Kosmiczne śmieci, czyli jak posprzątać wszechświat

Na śmieci błąkające się po uniwersum składają się głównie zużyte człony rakiet, nieczynne satelity oraz fragmenty powstałe w wyniku zderzeń między tymi urządzeniami. Zagrażają one Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ang. International Space Station, ISS) oraz działającym satelitom, które w każdej chwili mogą znaleźć się na kolizyjnym torze. Tymczasem w ramach misji nadchodzących w najbliższych latach, takich jak np. OneWeb, planowane jest rozmieszczenie na orbicie okołoziemskiej ponad 1000 nowych satelitów!

We wszechświecie każda kraksa może być katastrofalna w skutkach. W 1996 roku francuski satelita Cerise został uderzony przez fragment rakiety Ariane. W wyniku kolizji od Cerise oderwało się ok. 4,2 metra wysięgnika, który stanowił część systemu stabilizacji. Wprowadziło to urządzenie w niekontrolowany ruch wirowy i w konsekwencji doprowadziło do jego utraty.Było to pierwsze udokumentowane zderzenie satelity z kosmicznym śmieciem. Niestety, nie ostatnie. Dziesięć lat temu amerykański Iridium 33 uległ całkowitemu zniszczeniu po czołowym spotkaniu ze starym rosyjskim satelitą Kosmos 2251, pędzącym z prędkością 42 000 km/h! W efekcie tej kolizji powstało ok. tysiąca szczątków, które da się śledzić z Ziemi. Do dziś stanowią one zagrożenie... Nie trzeba bowiem wielkich obiektów, aby spowodować szkody: przy kosmicznych prędkościach kilka milimetrów może być wystarczające do zniszczenia satelity lub uszkodzenia ISS. Przed rokiem w rosyjskiej części stacji wykryto dziurkę o średnicy dwóch milimetrów, przez którą uciekało powietrze. Do uszkodzenia doprowadził prawdopodobnie jeden z milionów drobnych śmieci znajdujących się na orbicie okołoziemskiej. Gdyby nie zlokalizowano tej usterki, astronauci zostaliby pozbawieni tlenu w ciągu 18 dni.

Dostrzegając niebezpieczeństwo, jakie niesie za sobą taki złom, w 1993 roku powołano Międzyagencyjny Komitet Koordynacyjny ds. Odpadów Kosmicznych (ang. Inter­Agency Space Debris Coordination Committee, IADC). W 2002 roku podjął on próbę prawnego uregulowania problemu, zarządzając, że każdy nieczynny satelita musi być usunięty z orbity nie później niż 25 lat po zakończeniu swojej misji albo przez spalenie go w atmosferze, albo wysłanie na orbitę cmentarną. Jednak z powodu braku rzeczywistych sankcji dyrektywa ta nie jest szczególnie skuteczna. Tylko 55% misji spełnia przepisy IADC, a statystyki spadają do 20% w przypadku tych urządzeń, które krążą ponad 600 km nad naszymi głowami.

Wspomniana orbita cmentarna leży setki kilometrów powyżej orbity geostacjonarnej. Sam proces wyniesienia na nią satelity wymaga takiej ilości paliwa, jaka wystarczyłaby do utrzymania go na swojej orbicie przez parę miesięcy. Jednak jeśli weźmiemy pod uwagę satelity krążące w dużych odległościach od Błękitnej Planety, nadal jest to operacja bardziej opłacalna niż sprowadzenie obiektu w ziemską atmosferę (tzw. deorbitacja). Manewr ten jest często stosowany przy urządzeniach krążących niżej, lecz nie zawsze jest w pełni skuteczny. W przypadku większych obiektów efekt jest bowiem tylko częściowy, w wyniku czego niektóre zniszczone satelity (a także statki i stacje kosmiczne) spadają na nasz glob. Rejon ich lądowania jest ściśle określony - to obszar na Oceanie Spokojnym, który znajduje się najdalej od terenów zamieszkałych przez ludzi. Miejsce to nazywa się punktem Nemo lub po prostu cmentarzyskiem statków kosmicznych. Spoczywają tam m.in. pozostałości po rosyjskiej stacji Mir. Ważyła ona 143 tony i po 15 latach służby, w marcu 2001 roku, zakończyła swoją misję. Prawdopodobnie będzie to też ostatni przystanek ISS.

Zarówno wzniesienie satelity na orbitę cmentarną, jak i jego deorbitacja, wymaga sprawowania nad obiektem pełnej kontroli. Co jednak z urządzeniami, z którymi utracono kontakt? Co z tysiącami śmieci, które krążą bez ładu i składu, zagrażając obecnym oraz przyszłym misjom kosmicznym? Według prof. Guglielmo Agliettiego, kierownika projektu naukowego RemoveDEBRIS, należy je wyłapać jeden po drugim i sprowadzić w ziemską atmosferę, która wykona za nas brudną robotę. Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić, ale na szczęście właśnie zakończyły się testy nad dwoma sposobami, dzięki którym możemy pozbyć się tych odpadków raz na zawsze. W jednym z nich używa się harpuna, w drugim sieci, a cały proces przypomina bardziej łowienie ryb, niż tradycyjne zbieranie śmieci.

Satelita RemoveDEBRIS rozpoczął swoją misję w kwietniu 2018 roku jako ładunek statku transportowego Dragon firmy SpaceX. Jego celem była Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, przy której odbyły się dalsze przygotowania do eksperymentu. Po miesiącu satelitę uwolniono z pokładu ISS poprzez śluzę japońskiego modułu Kibo. Mierzący 70 cm i ważący 100 kg RemoveDEBRIS jest największym satelitą wypuszczonym stamtąd na orbitę. Pierwszą próbę przeprowadzono we wrześniu ubiegłego roku. Od głównego urządzenia odłączył się wtedy miniaturowy satelita CubeSat o nazwie DebriSat 1. Po oddaleniu się na kilka metrów ten 10­centymetrowy obiekt z powodzeniem złapano z użyciem sieci wystrzelonej z RemoveDEBRIS. W lutym 2019 roku wykonano drugi test, którego celem było upolowanie zamontowanej na półtorametrowym wysięgniku płyty kompozytowej imitującej kosmiczny odpadek. Aby go złapać, statek RemoveDEBRIS wystrzelił specjalnie przygotowany harpun, który przebił i przechwycił płytę. Już samo planowanie misji napotkało wiele wyzwań technicznych. Zastanawiano się, czy sieć, której rzut niekoniecznie wymaga dużej dokładności, zawinie się prawidłowo wokół celu, uniemożliwiając mu ucieczkę?

Czy użycie harpuna, przy którym z kolei doskonała precyzja była niezbędna, sprawdzi się w kosmosie? Czy uderzenie nie spowoduje rozbicia obiektu na nowe, jeszcze mniejsze szczątki? Te i inne wątpliwości dręczyły ekspertów przez lata eksperymentów. Pozytywny przebieg obu testów jest więc bez wątpienia sporym sukcesem. Harpun i sieć to niejedyne rozwiązanie, nad którym pracują uczeni. Wyścig o konstrukcję najlepszej kosmicznej śmieciarki tak naprawdę dopiero się zaczął. Czasu jednak nie pozostało zbyt wiele. Okazuje się, że nawet jeżeli w końcu będziemy przestrzegać zaleceń IADC, to znajdujące się na orbicie stare odpady wystarczą, aby w nadchodzącym stuleciu uczynić eksplorację uniwersum jeśli nie w ogóle niemożliwą, to co najmniej problematyczną. Kolejne zderzenia obiektów już fruwających w przestrzeni wystarczą, by zwiększyć liczbę złomu, a co za tym idzie - prawdopodobieństwo dalszych kolizji. Ten kaskadowy efekt, zwany syndromem Kesslera, można zatrzymać. Pod warunkiem, że co roku usuniemy od 5 do 10 dużych obiektów (takich jak górne człony rakiet) przy jedno czesnym wywiązywaniu się z rozporządzeń IADC. Możemy zatem jeszcze ocalić powodzenie przyszłych misji kosmicznych. Zależy to od tego, czy przedsięwzięcia takie jak RemoveDEBRIS nie zakończą się jedynie na fazie testowej.

Poza siecią i harpunem przewiduje się kilka innych systemów przechwytywania odpadów w uniwersum. Europejska Agencja Kosmiczna opracowuje ogromne ramię robota, które zaciśnie się na ważącym osiem ton i mierzącym osiem metrów nieczynnym od 2009 roku satelicie Envisat. Próba jego złapania odbędzie się za trzy lata. Magnetyczna technika przechwytywania, mniej skomplikowana pod względem mechanicznym, testowana jest z kolei przez singapurską firmę Astroscale - próby przyciągania śmieci za pomocą potężnych magnesów przewidywane są na koniec tego roku. Wreszcie tak zwana klatka Pac-Man, budowana obecnie w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologicznym w Lozannie, już za dwa lata ma zostać zamknięta na minisatelicie mierzącym 10 cm.

***Zobacz materiały o podobnej tematyce***