Nowa generacja stacji kosmicznych – koniec ery ISS [ANALIZA]

Nieunikniony koniec ISS

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ang.International Space Station – ISS) to dotychczas największy i projekt infrastruktury orbitalnej. Od chwili wyniesienia pierwszego modułu o nazwie Zaria w 1998 roku stacja przekształciła się w wielomodułowy kompleks badawczy. Jest on obsługiwany przez partnerów z pięciu głównych agencji kosmicznych: NASA (Stany Zjednoczone), Roskosmos (Rosja), ESA (Europa), JAXA (Japonia) i CSA (Kanada). Przez ponad 20 lat ISS funkcjonowała jako stale załogowe laboratorium orbitalne, w którym prowadzono eksperymenty w warunkach mikrograwitacji nierealne do wykonania na powierzchni Ziemi.

Pierwotnie zakładano eksploatację stacji przez 15 lat. Jednakże poprzez implementowane modernizacje techniczne, wymiany modułów i regularny serwis możliwe było przedłużenie jej zakładanego działania aż do lat 30. XXI wieku. Warto zauważyć, że stan techniczny konstrukcji, obejmujący wskazuje na wyraźne ograniczenia dalszego wykorzystywania stacji po 2030 roku.

Do najważniejszych uszczerbków należą pojawiające się pęknięcia mikrostrukturalne w starszych segmentach rosyjskich oraz degradacja eksploatacyjna systemów podtrzymywania życia i zasilania. Wobec tego, w dokumencie „International Space Station Transition Report” opublikowanym w 2022 roku, NASA jednoznacznie określiła 2030 rok jako docelowy moment zakończenia finansowania ISS.

Na decyzję tą wpłynęły kwestie finansowe zapewniające utrzymanie i operacje związane z obsługą stacji. Szacunki wskazują, że NASA przeznacza na ten cel ponad 3,5 miliarda USD z własnego budżetu. Większość środków wydzielana jest na logistykę, transport załóg oraz serwis. W obliczu nowych priorytetów odnoszących się do programu Artemis, a także przygotowań do eksploracji Marsa, agencja wyraźnie dąży do przekierowania zasobów finansowych i technologicznych na inne priorytety.

Z naukowego punktu widzenia ISS spełniła swoją funkcję jako platforma interdyscyplinarnych badań długoterminowych. Do katalogu istotnych osiągnięć zalicza się: identyfikację wpływu mikrograwitacji na fizjologię człowieka, rozwój metod hodowli komórek macierzystych, testy materiałów odpornych na promieniowanie kosmiczne, eksperymenty związane z biotechnologią. Wyniki wielu z tych badań znalazły zastosowanie w kontekście misji załogowych w głęboki kosmos oraz wpływają na rozwój urozmaiconych terapii medycznych na Ziemi.

Wymiar geopolityczny projektu ISS trzeba skonkludować jako unikatowy. Stacja stanowiła symbol ponadnarodowej współpracy, realizowanej mimo zmiennych uwarunkowań politycznych. Wspólna eksploatacja infrastruktury orbitalnej przez USA i Rosję była świadectwem konstruktywnego dialogu w obszarze badań kosmicznych. Fakt nabrał szczególnego znaczenia po zakończeniu programu wahadłowców w 2011 roku, gdy rosyjskie statków kosmicznych Sojuz stały się jedynym środkiem transportu na Międzynarodową Stację Kosmiczną.

Wraz z nieuchronnie zbliżającym się wyczerpaniem resursu ISS, dużym wyzwaniem staje się płynna kontynuacja obecności człowieka na niskiej orbicie okołoziemskiej. W odpowiedzi swoją gotowość do zaprojektowania i zbudowania stacji orbitalnej zgłaszają podmioty komercyjne. Przyszłość po ISS nie oznacza zakończenia aktywności kosmicznej, lecz transformację modelu operacyjnego z instytucjonalnego w kierunku komercyjno–partnerskiego.

Nowa generacja architektury orbitalnej – współczesne projekty amerykańskie

Wraz z planowanym wycofaniem ISS, NASA stopniowo przekazuje odpowiedzialność za obecność człowieka na niskiej orbicie okołoziemskiej sektorowi prywatnemu. Strategia ta została sformalizowana w ramach programu Commercial LEO Destinations (CLD). Jej celem jest rozwój niezależnych, komercyjnych stacji orbitalnych zdolnych do świadczenia usług badawczych, technologicznych i logistycznych dla instytucji publicznych i klientów prywatnych.

Interesującą inicjatywę zaprezentowano w ramach Axiom Space Station opracowywaną przez firmę Axiom Space przy współpracy z NASA. Planuje się, że pierwszy moduł stacji ma zostać wyniesiony na orbitę w 2027 roku i przez początkowy okres funkcjonować jako część ISS, zanim zostanie przekształcony w samodzielną konstrukcję orbitalną. Projekt Axiom Space Station zakłada modułową stację wielofunkcyjną, zorientowaną na prowadzenie zaawansowanych badań biomedycznych i testowanie materiałów w warunkach mikrograwitacji. Nie wyklucza się także obsługi klientów komercyjnych, w tym przede wszystkich zainteresowanych turystyką kosmiczną.

Inny projekt rozwija firma Vast, która planuje wyniesienie na orbitę okołoziemską swoją pierwszą komercyjną stację kosmiczną Haven–1 już w 2026 roku. Będzie ona stanowić autonomiczny moduł orbitalny o średnicy około 3,8 m i długości 10,1 metra, zaprojektowany do samodzielnego funkcjonowania lub dokowania z załogowymi statkami kosmicznymi typu Dragon.

Haven–1 ma zapewniać przestrzeń dla czterech astronautów przez okres do 30 dni, oferując systemy podtrzymywania życia, pełne zasilanie, internet Starlink oraz duże okno widokowe. W dalszej perspektywie Vast zakłada budowę większego modułu stacji orbitalnych z segmentami rotacyjnymi oznaczonego jako Haven–2. W zamyśle ma być on zdolny do wytworzenia sztucznej grawitacji na niskiej orbicie okołoziemskiej, przekładając się na zwiększenie komfortu i bezpieczeństwa długotrwałych misji.

Kolejną koncepcją jest Orbital Reef, stanowiąca wspólne przedsięwzięcie firm Blue Origin i Sierra Space realizowane z udziałem Boeinga, Redwire Space, Genesis Engineering Solutions i Arizona State University. Program określany jest jako „kosmiczny park przemysłowy”, ponieważ planowo będzie oferował szeroki katalog możliwości. W jego zakresie uwzględnia się badania naukowe, produkcję komponentów w środowisku nieważkości oraz komercyjne usługi transportowe i szkoleniowe. Stacja ma być skalowalna, a także przystosowana do współpracy z różnorodnymi pojazdami załogowymi od 2027 roku.

Na uwagę zasługuje również projekt Starlab, realizowany przez konsorcjum Voyager Space i Airbus Defence and Space. Przewiduje on skonstruowanie zintegrowanego modułu orbitalnego wyposażonego w systemy podtrzymywania życia, zaplecze badawcze oraz stanowiska do długoterminowych eksperymentów z zakresu biologii, chemii i fizyki materiałów. Oddanie stacji do użytku planowane jest na 2028 rok, z myślą o zapewnieniu ciągłości badań po deorbitacji ISS.

Nowa generacja architektury orbitalnej – współczesne projekty chińskie

W przeciwieństwie do zachodnich projektów znajdujących w fazie wczesnej realizacji, w pełni operacyjna pozostaje chińska Stacja kosmiczna Tiangong (ang.China Manned Space). Była ona budowana etapami od 2021 roku, zaś aktualnie składa się z trzech głównych modułów: modułu centralnego – Tianhe oraz modułów laboratoryjnych – Wentian i Mengtian. Została ukończona w 2022 roku, a regularne rotacje załóg i kontynuacja eksperymentów naukowych zapewniają jej stabilne funkcjonowanie.

Chiny deklarują, że Tiangong pozostaje otwarta na międzynarodową współpracę, zwłaszcza z państwami rozwijającymi się. Jednak faktyczny dostęp do infrastruktury jest ograniczony, głównie ze względu na geopolityczne napięcia oraz obowiązujące regulacje. Tiangong reprezentuje krytyczny element chińskiego programu długoterminowej obecności człowieka w kosmosie i pełni funkcję zaplecza technologicznego dla planowanych misji księżycowych oraz projektów robotycznych.

Stacja też prowadzi badania z zakresu biologii kosmicznej, materiałoznawstwa i technologii satelitarnych oraz testuje komponenty dla przyszłych systemów eksploracyjnych. Ze względu na niezależność technologiczną i rosnące doświadczenie w lotach załogowych, Tiangong jest często postrzegana jako odpowiednik ISS, lecz bez udziału zachodnich partnerów.

Nowa generacja architektury orbitalnej – współczesne projekty rosyjskie

W odpowiedzi na zmieniającą się architekturę orbitalną, Roskosmos ogłosił w 2021 roku plan budowy własnej stacji kosmicznej o nazwie Rosyjska Orbitalna Stacja Serwisowa (ROSS). Nowa konstrukcja będzie umieszczona na orbicie o większym nachyleniu wynoszącego około 97°. Parametry te pozwolą na obserwację niemal całego terytorium Federacji Rosyjskiej. Planowana stacja ma mieć charakter modułowy z zaawansowanymi systemami obserwacyjnymi, technologicznymi i serwisowymi.

Zakłada się, że pierwszy moduł zostać wyniesiony nie wcześniej niż w drugiej połowie dekady. Realizacja samego projektu pozostaje niepewna ze względu na trudności finansowe, sankcje technologiczne oraz opóźnienia wynikające z rosnącej izolacji Rosji w sektorze międzynarodowej współpracy kosmicznej. Nieklarowna pozostaje kwestia czy ROSS zastąpi rosyjski segment ISS przed jej deorbitacją czy też będzie projektem komplementarnym w fazie przejściowej.

Funkcje i możliwe zastosowania nowych stacji orbitalnych

Źródła wskazują, że jednym z wiodących obszarów aktywności nowych stacji będzie rozwój eksperymentów biomedycznych i farmaceutycznych w warunkach mikrograwitacji. Środowisko orbitalne umożliwia prowadzenie badań nad zachowaniem komórek, białek i tkanek bez wpływu siły ciężkości. Prowadzi to do obserwacji procesów niedostępnych w warunkach naziemnych. Dotyczy to choćby hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych, badania mutacji DNA, ekspresji genów oraz wzrostu kryształów białek niezbędnych w procesie projektowaniu leków.

Firmy farmaceutyczne Merck oraz LambdaVision w przeszłości realizowały eksperymenty tego rodzaju na pokładzie ISS. Nowe stacje będą zorientowane na usługi komercyjne, zapewniając większą elastyczność czasową i infrastrukturalną dla takich badań. Ponadto, rozważa się ułatwienie dostępu do dedykowanych inkubatorów, bioreaktorów i systemów analitycznych. Możliwość testowania leków i terapii w warunkach mikrograwitacji może przyczynić się do przyspieszenia innowacji w medycynie regeneracyjnej, onkologii i neurobiologii.

Przyszła infrastruktura orbitalna będzie stanowić również środowisko testowe dla technologii inżynieryjnych przeznaczonych do misji dalekiego zasięgu. Obecnie spekuluje się, że będą to głównie systemy zasilania, materiały konstrukcyjne, mechanizmy robotyczne i systemy podtrzymywania życia. Weryfikacja komponentów w warunkach kosmicznych, narażonych na promieniowanie, próżnię i zmienne temperatury pozwala na przyspieszenie ich kwalifikacji do zastosowań. Potencjalnie architektura nowych stacji może być używana do testów eksperymentalnych napędów jonowych, powłok termoizolacyjnych, algorytmów autonomicznej nawigacji oraz struktur rozkładanych w przestrzeni kosmicznej.

Następny obszar, którego rozwój może zostać zainicjowany dzięki powstaniu przyszłych stacji kosmicznej to przemysłowa produkcja w mikrograwitacji. Do ważnych przykładów warto zaliczyć światłowody ZBLAN, których jakość wytwarzania na orbicie przewyższa tą osiąganą na Ziemi. Jest to spowodowane ograniczeniem konwekcji i grawitacyjnych zaburzeń struktury w warunkach kosmicznych, co skutkuje znacznie niższym poziomem strat transmisyjnych.

Zastosowania obejmują zarówno światłowody, jak i precyzyjne stopy metali, układy optyczne oraz komponenty mikroelektroniki. Część przedsiębiorstw sektora kosmicznego, w tym firma Redwire Space, rozwija koncepcje mikrofabryk orbitalnych, które mogłyby produkować materiały o bardzo wysokiej wartości jednostkowej. Koncepcje te zakładają przystosowanie ich do działania w ekstremalnych środowiskach kosmicznych lub specjalistycznych dziedzinach technologii na Ziemi.

Stacje orbitalne zostaną powołane do pełnienia funkcji krytycznych komponentów wstępnego zaplecza logistycznego dla eksploracji przestrzeni poza niską orbitą okołoziemską. Działalność ta umożliwi gromadzenie zapasów, montaż ładunków, a także przeprowadzanie inspekcji i testów statków przed ich wysłaniem w kierunku Księżyca lub Marsa. W tym kontekście stacje komercyjne mogą zyskać innowacyjne struktury techniczne służące jako porty przeładunkowe i stacje transferowe.

W dłuższej perspektywie mogą zostać potraktowane w kontekście punktów awaryjnych lub serwisowych dla pojazdów międzyplanetarnych oraz platformy do zrobotyzowanego montażu dużych struktur orbitalnych. To podejście wpisuje się w szerszy trend ekspansji architektury orbitalnej, w którym orbita okołoziemska przestaje być celem samym w sobie, a staje się przystankiem na trasie dalszej eksploracji Układu Słonecznego.

Zagrożenie ciągłej obecności człowieka na niskiej orbicie okołoziemskiej

Brak ciągłości obecności cywilizacji ludzkiej w przestrzeni kosmicznej może oznaczać utratę wiedzy operacyjnej, przerwanie długoterminowych eksperymentów naukowych i ograniczenie dostępu do orbity dla wielu państwa. Z kolei dla społeczności naukowej fakt ten jest tożsamy z trudnościami w planowaniu eksperymentów, które wymagają wieloletnich obserwacji lub replikacji w kontrolowanym środowisku.

Do największych technologicznych wyzwań zapewniających bezpieczne przebywanie człowieka w warunkach mikrograwitacji jest rozwój niezawodnych, autonomicznych systemów ECLSS (ang.Environmental Control and Life Support Systems). Są one w stanie zapewnić cyrkulację powietrza, wody oraz kontrolę temperatury i składu atmosfery. Systemy stosowane na ISS podlegają intensywnemu serwisowaniu, a także wymagają częstych napraw, natomiast rozwiązania przyszłości muszą być bardziej odporne na awarie i mniej zależne od zaopatrzenia z Ziemi.

Równocześnie pojawia się problem ochrony przed promieniowaniem kosmicznym. ISS znajduje się w relatywnie bezpiecznej strefie wewnątrz pasów Van Allena. Trzeba nadmienić, że przyszłe stacje planowane jako mobilne lub wysokoorbitalne będą narażone na znacznie silniejsze oddziaływanie promieniowania. Skuteczna ochrona przed promieniowaniem jonizującym wymaga zastosowania materiałów wielowarstwowych lub systemów aktywnych, które są nadal w fazie eksperymentalnej.

Zarządzanie odpadami orbitalnymi i ryzyko kolizji ze stacjami kosmicznymi

Niska orbita okołoziemska jest coraz bardziej zatłoczonym środowiskiem, co bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo przyszłych stacji kosmicznych. Zgodnie z danymi ESA pochodzącymi z 2023 roku wokół Ziemi krąży ponad 30 tysięcy zidentyfikowanych obiektów większych niż 10 cm i miliony mniejszych fragmentów. To właśnie one pozostają szczególnie trudne do monitorowania, ale mogą powodować znaczne uszkodzenia. Rozbudowa megakonstelacji satelitarnych oraz rosnąca liczba startów komercyjnych istotnie zwiększają ryzyko niekontrolowanych kolizji i powstawanie syndrom Kesslera.

W odpowiedzi na zagrożenia generowane przez śmieci kosmiczne rozwijane są systemy śledzenia i zarządzania ruchem kosmicznym (ang.Space Traffic Management – STM). Należy podkreślić, że obecnie brakuje wiążących, globalnych regulacji dotyczących odpowiedzialności, unikania kolizji i usuwania powstających szczątków. Problem ten szczególnie dotyka operatorów prywatnych, którzy muszą mierzyć się z ryzykiem ubezpieczeniowym oraz technologiczną złożonością pasywnego i aktywnego uniku.

Z uwagi na rosnące zagrożenie, przyszłe stacje orbitalne będą musiały być projektowane z uwzględnieniem manewrowości, odporności na mikrozderzenia oraz możliwości szybkiej reakcji na alerty STM. W dłuższej perspektywie konieczne będzie też wdrożenie międzynarodowych standardów dotyczących deorbitacji, demontażu nieczynnych obiektów oraz aktywnego usuwania śmieci kosmicznych.

Niska orbita okołoziemska – obszar współpracy czy fragmentacji?

Przez niemal trzy dekady Międzynarodowa Stacja Kosmiczna stanowiła wyjątkowy symboliczny przykład globalnej współpracy w warunkach wymagających ciągłego zaufania technicznego i operacyjnego. W dobie kryzysów dyplomatycznych i konfliktów zbrojnych ISS pozostawała przestrzenią względnie apolityczną, gdzie amerykańskie, rosyjskie, europejskie, japońskie i kanadyjskie załogi realizowały wspólne cele naukowe. Ten model postępowania stworzył precedens dla złożonego, wielostronnego zarządzania obiektem orbitalnym.

W czasach współcześnie zdominowanych przez inicjatywy narodowe oraz przedsięwzięcia prywatne trudno o powtórzenie i bezproblemowe zachowanie tej formuły. Interesy państw rozwijających własne kompetencje kosmiczne coraz częściej mijają się z celami partnerstw wielostronnych. Z kolei prywatni operatorzy kierują się przede wszystkim logiką rynkową i potrzebą zwrotu z inwestycji. Dodatkowo brak spójnych standardów technicznych oraz reżimu regulacyjnego w zakresie interoperacyjności oraz dostępu do danych badawczych grozi dalszym rozproszeniem działań.

Niską orbitę okołoziemską najprawdopodobniej czeka przejście z modelu jednolitej, międzynarodowej platformy do sieci obiektów o różnym statusie prawnym, funkcjach i stopniu otwartości. Nie musi to oznaczać pełnej fragmentacji. Wspólne interesy w zakresie bezpieczeństwa lotów, zarządzania ruchem orbitalnym, standaryzacji eksperymentów naukowych i wymiany danych mogą wymusić stworzenie nowego modelu współpracy. Jednakże nie przewiduje się, aby posiadał on charakter zintegrowany, lecz rozproszony przy jednoczesnym zachowaniu funkcjonalności na rzecz współpracy pomiędzy poszczególnymi podmiotami.

Otwarte pozostaje pytanie czy społeczność międzynarodowa zdoła wypracować mechanizmy współzarządzania przestrzenią orbitalną w sposób umożliwiający dalszy rozwój nauki, technologii i bezpieczeństwa. Alternatywą może być system wieloośrodkowy, w którym każde państwo lub podmiot komercyjny funkcjonuje w izolacji z ryzykiem powielania wysiłków, ograniczonego transferu wiedzy i zwiększonego ryzyka operacyjnego.