Zanim skończy się przestrzeń. Przyszłość niskiej orbity okołoziemskiej [ANALIZA]

Drastyczny spadek kosztów wyniesienia ładunku na orbitę uczynił opłacalną budowę megakonstelacji liczących setki, a nawet tysiące satelitów. Dziś, gdy na orbitach znajduje się już ok. 15 tys. satelitów, szacuje się, że ich łączna liczba wzrośnie do 100 tys. do 2030 roku, a dekadę później może sięgnąć nawet pół miliona.

Setki tysięcy satelitów w drodze na LEO

Drastyczny spadek kosztów wyniesienia ładunku na orbitę uczynił opłacalną budowę megakonstelacji liczących setki, a nawet tysiące satelitów. Dziś, gdy na orbitach znajduje się już ok. 15 tys. satelitów, szacuje się, że ich łączna liczba wzrośnie do 100 tys. do 2030 roku, a dekadę później może sięgnąć nawet pół miliona.

Wzrost ten do tej pory był w zdecydowanej większości napędzany przez SpaceX i tworzony przez nią system satelitarny Starlink. Megakonstelacja składa się aktualnie z prawie 10 tysięcy satelitów z docelowych 12 tysięcy, z możliwością jej rozszerzenia o następne 30 tysięcy. Firma Elona Muska nie chce na tym poprzestawać i już pod koniec tego stycznia złożyła wniosek do amerykańskich władz o pozwolenie na wyniesienie do miliona satelit mających tworzyć kosmiczne centrum danych do trenowania systemów AI.

Kroku Muskowi chce dotrzymać Jeff Bezos. Do 2030 roku na orbitę ma trafić ponad 3 tys. satelitów zapewniających internet w ramach projektu Amazon Kuiper, a w styczniu Blue Origin ogłosiło plan budowy ponad 5-tysięcznej sieci komunikacyjnej Terra Wave. O część rosnącego tortu kosmicznej telekomunikacji i centrów danych chcą walczyć także wielu innych graczy amerykańskiego sektora kosmicznego obawiając się szybkiej monopolizacji tego lukratywnego rynku przez SpaceX.

Do konkurencji z nimi chcą stanąć Chiny — nie tyle z komercyjnych pobudek, lecz strategicznych obaw o zostanie w tyle. Pekin chce zająć korzystne miejsca na orbicie i zaoferować innym państwom geopolityczną alternatywę dla amerykańskich systemów satelitarnych.

W grudniu Chiny złożyły dokumenty dotyczące dwóch megakonstelacji (roboczo CTC-1/CTC-2), które łącznie miałyby liczyć aż 200 tys. satelitów w zagrywce interpretowanej jako chęć „rezerwacji” przestrzeni orbitalnej. Równocześnie Państwo Środka jest już w trakcie budowy swoich dwóch pierwszych megakonstelacji: Guowang i Qianfan, które mają docelowo obejmować odpowiednio 13 i 14 tys. satelitów dostarczających internet.

Orbitalny wyścig i kosmiczny land grabbing

Ruchy te w dużej mierze kierowane są logiką „kto pierwszy, ten lepszy” w sytuacji braku reżimu prawnego, który regulowałby dystrybucję miejsc na niskiej orbicie okołoziemskiej. Stan ten powoduje orbitalny wyścig, w którym rywalizujące ze sobą firmy i państwa starają się uprzedzić siebie nawzajem w składaniu wniosków, zgłaszaniu pretensji oraz fizycznym zajmowaniu najbardziej optymalnych orbit własnymi konstelacjami.

Praktyki te można nazwać kosmicznym „land-grabbingiem”, gdzie głównym celem jest rezerwacja — czy to fizyczna, czy deklaratywna — najbardziej wartościowych slotów orbitalnych dla czerpania z nich znaczących zysków ekonomicznych i strategicznych. Przy obecnym natężeniu rywalizacji geopolitycznej i komercyjnej w przestrzeni kosmicznej można spodziewać się kolejnych zapowiedzi megakonstelacji oraz dalszej intensyfikacji tego zjawiska.

Problem organizacji przestrzeni orbitalnej

Zliczywszy tylko przytoczone powyżej projekty i zapowiedzi otrzymujemy liczbę ponad 1.2 miliona satelitów krążących w przyszłości po niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO — Low Earth Orbit). Choć na papierze obliczono, że maksymalna zrównoważona i stabilna przepustowość dla tej orbity ma wynosić ponad 10 razy więcej, bo aż 12,6 miliona satelit, to w rzeczywistości liczba ta może być o wiele mniejsza.

By to zrozumieć warto posłużyć się metaforą wielkiego parkingu. W pierwszym scenariuszu parking jest „dziki”: nie ma linii, wyznaczonych miejsc, ani parkingowego sprawiając, że to kierowcy muszą samodzielnie i arbitralnie wybierać, gdzie stanąć. Ponieważ pewne strefy są bardziej atrakcyjne (bliżej sklepu czy wyjścia), auta koncentrują się w najlepszych miejscach, tworząc chaos organizacyjny. W konsekwencji przestrzeń jest wykorzystana nieoptymalnie. Powstają luki, złe ustawienia i zatory, przez które realna pojemność parkingu spada poniżej tego, co byłoby możliwe przy dobrym rozplanowaniu.

W drugim scenariuszu parking jest zaplanowany i podzielony na sloty. Wyznaczone miejsca i drogi porządkują zachowanie kierowców, co pozwala zmaksymalizować liczbę dostępnych stanowisk, także w strefach najbardziej pożądanych. Rezultat to mniejszy chaos, większa przepustowość i większa przewidywalność.

Tę logikę można bezpośrednio przenieść na przestrzeń kosmiczną, gdzie brak precyzyjnego „rozrysowania” i zarządzania „slotami orbitalnymi” prowadzi do chaotycznego zajmowania najlepszych obszarów, gorszej efektywności wykorzystania orbity i rosnących zagrożeń operacyjnych. Natomiast planowanie i alokacja slotów mogłyby zwiększyć przepustowość orbity, uczynić ją bardziej stabilną i przewidywalną oraz obniżyć ryzyko kolizji.

Matematycznie dostępna przestrzeń a ryzyko

Ta sama metafora parkingu dobrze pokazuje różnicę między naturalną („intrinsic”) a bazowaną na ryzyku („risk-based”) pojemnością orbitalną wyróżnianą przez naukowców z MIT ARCLab. Ta pierwsza jest czysto geometryczną, fizyczną miarą teoretycznej pojemności takiego parkingu uzyskaną przez upychanie samochodów obok siebie przy minimalnych możliwych odstępach. Jednak każdy — nawet najlepszy — kierowca może popełnić błąd przy tak małym marginesie błędu prowadząc do paraliżu ruchu.

Dlatego wartością na jaką powinniśmy patrzeć jest pojemność bazowana na ryzyku, czyli czynniku ludzkim i skomplikowaności systemu. Oznacza to przejście z obliczania „ile się zmieści?”, do „ile może funkcjonować bezpiecznie?” przy założeniu, że ryzyko kolizji zostaje statystycznie obniżone do tolerowanego poziomu.

Analogicznie na orbicie fizycznie można byłoby „upakować” ogromne liczby satelitów przy zachowaniu minimalnych dystansów i nieprzerwanej perfekcyjnej koordynacji. Jednak w tym wypadku skutki nawet małego błędu byłyby opłakane potencjalnie uruchamiając niekontrolowany efekt orbitalnego domina znany jako Syndrom Kesslera. Stąd tak ważne jest zwiększenie odległości dzielących od siebie satelit do takiego stopnia, że prawdopodobieństwo zderzeń i ich skutków jest dla nas akceptowalne i zarządzalne.

Tragedia kosmicznego pastwiska

W tym ujęciu na pierwszy plan nie wysuwa się „problem liczby satelitów” jako taki — bo ten jest technicznie i organizacyjnie zarządzalny — lecz problem braku spójnego, międzynarodowego systemu alokacji i zarządzania ruchem na LEO, który umożliwiałby bezpieczne dojście do wysokich zagęszczeń.

Obecnie Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna (ITU) reguluje wyłącznie częstotliwości radiowe, a państwa mają obowiązek przekazywać ONZ jedynie informacje o orbitach wystrzelonych obiektów. Poza tym pozwolenia na umieszczenie satelity na danej orbicie wydają niezależnie krajowe organy administracyjne, np. amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC).

Ponieważ nie istnieje wiarygodny, powszechnie respektowany reżim poparty przez wszystkie największe potęgi kosmiczne, państwa i podmioty komercyjne działają w logice strategicznej rywalizacji pragnąć zgarniać jak największe połacie ograniczonej przestrzenii orbiotalnej dla siebie. Taki anarchiczny system musi prowadzić do wzrostu ryzyka i nieoptymalnego wykorzystania pełnego potencjału środowiska kosmicznego.

Ten problem najlepiej da się uchwycić przez klasyczny model „tragedii wspólnego pastwiska” (tragedy of the commons), gdzie publicznie dostępna przestrzeń jak pastwisko może być eksploatowana przez każdego bez żadnych ograniczeń. Wszyscy skupiają się na maksymalizacji własnych krótkoterminowych korzyści co prowadzi ostatecznie do przeciążenia i degradacji zasobów.

Podobnie jest z orbitą okołoziemską, która wedle traktatu o przestrzenii kosmicznej z 1967 jest dostępna do swobodnego użytku dla wszystkich państw. W tym przypadku, próby nadmiernej, niekontrolowanej eksploatacji tej przestrzenii przez rywalizujące ze sobą podmioty państwowe i prywatne może skutkować zaśmieceniem poszczególnych orbit do takiego stopnia, że staną się one operacyjnie niebezpieczna lub wręcz nieużytkowalne.

Wystarczy mała iskra

To że taki scenariusz jest możliwy nie wynika tylko z samych obliczeń i symulacji, ale codziennie obserwowanych zdarzeń na orbicie. Już w 2021 roku według danych zbieranych przez Hugh Lewisa z Uniwersytetu Southampton liczba bliskich zbliżeń obiektów na orbicie z udziałem satelit SpaceX na odległość bliższą niż 1 kilometr wynosiła 1600 każdego tygodnia.

W zeszłym roku SpaceX musiał wykonać około 300 tysięcy manewrów w celu uniknięcia kolizji na orbicie. Lewis przewiduje, że do 2027 roku ich liczba wzrośnie do miliona, co tylko uwidacznia o jak dużym ryzyku zderzenia mówimy przy dalszym wzroście.

Do rosnącego ryzyka przypadkowych kolizji należy dodać zagrożenia wynikające z umyślnych, wrogich działań Federacji Rosyjskiej. Kreml widzi w zatłoczonej LEO, na której tak bardzo polegają zachodnie wojska, „rozlaną benzynę”, którą można byłoby z łatwością podpalić. Na przykład Rosja mogłaby sprowokować „przypadkowe” zderzenie na orbicie lub przeprowadzić atak rakietą antysatelitarną na własnego bądź zachodniego satelitę, aby zaśmiecić orbitę i ograniczyć jej operacyjność.

W stronę reżimu orbitalnego dla LEO

Obecny tempo powstawania megakonstelacji i towarzyszące im rosnące ryzyko przekroczenia orbitalnej przepustowości wymaga więc międzynarodowej koordynacji. Najbardziej świadom tego faktu są oczywiście sami naukowcy i eksperci z branży kosmicznej, którzy coraz głośniej apelują o stworzenie spójnego reżimu zarządzania ruchem kosmicznym, zwłaszcza na LEO.

W większości propozycji opierałby się on na nowej agencji międzynarodowej, odpowiedzialnej za określanie pojemności poszczególnych orbit, wyznaczanie na tej podstawie slotów, ich alokację, monitorowanie ruchu oraz wydawanie ostrzeżeń o ryzyku kolizji. W tym kontekście podkreśla się także potrzebę mechanizmu rozstrzygania sporów, odpowiedniego zabezpieczenia interesów państw „niekosmicznych” oraz uwzględnienia rosnącej roli podmiotów prywatnych.

Punktem wyjścia dla rozważań o tym, jak taki system mógłby wyglądać w praktyce, jest istniejący od lat 60. reżim przydzielania miejsc na orbicie geostacjonarnej, zarządzany przez ITU. W jego ramach każdy podmiot musi uzyskać licencję na korzystanie z danego slotu orbitalnego, przyznawaną według zasady „first come, first served” na 15 lat, z możliwością przedłużenia. Przy czym takie podejście do licencjonowania ściśle ograniczonej liczby slotów w praktyce utrudnia wejście na rynek nowym podmiotom i państwom, ponieważ większość miejsc jest już zajęta.

Kwestia politycznej wykonalności

Trzeba jednak pamiętać, że sama potrzeba uregulowania LEO nie oznacza jeszcze politycznej wykonalności takiego rozwiązania. Trwały reżim może powstać tylko wtedy, gdy zostanie zaakceptowany i przestrzegany przez kluczowych aktorów, a jednocześnie uzyska legitymację w oczach państw dotąd słabiej obecnych na orbicie.

Te zależą od tego, jak poszczególni gracze oceniają opłacalność takiego reżimu w świetle własnych interesów. Najwięksi aktorzy — USA, Chiny i Europa — mierzą się z dwiema przeciwstawnymi przesłankami. Z jednej strony dysponują znaczną przewagą technologiczną i finansową, szczególnie Waszyngton i depczący mu po piętach Pekin, co skłania do dalszego zajmowania najbardziej atrakcyjnych orbit i konsolidowania kontroli, by w przyszłości decydować o dostępie i maksymalizować zyski.

Z drugiej strony niekontrolowane zaśmiecenie LEO byłoby najbardziej kosztowne właśnie dla państw najsilniej od niej zależnych i najbardziej na niej obecnych. Otwarte pozostaje pytanie, która z tych logik przeważy, choć na razie dominuje pokusa eksploatacji przewag i krótkoterminowych korzyści.

Po drugiej stronie znajdują się państwa globalnego Południa, dopiero wchodzące na orbitę i świadome swojego zapóźnienia w tej domenie. Można oczekiwać, że byłyby szczególnie zainteresowane ustanowieniem reżimu. Ich poparcie zależałoby jednak od postrzeganej sprawiedliwości systemu przydzielania slotów: musiałby on gwarantować im udział w zasobach orbitalnych, a nie utrwalać dominację obecnych liderów.

W tym kontekście pomostową rolę mogłaby odegrać Unia Europejska, lokująca się między tymi pozycjami. Wysuwając propozycję reżimu we współpracy z krajami globalnego Południa, mogłaby wzmocnić swój wpływ na kształtowanie norm kosmicznych oraz reputację wśród tych państw, nawet bez pełnego wdrożenia systemu. W razie sprzeciwu lub abstencji dwóch największych potęg UE i inne zaangażowane kraje mogłyby spróbować ustanowić reżim bez ich udziału. Wówczas USA i Chiny stanęłyby przed wyborem: zignorować nowe zasady kosztem reputacyjnym czy zacząć się do nich stosować.

Oprócz interesów i kalkulacji należy uwzględnić możliwość wystąpienia katalizatorów, czyli wydarzeń, które pokazałyby, że brak spójnego systemu zarządzania LEO generuje realne i rosnące ryzyko. W ekstremum można wyobrazić sobie kaskadę kolizji, prowadzącą do powstania obszaru o tak wysokiej gęstości odłamków, że jego dalsza eksploatacja stałaby się faktycznie niemożliwa. Taki scenariusz lub jego przedsmak mógłby skłonić państwa do szybkiej koordynacji i ustanowienia reżimu.

Reżim osadzony w geopolitycznych realiach

Myśląc o przyszłości LEO, należy zachować realizm wobec obecnych realiów geopolitycznych, które nie sprzyjają globalnej koordynacji. Trudno oczekiwać, aby w dobie słabnącego multilateralizmu, erozji globalnych instytucji i prawa międzynarodowego a narastającej rywalizacji i antagonizmu mocarstw udało się stworzyć reżim wprost zaprzeczający tym tendencjom.

Dlatego myślenie o sposobie ustanowienia i kształcie jakiegokolwiek systemu zarządzania LEO musi opierać się na zrozumieniu obecnych realiów geopolitycznych oraz właściwości samej orbity. Te rysują się następująco:

a) Rywalizacja w kosmosie w dającym się przewidzieć horyzoncie czasowym jest nieunikniona, ponieważ wynika z kondycji obecnego systemu międzynarodowego.

b) Pełna dominacja LEO przez jednego gracza jest nierealistyczna, a nawet gdyby do niej doszło, mogłaby zostać szybko podważona poprzez celowe zaśmiecenie orbity.

Tworzy to naturalne pole do wypracowania konsensusu. Po pierwsze, większość najbardziej zaangażowanych stron będzie widzieć korzyść w ustaleniu minimalnych zasad rywalizacji na orbicie, tak aby uniknąć katastrofy w postaci jej zaśmiecenia, które oznaczałoby utratę płynących z niej korzyści.

Po drugie, skoro pełna dominacja LEO jest nieosiągalna, a nawet po jej osiągnięciu łatwa do podważenia, nawet najpotężniejsi gracze mają większy interes w akceptowaniu obecności innych niż w skazanych na porażkę próbach ich zdominowania. Ta konieczność współegzystencji wymusza wypracowanie zasad współżycia akceptowalnych dla wszystkich.

Czy powyższe tworzy warunki do ustanowienia reżimu opartego na „sprawiedliwej” i równej alokacji miejsc? Nie. Czy stwarza możliwość wyznaczenia liczby slotów, ich lokalizacji oraz alokacji odzwierciedlającej obowiązującą równowagę sił, która faworyzuje silniejszych, ale dopuszcza udział słabszych? Niewykluczone.

W ten sposób można byłoby zabezpieczyć minimalne interesy wszystkich stron: dla największych potęg kosmicznych oznaczałoby to ochronę przed utratą dostępu do orbity lub jej zdominowaniem przez innego aktora, a dla państw wschodzących perspektywę realnej dostępności zasobów orbitalnych. To właśnie tu należy szukać nie idealnego, lecz realistycznego konsensusu, którego nasza wspólna orbita pilnie potrzebuje.