Zaśmiecamy orbitę Ziemi. Kosmiczny karambol to kwestia czasu

27 stycznia 2023 roku asteroida wielkości ciężarówki przeleciała w odległości 3600 kilometrów od Ziemi. Wielokrotnie bliżej niż niejeden satelita telekomunikacyjny. A jednak to nie ona tego dnia mogła stać się przyczyną kosmicznego karambolu. Czy ktoś tego pilnuje?

Dziesięć godzin po tym przelocie, na wysokości 984 km nad Ziemią, dwa inne obiekty, o podobnych rozmiarach co wspomniana asteroida, minęły się w odległości jedynie 6 metrów. Była to pozostałość radzieckiej rakiety z lat 60. XX wieku oznaczona symbolem SL-8 i rosyjski satelita szpiegowski z 1998 roku, Kosmos 2361. Ten przelot był już potencjalnie niebezpieczny.

W przypadku zderzenia sprawy przybrałyby zły obrót. Rakieta i satelita rozpadłyby się na tysiące odłamków, które kontynuowałyby ruch obiegowy wokół Ziemi i zwiększyłyby liczebność kosmicznych śmieci. Stając się zabójczym zagrożeniem dla innych satelitów, pojazdów załogowych, gdy te znajdą się na torze ich lotu, a w końcu dla każdego, kto znajduje się w kosmosie.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Mały kamyczek, rzucony w stronę przejeżdżającego drogą samochodu co najwyżej pognie karoserię, ale gdybyśmy zdołali ten kamyczek rzucić z szybkością 28 000 kilometrów na godzinę, czyli taką która pozwala z Zakopanego do Gdańska dotrzeć w minutę? Samochód by tego nie przetrwał. To, co by się wydarzyło, nie byłoby wypadkiem, to byłaby katastrofa.

Z taką właśnie prędkością poruszają się satelity na wysokości kilkuset kilometrów nad naszą planetą, tak szybko przemieszcza się również Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Dlatego jej pełny obieg wokół Ziemi trwa jedynie blisko godziny. Taką prędkość mają także kosmiczne śmieci i dlatego są tak zabójcze w przypadku kolizji.

Gdy trafią w pojazd bezzałogowy stracimy sprzęt, gdy trafią w załogowy pojazd, zagrożą życiu znajdujących się na pokładzie ludzi. Problem stanowi też fakt, że potencjalnie niebezpiecznych "pocisków", którymi są "kosmiczne śmieci" przybywa i ciężko może być, odwrócić ten trend.

Ludzkość wysyła na orbitę Ziemi różnego typu pojazdy od 1957 roku, gdy jako pierwszy trafił tam radziecki satelita Sputnik 1. Od lat 60. XX wieku do końca lat 80. XX, w czasie zimnej wojny i wyścigu zbrojeń, nie dbano o to co stanie się z satelitami, gdy skończą swoją pracę. Nie interesowano się pozostałościami rakiet, które nie spadały na Ziemię, a pozostawały na orbicie. Najstarszy fragment rakiety, który wciąż orbituje wokół Ziemi, pochodzi z lotu satelity Vanguard 2 z 1959 roku.

To nie wszystko, pozostałości rakiet, nieaktywne lub uszkodzone satelity mogą same eksplodować i wytworzyć chmurę odłamków. Wybuchają resztki paliwa, baterie lub inne łatwopalne substancje. Ostatni taki wypadek miał miejsce w listopadzie 2022 roku, gdy na wysokości około 830 km nad Ziemią eksplodowały pozostałości chińskiej rakiety Długi Marsz 6A. Rozpadła się ona na prawie 500 odłamków.

Na dodatek warunki w kosmosie sprawiają, że umieszczone w nim obiekty powoli niszczeją. Odpada farba, fragmenty izolacji termicznej, pęka konstrukcja. To wszystko tworzy kosmiczne śmieci.

Dziś nasza świadomość zagrożeń, jakie stanowią "kosmiczne śmieci" jest większa. Budujemy rakiety, które wracają na Ziemię i można je ponownie użyć. Szukamy sposobów na deorbitację już nieaktywnych sond. Pomysłów jest wiele, satelity ze szponami lub zarzucaną siecią, ale też specjalne żagle, które po rozłożeniu ściągną pojazd w stronę atmosfery, gdzie ulegnie on spaleniu.

Niestety ostatnia dekada XXI wieku zaowocowała również znaczącym przyśpieszeniem rozwoju technologii satelitarnych. Satelity budujemy szybciej i taniej, pojawiły się konstrukcje wykonywane w technologii druku 3D.

Dzięki miniaturyzacji (konstrukcje typu cubesat o rozmiarach od kilkunastu do kilkudziesięciu cm) umieszczamy satelity w kosmosie w dużej liczbie. W styczniu 2021 SpaceX za jednym razem wyniosło na orbitę 143 niewielkie satelity. W pierwszym tegorocznym starcie 114.

W 2022 roku zanotowano rekordową liczbę 155 startów rakiet. W tym roku tylko SpaceX ma apetyt na 100 startów. Poniżej podsumowanie naszej dotychczasowej ekspansji na orbitę Ziemi (od 1957 do 2022 roku).

•                miało miejsce 6370 udanych startów rakiet,

•                w ich wyniku na orbicie Ziemi umieszczono 15090 satelitów,

•                w kosmosie wciąż pozostaje ich 9800,

•                działa z nich 7200,

•                ale wszystkich śledzonych obiektów na orbicie Ziemi jest już 32290,

•                na orbitę trafiło 10600 ton wytworów ziemskiej technologii.

To coraz większe tempo rozwoju branży kosmicznej sprawia, że liczba obiektów na orbicie bardzo szybko się zwiększa. Gdy kończą one swój nominalny czas pracy dołączają do innych kosmicznych śmieci.

W odległości do 1000 km ponad Ziemią potrafimy śledzić kosmiczne śmieci o rozmiarach (średnicy) około 5 - 10 cm. Na orbicie geostacjonarnej, czyli w odległości około 36000 km, już tylko takie co mają nie mniej niż metr średnicy.

Najbardziej przerażające jest to, że nie widzimy wszystkich kosmicznych śmieci, a jest tego piekielnie dużo. Tych mniejszych niż 10 cm i większych niż 1 cm jest ponad milion. A już one mogą kompletnie zniszczyć satelitę czy uszkodzić nieodwracalnie załogowy pojazd. Do tego trzeba doliczyć drobnicę, o wielkości od jednego milimetra, do centymetra, której może być nawet 130 milionów.

Dotychczas dopisuje nam szczęście. Dramatów na orbicie z udziałem człowieka i kosmicznych śmieci jeszcze nie doświadczyliśmy. Ich pojawienie się może być tylko kwestią czasu.

Na niskiej orbicie ziemskiej (LEO), czyli poniżej 2000 km nad Ziemią, tylko w 2022 roku miało miejsce 836 mijanek dwóch obiektów w odległości mniejszej niż 100 m.

Dlatego w przypadku Międzynarodowej Stacji Kosmicznej już przy prawdopodobieństwie wynoszącym 1:100000 trafienia na znaną nam grupę kosmicznych śmieci, wykonywane są manewry korygujące orbitę stacji, by uniknąć zderzenia. A to prawdopodobieństwo mniejsze niż szansa trafienia piątki w Lotto. Od 2001 roku takich korekt wykonano już ponad 30. Pamiętajmy, że w końcu pracują tam ludzie, którzy nie powinni obawiać się każdego dnia o swoje życie.

Ryzyko kosmicznych wypadków spędza sen z powiek także pracownikom sektora kosmicznego na Ziemi, choć oni nie muszą martwić się o swoje życie. Uszkodzeniu w wyniku zderzenia z kosmicznymi śmieciami mogą ulec w dowolnej chwili satelity meteorologiczne, komunikacyjne, nawigacyjne. Konsekwencje przerw w funkcjonowaniu wykorzystujących je usług odczulibyśmy my sami.

Większość kosmicznych śmieci spala się w atmosferze. Za to im coś jest wyżej na orbicie, tym dłużej opada na Ziemię i stanowi zagrożenie. Z wysokości 500 km przez 25 lat, na 800 km przez 150 lat, na 1200 km już 2000 lat. Największym problemem są kosmiczne śmieci na wysokościach od 800 do 900 km nad powierzchnią Ziemi. Tam powstaje ich najwięcej, tam jest też dużo satelitów.

To kwestia czasu, gdy dojdzie do zderzenia jednej z chmur odłamków lub pojedynczych fragmentów z ważnym dla nas satelitą, który na czas nie zdoła przed nimi uciec.

Pierwszą zarejestrowaną kosmiczną kolizją było zderzenie satelitów Iridium-33 i Kosmos 2251. Roztrzaskały się one na wysokości 776 km nad Syberią 10 lutego 2009 roku tworząc około 2300 fragmentów. Takich przypadkowych kolizji było w historii stosunkowo niewiele, ale - jak wiemy - są inne źródła kosmicznych śmieci. Zdarzeń w wyniku których powstały znamy już ponad 600, a z innych po prostu nie zdajemy sobie sprawy.

Do tego doliczyć trzeba konsekwencje ludzkiej głupoty. W 2007 roku Chiny testując swój system niszczenia satelitów (ASAT) zestrzeliły swojego satelitę pogodowego Fengyun-1C znajdującego się na wysokości 865 km. W efekcie powstało ponad 3500 odłamków, wówczas 25 proc. wszystkich śledzonych tego typu obiektów na orbicie. Podobny rosyjski eksperyment z 2021 roku zaowocował chmurą 1500 odłamków, których przelot w pobliżu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej sprawił, że załoga musiała przygotować się do potencjalnej ewakuacji.

Bezpieczeństwo na orbicie Ziemi jest z roku na rok coraz bardziej zagrożone. Dlatego coś takiego jak kosmiczna policja musi istnieć. Jej zadanie to:

•                kierowanie ruchem w przestrzeni kosmicznej,

•                pilnowanie, by nie dochodziło katastrof z winy człowieka,

•                egzekwowanie przepisów związanych z ruchem na orbicie Ziemi,

•                monitorowanie położenia obiektów na orbicie, ocena ryzyka katastrof.

Pod pewnymi względami to zadania podobne jak stróży prawa na Ziemi, ale przyszłość rodem z filmów sci-fi, z kosmicznymi radiowozami, jest bardzo odległa. Dziś potrzebne są przede wszystkim centra superkomputerowe, które liczą ruch obiektów na orbicie, obserwatoria, które pozwalają je śledzić. A przede wszystkim ludzka odpowiedzialność.

Rolę kosmicznego policjanta pełnią obecnie przede wszystkim USA. Europa ma swoje instytucje zajmujące się problemem kosmicznych śmieci, ale nie jest samodzielna. Dlatego rozwijana jest inicjatywa, w której udział bierze 15 państw UE, w tym Polska. W jej efekcie Europa ma stworzyć własny system zarządzania przestrzenią kosmiczną, który niczym dodatkowy posterunek, będzie współpracował z amerykańskim.