Rosnące zagrożenie ze strony śmieci kosmicznych

space-based-internet-services

Śmieci kosmiczne to temat bardzo często poruszany w mediach. Stał się także głównym problemem bohaterów filmu Grawitacja. Dzięki temu filmowi szeroka publiczność dowiedziała się, że śmieci kosmiczne stanowią spore zagrożenie dla ziemskiego programu misji kosmicznych oraz dla aktywnych satelitów na orbicie okołoziemskiej. Nic dziwnego skoro przy prędkościach orbitalnych już nawet niewielkie drobiny… są w stanie doprowadzić do katastrofy. Któregoś dnia śmieci kosmiczne mogą doprowadzić do niesamowitych zniszczeń na orbicie. Wystarczy aby ich ilość osiągnęła krytyczny poziom, który spowoduje reakcję łańcuchową kolejnych zderzeń coraz większej liczby odłamków z innymi (syndrom Kesslera). Wiele osób natomiast nie jest świadoma faktu, że śmieci kosmiczne bezustannie obniżają orbitę i wchodzą w atmosferę ziemską gdzie ulegają dalszej fragmentacji i częściowemu spłonięciu. Fragmenty, które przetrwają wejście w atmosferę mogą uderzyć w dowolne miejsce na Ziemi. Jeżeli nikt nie weźmie się za zdecydowane działania z czasem ryzyko spotkania człowieka, samochodu, statku czy samolotu ze spadającym odłamkiem będzie stopniowo rosło.

Śmieci kosmiczne na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) na wysokości między 160 a 2000 km są zazwyczaj postrzegane jako kwestia dotycząca tylko orbity. Jednak w ostatnich latach świadomość niebezpieczeństwa związanego z zagrożeniem ze strony niekontrolowanego wejścia w atmosferę zaczęła wzrastać. Wejście śmieci kosmicznych w atmosferę prowadzi do dezintegracji obiektu. Niektóre fragmenty ulegają całkowitemu zniszczeniu podczas wejścia w atmosferę, jednak inne mogą przetrwać lot i uderzyć w powierzchnię Ziemi.

Ryzyko dla ludzi  ze strony fragmentów śmieci kosmicznych, które przetrwają lot przez atmosferę jest niewielkie jednak nie pomijalne. Eksperci mogą zapewniać, że ryzyko jest minimalne i jak dotąd nikt nie został zraniony ani nie zginął od uderzenia śmieciem kosmicznym. Wszak do dzisiaj jedyny kontakt człowiek ze spadającym odłamkiem kosmicznym miał miejsce w 1997 roku w miejscowości Tulsa w stanie Oklahoma w USA. Mieszkanka Tulsy wyprowadzająca psa została uderzona w ramię przez stosunkowo wolno opadający, metalowy element. Okazało się, że był to fragment drugiego stopnia rakiety Delta II, który po ośmiu miesiącach spędzonych na orbicie właśnie wszedł w atmosferę. Czego jednak eksperci najczęściej nie mówią to fakt, że w tym samym czasie w ogródku farmera z Georgetown w stanie Teksas wylądował ważący 250 kg stalowy zbiornik na paliwo z tej samej rakiety.

orbital-debris-rocket-stage

Informacje o „lądowaniu” podobnych śmieci kosmicznych regularnie pojawiają się w prasie – szczególnie jeżeli dotyczy to stosunkowo dużych fragmentów. Czy to jest rzadkie zdarzenie? Absolutnie nie! Aktualnie około 100 dużych śmieci kosmicznych wchodzi w atmosferę Ziemi w ciągu roku. Czasami są to śmieci rozmiarów samochodu osobowego, a czasami sporych rozmiarów ciężarówki.

Przez wiele lat za znaczące zagrożenie uważano tylko bardzo duże obiekty kosmiczne takie jak Skylab czy stację MIR czy też satelity zawierające materiały radioaktywne lub trujące. Wiele satelitów i górnym stopni rakiet wchodzi w ziemską atmosferę, jednak tylko nieliczne zostały zgłoszone i odzyskane. Jest to wynikiem niskiego prawdopodobieństwa uderzenia w obszary zamieszkałe na powierzchni Ziemi. Jednak gdy zarządzano poszukiwania szczątków promu kosmicznego Columbia okazało się, że odnaleziono ich znacznie więcej niż przypuszczano. Zakłada się, że nawet od 10 do 40% suchej masy sprzed wejścia w atmosferę jest w stanie przetrwać i dolecieć do Ziemi. Niektóre badania przeprowadzone w Stanach Zjednoczonych określają ryzyko zderzenia samolotu z przypadkowym śmieciem kosmicznym na 3 do 10 000. To spore ryzyko gdy patrzymy na to długofalowo. Niewielkie fragmenty śmieci kosmicznych nie stanowią niebezpieczeństwa dla ludzi na Ziemi z uwagi na ich niską energię kinetyczną podczas uderzenia jednak mogą stanowić śmiertelne niebezpieczeństwo dla samolotów. Siły Powietrzne USA szacują, że fragment o masie 300 g może doprowadzić do katastrofy w momencie zderzenia z samolotem pasażerskim.

W najbliższych latach liczba satelitów obecnych na niskiej orbicie okołoziemskiej będzie wzrastała wykładniczo. W styczniu 2015 roku na LEO znajdowało się 669 satelitów, jednak w ITU (International Telecommunication Union) w Genewie złożono już wnioski o umieszczenie na orbicie w najbliższych latach kolejnych 11 000 satelitów wliczając w to megakonstelacje 4000 satelitów takie jak chociażby zgłaszane przez US SpaceX czy Norway STEAM-1. Takie megakonstelacje są częścią tak zwanego kosmicznego internetu mającego na celu dostarczenie internetu do 3 miliardów użytkowników w rozwijających się krajach. Takie satelity internetowe będą mniejsze, średnio o masie 150 kg i będą miały krótszą żywotność, a tym samym będą wymagały częstej wymiany.

Istnieją dwa główne sposoby pozbywania się sond i górnych stopni rakiet z orbity LEO: naturalna degeneracja orbity prowadząca do niekontrolowanego wejścia w atmosferę oraz kontrolowane wejście w atmosferę w skutek celowego zepchnięcia obiektu z orbity. Najtańszą metodą usunięcia satelity z orbity, niewymagającą dodatkowego paliwa lub specjalnych systemów jest obniżenie wysokości perygeum tak, aby opór atmosfery powodował szybszą degenerację orbity. Z uwagi na fakt, że do niekontrolowanych wejść w atmosferę dochodzi pod bardzo niewielkim kątem, przewidywanie obarczone są ogromnymi niepewnościami co do rzeczywistej gęstości atmosfery w momencie wejścia w nią obiektu. Kolejne niepewności dotyczą położenia i dynamiki wchodzącego w atmosferę sprzętu. Skutkiem tych niepewności jest brak możliwości precyzyjnego przewidzenia momentu i miejsca wejścia w atmosferę. W najlepszym wypadku błąd wynosi 10 procent, a to oznacza, że na godzinę przed wejściem w atmosferę punkt wejścia można określić z dokładnością….  ±2740 km.

Kontrolowane wejście w atmosferę jest obowiązkowe w przypadku obiektów, których masa jest na tyle duża, że liczba szczątków, które mogą przetrwać lot przez atmosferę stwarza większe niż akceptowalne ryzyko. Ten rodzaj usuwania obiektów z orbity zapewnia pewność co do miejsca wejścia w atmosferę np. nad rozległym oceanem. W ten sposób znacznie można zminimalizować zagrożenie dla ludzi. W celu przeprowadzenia kontrolowanego wejścia w atmosferę po zakończeniu misji niezbędny jest prawidłowo działający napęd zdolny zmienić prędkość obiektu (delta V), odpowiedni zapas paliwa oraz sprawne systemy pokładowe.

Aktualnie nie obowiązują żadne międzynarodowe przepisy dotyczące ryzyka związanego ze śmieciami kosmicznymi wchodzącymi w atmosferę ziemską. Póki co standardy ISO pozostawiają władzom danego kraju decyzję o dopuszczalnym poziomie ryzyka. Jeden kraj – Francja – zakazał prawnie niekontrolowanych wejść w atmosferę satelitów oraz górnych stopni rakiet. Przepisy zaczną obowiązywać od stycznia 2020 roku.

Z uwagi na fakt, że satelity internetowe nadchodzących megakonstelacji są lekkimi konstrukcjami – z łatwością spełniają próg ryzyka ustawiony w USA na 1 do 10 000. Jednak gdyby policzyć górne stopnie rakiet pozostawione na orbicie w trakcie wysyłania tych megakonstelacji, wejścia w atmosferę nieaktywnych satelitów oraz elementów rakiet, może się okazać, że będą one się powtarzały wielokrotnie w ciągu dnia. Tym samym będą stanowić coraz większe ryzyko dla ludności na lądzie, na morzu czy w samolotach. Chyba, że odpowiednio wcześnie całkowicie zakaże się niekontrolowanych wejść w atmosferę na poziomie międzynarodowym.

Źródło: Space Safety Magazine

Komentarze

comments