miało miejsce latem 2016 roku.

Panel słoneczny przed (po lewej) i po zderzeniu z kosmicznym odłamkiem

Czas pracy satelity wysłanego na orbitę Ziemi może być różny. Wspomniany Sputnik 1 był aktywny tylko przez kilkanaście dni, dziś niektóre satelity obiegające Ziemię mogą być czynne przez kilkanaście i więcej lat. Od roku 1957 w Kosmos wystrzelono około 7500 satelitów, znacznie ponad połowa nadal znajduje się na orbicie Ziemi. Te, które już spełniły swoją rolę czasem ulegną zniszczeniu w niższych warstwach atmosfery, ale też ich pozostałości mogą pozostać na orbicie.

Przykładowo - w 2015 roku jeden z amerykańskich satelitów meteorologicznych rozpadł się na około 40 kawałków, a na początku tego roku naukowy europejski satelita Swarm-B minął się z 15 centymetrowym odłamkiem radzieckiego satelity Cosmos 375. Z kolei satelity na orbicie heliosynchronicznej (około 800 km) są obecnie zagrożone przede wszystkim resztkami chińskiego satelity FengYun-1C, który w 2007 roku w ramach testów został zestrzelony pociskiem średniego zasięgu.

Kosmiczne porządki - tego nie da się uniknąć

Próby posprzątania naszego kosmicznego podwórka podejmowane są od dawna, niestety jak dotychczas proponowane rozwiązania nie są w pełni satysfakcjonujące. Deorbitacja, która prowadzi do kontrolowanego zniszczenia satelity, w wielu przypadkach może wywołać łańcuch zdarzeń, które jedynie zwiększają liczbę niebezpiecznych obiektów.

Satelity obiegają ziemię po różnych orbitach. Zwykle mówimy o satelitach na orbicie geostacjonarnej (około 36 tysięcy kilometrów od środka Ziemi) oraz tych na niskiej orbicie wokółziemskiej (LEO). Niskie orbity to jednak nie jedna konkretna wysokość, ale szeroki przedział - oznacza to, że produkty rozpadu, stare niedziałające urządzenia, w miarę opadania w kierunku Ziemi (to wieloletni proces) mogą stanowić zagrożenie dla coraz to kolejnych grup satelitów. Około 3/4 skatalogowanych obiektów okrążających Ziemię znajduje się właśnie na niskich orbitach.

Dotychczas zanotowano stosunkowo niewiele kolizji (około 10 potwierdzonych), a eksplozji na orbicie mniej niż 300, jednak by ta statystyka nie rosła gwałtownie, trzeba prędzej czy później będzie wdrożyć system bezpiecznego usuwania nieaktywnych satelitów z orbity wokół Ziemi. I to w skali globalnej.

Źródło: ESA, NASA, inf. własna