Śmieci kosmiczne – wyzwanie dla bezpieczeństwa [ANALIZA]

Czym są śmieci kosmiczne?

Śmieci kosmiczne (ang. Space debris) nazywane są zamiennie odpadkami kosmicznymi lub szczątkami kosmicznymi. Rozpatruje się je w kategorii różnorodnych obiektów wytworzonych przez człowieka, które w sposób zamierzony zostały wyniesione do przestrzeni pozaziemskiej w celu dostarczenia określonego rodzaju usług i niezdolne do dalszej realizacji tych zadań. Należą do nich m. in. nieoperacyjne satelity, ich fragmenty powstałe wskutek eksplozji, elementy wielostopniowych rakiet nośnych oraz rakietowych pocisków przeciwsatelitarnych (ang. Anti–satellite weapons – ASAT) jak również przedmioty zagubione podczas spacerów kosmicznych.

Przeważająca część tych obiektów charakteryzuje się relatywnie niewielkimi rozmiarami. Niektóre z nich osiągają wartości poniżej jednego centymetra. Mogą być to fragmenty farby pokrywającej poszycie rakiet nośnych lub pozostałości pochodzące z procesu spalania stałego paliwa rakietowego. Jednakże wszystkie z nich stanowią potencjalne zagrożenie dla funkcjonujących satelitów lub Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ang. International Space Station – ISS), ponieważ przemieszczają się z bardzo dużymi prędkościami.

Śmieci kosmiczne nie podlegają kontroli w kontekście położenia w przestrzeni kosmicznej, a jedynie są monitorowane oraz klasyfikowane. Oznacza to, że nie można wpływać na ich trajektorię przemieszczania się, lecz istnieje możliwość obserwacji. Jedyną opcję stanowi wdrożenie zespołu zadań mających na celu zmianę kierunku obiegu satelity względem Ziemi. Taki zabieg może uchronić w pełni operacyjny obiekt kosmiczny przed wystąpieniem kolizji ze szczątkami kosmicznymi.

Powierzchnie satelitów często pokrywane są dodatkową warstwą metalu lub farby na zewnętrznej powłoce. Pierwotnie miało stanowić to zabezpieczenie przed meteoroidami, ale skuteczność tego rozwiązania potwierdzono również w przypadku odpadków kosmicznych. Powodowane przez nie mikrozderzenia sprzyjają powstawaniu naturalnych źródeł plazmy, które jednak nie zagrażają konstrukcji obiektu kosmicznego. Warto podkreślić, że nie każdy obiekt można chronić w ten sposób. Szczególnie podatne na uszkodzenia przez śmierci kosmiczne o średnicy poniżej 1 cm są m. in. panele słoneczne oraz urządzenia optyczne, w tym teleskopy.

Jak podaje Europejska Agencja Kosmiczna (ang. European Space Agency – ESA) na przestrzeni ponad 60 lat działalności zainicjowanej pierwszym wyścigiem kosmicznym wykonano około 6050 startów rakiet nośnych, które zakończyły się pomyślnym umieszczeniem w kosmosie 56450 obiektów kosmicznych. Z tego katalogu niespełna 28160 obiektów jest regularnie śledzona przez Space Surveillance Network należącą do Stanów Zjednoczonych.

Sieć ta selekcjonuje poszczególne obiekty, klasyfikując je na satelity mające wymiary około 5–10 cm, które umieszczono na niskiej orbicie okołoziemskiej (ang. Low Earth Orbit – LEO), a także satelity o wymiarach 30–100 cm znajdujące się na orbitach geostacjonarnych (ang. Geostationary Earth Orbit – GEO). Dowiedziono, że zaledwie niewielka część z nich, czyli około 4000 satelitów, jest w pełni operacyjna. Ich łączną masę oszacowano na ponad 9600 ton. Pozostałe obiekty wciąż są kontrolowane, ponieważ w przewadze mogą one stanowić śmieci kosmiczne.

Główne źródła powstawania śmieci kosmicznych

Powstawanie śmieci kosmicznych w przestrzeni pozaziemskiej jest uwarunkowane różnorodnymi czynnikami występujących w trakcie realizacji lub po sfinalizowaniu misji kosmicznych. Zaliczają się do nich:

– Niedziałające satelity na orbitach okołoziemskich – w ramach tego kryterium wyróżnia się dwa najczęstsze scenariusze sytuacji. Po pierwsze, szczątki mogą być generowane skutek niepomyślnie sfinalizowanych misji kosmicznych. W tym przypadku warto uwzględnić niezamierzone uszkodzenie satelity, której naprawa byłaby możliwa na powierzchni Ziemi, lecz jej sprowadzenie i ponowne wysłanie generowałoby koszty przewyższające jej szacowaną wartość. W związku z tym, taki obiekt zostaje pozostawiony w przestrzeni kosmicznej, nie pełni powierzonych mu zadań ani nie dostarcza sprecyzowanych usług.

Po drugie, wyczerpanie resursu satelity skutkującego jej dezaktywacją. By zapewnić wysoki poziom bezpieczeństwa poprawnie działającym obiektom na LEO i GEO, wyłączone satelity kierowane są na orbitę cmentarną. Zgodnie z rekomendacjami ESA każdy obiekt kosmiczny po upływie 25 lat od zakończenia swojej misji powinien zostać deorbitowany i spłonąć w atmosferze Ziemi. Innym rozwiązaniem pozostaje jego wyniesienie na wysokość 300 kilometrów powyżej pierścienia orbity geostacjonarnej i pozostawienie na orbicie cmentarnej. To właśnie ta procedura sprzyja zaśmiecaniu przestrzeni pozaziemskiej oraz powiększaniu katalogu monitorowanych szczątków kosmicznych.

– Oddzielenie górnych stopni rakiet nośnych – określono, że około 11% spośród katalogu wszystkich sklasyfikowanych i śledzonych obiektów w przestrzeni kosmicznej stanowią elementy konstrukcyjne rakiet nośnych. Są to głównie adaptery startowe i osłony wchodzące w skład budowy technicznej ich górnych stopni, które w danej fazie lotu oddzielają się od całości struktury. Od czasu eksploracji kosmosu podczas pierwszego wyścigu kosmicznego aż do dziś odnotowano ponad 560 incydentów fragmentacji wielostopniowych rakiet nośnych nawiązujących do tego rodzaju determinantów przyczyniających się do powstawania nowych szczątków kosmicznych.

Trzeba nadmienić, że oddzielanie górnych stopni rakiet nośnych zazwyczaj jest kontrolowanym, w pełni zamierzonym procesem. Planuje się go jako jeden z etapów operacji kosmicznej, w trakcie której następuje fragmentacja tej części rakiety, gdzie umieszczono ładunek przeznaczony do wyniesienia (satelitę). Stosowanie tego rozwiązania powszechnie uchodzi za nieekonomiczne. Wobec tego w przyszłości może zostać całkowicie wycofane na rzecz rakiet powracających.

– Eksplozje satelitów i korpusów rakiet nośnych – stanowią najwyższy przyrost oszacowany na ponad 50% odnoszący się do wszystkich monitorowanych szczątków kosmicznych. Główną przyczyną eksplozji na orbicie okołoziemskiej są resztki paliwa, które pozostają w zbiornikach lub przewodach paliwowych statków kosmicznych. Najczęściej są one uwalniane tuż po fragmentacji rakiety, czyli wyczepieniu górnego stopnia wraz z ładunkiem znajdującym się na jego pokładzie. Dodatkowo charakterystyki cechujące naturalne środowisko kosmiczne sprzyjają zmniejszeniu integralności mechanicznej zewnętrznych i wewnętrznych części rakiet. Prowadzi to do wycieków lub mieszania się składników paliwa, powodując niekontrolowany samozapłon.

Wynikająca z tego procesu eksplozja niesie za sobą szereg negatywnych konsekwencji. Całkowitemu i nieodwracalnemu zniszczeniu ulega zarówno rakieta nośna jak i satelita, która miała zostać wyniesiona na orbitę okołoziemską. Generuje to bardzo wysokie koszta misji zakończonej niepowodzeniem. Co więcej, detonacja powoduje powstanie licznych śmieci kosmicznych wyrzuconych w dalsze regiony kosmosu z bardzo dużą prędkością. W przypadku, gdy na trajektorii ich lotu znajdzie się operacyjny obiekt kosmiczny on także może ulec uszkodzeniu.

– Testy i misje rakietowych pocisków przeciwsatelitarnych – praktykowane z największą częstotliwością w okresie pierwszego wyścigu kosmicznego współcześnie stanowią blisko 25% wszystkich skatalogowanych szczątków kosmicznych. Misją każdego ASAT jest kinetyczne zniszczenie satelity na orbicie okołoziemskiej. Aby ocenić skuteczność i zdolności operacyjne tego rodzaju pocisków realizowane są liczne testy. Jedyną legalną działalnością prowadzoną w tym zakresie jest unieszkodliwienie obiektu kosmicznego znajdującego się na kolizyjnej trajektorii lotu.

Warto zauważyć, że stosowanie pocisków antysatelitarnych może być nadużywane i służyć jako akt agresji militarnej. Wówczas w sposób w pełni zamierzony celem rażenia są wrogie aktywa kosmiczne. Bez względu na intencje wykorzystywanie ASAT do niszczenia satelitów generuje gwałtowny przyrost śmieci kosmicznych.

– Sprzęt utracony podczas spacerów kosmicznych – klasyczny spacer kosmiczny (ang. Extra–vehicular activity – EVA) obejmuje zespół czynności realizowanych przez astronautów w dedykowanych skafandrach w środowisku otwartej przestrzeni kosmicznej. Bywają sytuacje, w których załoga statku kosmicznego jest zmuszona wykonać zadania techniczne mające na celu zapewnienie właściwe funkcjonowanie lub utrzymanie obiektu w jakim stacjonują. Wówczas mogą wystąpić losowe, nieliczne sytuacje, podczas których istnieje ryzyko zagubienia różnych przedmiotów. Współcześnie wiemy o incydentach dotykających w przeszłości amerykańskich kosmonautów. Zaliczają się do nich m. in. zagubienie rękawicy przez Eda White’a oraz utrata kamery przez Michaela Collinsa.

Zagrożenia generowane przez śmieci kosmiczne

Szczątki kosmiczne powodują różnorodne zagrożenia, których konsekwencje mogą być odczuwalne zarówno w przestrzeni kosmicznej jak i na powierzchni Ziemi. Do najpoważniejszych z nich należą:

– Zagrożenie dla misji załogowych – dotyczy głównie operacji kosmicznych związanych z transportem ludzi na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Istnieje ryzyko, że na planowanej trajektorii lotu wahadłowca będą znajdowały się przemieszczające z dużą prędkością odłamki lub fragmenty farby. Potencjalnie mogą one uszkodzić poszycie statku kosmicznego, bezpośrednio narażając życie załogi.

– Zagrożenie dla bezzałogowych statków kosmicznych – śmieci kosmiczne są szczególnie niebezpieczne dla obiektów kosmicznych, w których zastosowano ogniwa fotowoltaiczne jako zespół napędowy. Wynika to z faktu braku możliwości pokrycia ich konstrukcji dodatkową metalową powłoką, co wystawia je na oddziaływanie odłamków. Jak wspomniano w wcześniejszych częściach analizy, mikrouderzenia sprzyjają powstawaniu naturalnych źródeł plazmy, które mogą zakłócać właściwe funkcjonowanie paneli słonecznych.

– Zagrożenie dla środowiska naturalnego Ziemi – prawdopodobieństwo uderzenia o powierzchnię Ziemi jest niskie, lecz nie może ulec całkowitemu wykluczeniu. Większość szczątków kosmicznych ulega spaleniu w atmosferze, jednak niektóre z nich charakteryzują się zbyt dużymi rozmiarami. Skutkuje to jedynie częściowym spaleniem podczas deorbitacji, która odbywa się nad obszarem Oceanu Spokojnego. W takiej sytuacji istnieje zagrożenie dla statków wodnych przemieszczającymi się szlakami morskimi oraz statków powietrznych realizującymi lot w przestrzeni powietrznej.

Zapobieganie kolizjom obiektów kosmicznych ze szczątkami kosmicznymi

Jednym ze sposobów zapobiegania kolizjom operacyjnych obiektów kosmicznych ze śmieciami kosmicznymi jest ich śledzenie przez infrastrukturę naziemną. W tym celu wykorzystywany jest specjalistyczny sprzęt, taki jak radary, teleskopy oraz technologie LiDAR (ang. Light Detection and Ranging).

Niezwykle problematyczne pozostaje śledzenie odłamków poniżej 10 cm średnicy, co jest spowodowane ich niestabilnością orbitalną. Trzeba podkreślić, że stosowane oprzyrządowanie może monitorować wyłącznie te śmieci kosmiczne, które znajdują się w obszarach LEO i GEO. Dalsze regiony kosmosu nie są poddawane tak wnikliwym obserwacjom ze względu na ograniczenia technologiczne.

Drugą metodą mającą na celu ostrzeganie i unikanie kolizji obiektów kosmicznych ze szczątkami kosmicznymi stanowią dedykowane pomiary. Polegają one na wnikliwej analizie oraz zbadaniu pozyskanych elementów, które powróciły z przestrzeni pozaziemskiej i posiadały bezpośredni kontakt z odłamkami. Umożliwia to doskonalsze poznanie środowiska kosmosu skupionego wokół kierunków przemieszczania się odpadków kosmicznych. Takie rozpoznanie pozwala na wyznaczenie trajektorii przepływu śmieci i unikania wynoszenia obiektów kosmicznych do obszarów zagrożonych kolizją.

Rozwiązanie ograniczające powstawanie śmieci kosmicznych w przyszłości

Aby zredukować powstawanie szczątków kosmicznych ESA wystosowała podejście nazwane roboczo „zero debris”. Oznacza ono ogół wymagań i standardów dotyczących ograniczenia tego rodzaju zanieczyszczeń już na etapie projektowania obiektów kosmicznych, ich budowy, wykonywania lotu do przestrzeni pozaziemskiej, a także utylizacji. Zakłada się, że każde państwo członkowskie będzie zobligowane do przestrzegania nowych norm. Będzie to warunek konieczny do podjęcia współpracy z ESA.

„Obserwujemy dramatycznie zwiększone wykorzystanie przestrzeni kosmicznej, ale wciąż nie posiadamy wystarczającej technologii, która pomogłaby nam zapobiegać wynikającym z tego zagrożeniom. Nasz cel, aby stać się neutralnym pod względem śmieci w ciągu zaledwie kilku lat, będzie wymagał oczyszczenia orbit okołoziemskich po zakończeniu misji. Jeśli ekipa dowodząca misjaą tego nie zrobi, musi zostać aktywnie usunięta przez dedykowane pojazdy” – wyjaśnia Holger Krag, szef do spraw bezpieczeństwa kosmicznego ESA.

Założenia projektu „zero debris” mają zostać implementowane do 2030 roku. Natomiast 25 czerwca 2024 roku ESA zawarła umowę z trzema firmami kosmicznymi – Airbus Defence and Space, OHB oraz Thales Alenia Space – na opracowanie dużych platform satelitarnych na niską orbitę okołoziemską w zgodzie z koncepcją redukcji śmieci kosmicznych.