Kosmiczna ekologia Czy jesteśmy skazani na zaśmiecanie przestrzeni kosmicznej?

Transkrypt

1 Kosmiczna ekologia Czy jesteśmy skazani na zaśmiecanie przestrzeni kosmicznej? Bartłomiej Zakrzewski Ciekawostką, jaka pojawiła się na początku 2008 roku w czołówkach serwisów informacyjnych i gościła tam przez kilka dni, była informacja o amerykańskim satelicie szpiegowskim NROL-21, który wymknął się spod kontroli armii amerykańskiej i od tej chwili został zaliczony do szerokiej klasy obiektów zwanych po angielsku space debris, w polskiej terminologii określanych jako śmieci kosmiczne. Tamten śmieć miał dość szczególny charakter. Po pierwsze był stosunkowo duŝy (mniej więcej rozmiarów cięŝarówki), a ponadto zawierał w sobie pojemnik z trującym związkiem chemicznym hydrazyną. Gdyby fragmenty satelity spadły w sposób niekontrolowany na powierzchnię Ziemi, mogłyby stanowić potencjalne źródło zagroŝenia dla ludzi. Wprawdzie prawdopodobieństwo trafienia w obszary zaludnione jest w takim wypadku niezwykle małe, mimo to armia amerykańska podjęła decyzję o zniszczeniu nieposłusznego satelity jeszcze na orbicie. Po trafieniu uzbrojoną rakietą satelita został pofragmentowany na tyle skutecznie, Ŝe jego szczątki bez problemu spłonęły w górnych warstwach atmosfery. Wypadek ten moŝe być okazją do szerszego przedstawienia problemu złomu kosmicznego. Zagadnienia te w wielu krajach są znane i często komentowane. W Polsce zajmuje się nimi tylko wąska grupa specjalistów, a większe zainteresowanie wzbudzają jedynie przy okazji wydarzeń, o jakich wspomniano na wstępie. Problem róŝnej wielkości niesprawnych obiektów oraz ich części okrąŝających Ziemię pojawił się tuŝ po rozpoczęciu ery podboju kosmosu. Najstarszym urządzeniem, które do tej pory krąŝy po orbicie jako złom kosmiczny, jest amerykański satelita Vanguard 1C. Wystrzelony 17 marca 1958 roku był w pełni aktywny tylko przez 4 miesiące. Ostatni sygnał z nadajnika zasilanego bateriami słonecznymi odebrano w maju 1964 roku. Specjaliści spodziewają się, Ŝe satelita ten pozostanie na orbicie jeszcze co najmniej 200 lat, po czym spłonie w ziemskiej atmosferze. W następnych latach ilość kosmicznego złomu zaczęła stopniowo wzrastać. W ciągu 50 lat wystartowało z Ziemi ponad 4000 rakiet kosmicznych. Skutkiem tego na orbitach pojawiło się kilkadziesiąt tysięcy róŝnego typu obiektów i przedmiotów (o rozmiarach powyŝej 10 cm). Obecnie w kosmosie znajduje się ponad 12 tysięcy takich obiektów (patrz Strona 1

2 rys. 1.). Spośród nich tylko 7% to aktywne satelity, pozostałe orbitujące przedmioty są klasyfikowane jako róŝnego typu odpadki. Całkowita masa wszystkich elementów konstrukcyjnych i ich fragmentów (o rozmiarach powyŝej 10 cm i o masie powyŝej 1 kg) obejmuje 99,95% masy wszystkich śmieci orbitalnych. Łączną liczbę zanieczyszczeń o rozmiarach powyŝej 0,1 mm szacuje się na około 10 mln. Rys. 1. Rozkład przestrzenny satelitów, a co za tym idzie takŝe kosmicznego złomu, nie jest jednorodny. Robiąc szczegółowe pomiary liczby obiektów w zaleŝności od odległości od Ziemi, otrzymano dwa wyraźne maksima. Pierwszy wyraźny wzrost gęstości przestrzennej pojawia się na wysokości kilkuset kilometrów i osiąga maksimum na około 1000 km, a związany jest z umieszczonymi w tamtym rejonie satelitami krótkookresowymi, w tym stacjami kosmicznymi przystosowanymi do przebywania w nich ludzi. Drugie maksimum koncentracji znajduje się w odległości około km. Strona 2

3 Rozmieszczenie obiektów na tej wysokości jest znacznie zróŝnicowane. Większość z nich znajduje się wokół wąskiego pierścienia nad równikiem ziemskim. Skupisko to tworzą satelity umieszczone na orbicie geostacjonarnej. W kaŝdej z wymienionych grup, oprócz czynnych satelitów, gromadzą się w większym natęŝeniu urządzenia niesprawne oraz ich pozostałości. Zjawisko to prezentuje rozkład punktów na rys. 2. Rys. 2. Źródło: NASA Ilościową zaleŝność gęstości kosmicznych odpadów o rozmiarach powyŝej 1 mm (w szt./km 3 ) od wysokości nad powierzchnią Ziemi prezentuje rys. 3. Strona 3

4 Gęstość [1/km ] 3 Śmieci kosmiczne w przestrzeni wokółziemskiej GEO Wysokość [km] Opracowano na podstawie: Federico Morello, AN ASSESSMENT OF THE SPACE DEBRIS THREAT IN THE CONTEXT OF FUTURE SPACE TOURISM ACTIVITIES. Rys. 3. Szczególna sytuacja ma miejsce w pierwszej z omawianych grup. Bezpośrednim producentem odpadów na tej wysokości są takŝe ludzie, którzy przebywając na kolejnych stacjach orbitalnych, pozbywają się swoich śmieci, usuwając je wprost w przestrzeń kosmiczną. Obecność człowieka na stacjach jest źródłem tylko niewielkiej części kosmicznych śmieci. NajwaŜniejsze źródła, zasilające kosmiczny śmietnik, to elementy członów rakiet kosmicznych uŝywane w końcowych fazach lotu (najniŝsze człony rakiet spadają w sposób kontrolowany na powierzchnię Ziemi) oraz róŝnej wielkości elementy powstałe w wyniku eksplozji satelitów (a częściej róŝnych elementów ich wyposaŝenia) lub zderzeń róŝnej wielkości obiektów orbitalnych. Jeden taki wybuch potrafi być źródłem nawet setek tysięcy elementów. Przykładem jednego z największych tego typu zajść była eksplozja amerykańskiej rakiety Pegaz w 1996 roku, wskutek której powstało ponad 300 tys. fragmentów o wymiarach ponad 4 mm. Jedna z większych kolizji miała natomiast miejsce w lipcu Strona 4

5 1996 roku. Wtedy doszło do zderzenia fragmentu rakiety Ariane oraz francuskiego satelity CERISE. Spośród powstałych w ten sposób fragmentów około 500 największych zostało skatalogowanych. Osobnym problemem jest testowanie broni rakietowej, podczas którego zuŝyte satelity słuŝą jako tarcze. Na przykład w wyniku trafienia rakietą satelity Fengyun-1C, podczas testów przeprowadzonych przez chińskie siły zbrojne w styczniu 2007 roku, przybyło na niskich orbitach około 2600 elementów o wielkości powyŝej 10 cm (efekt ten moŝna dostrzec w górnej części wykresu na rys. 1.). Podobne eksperymenty militarne ZSRR z lat 70. i 80. XX wieku dodały około 700 duŝych obiektów, z których około 300 nadal pozostaje w kosmosie. Oczywiście kosmicznych śmieci ubywa, gdy obiekty orbitalne spadają na Ziemię (i w większości wypadków ulegają spaleniu w górnych warstwach atmosfery). Okres przebywania obiektu na orbicie zaleŝy od promienia tej orbity im bliŝej Ziemi znajduje się dany obiekt, tym bardziej jego ruch jest hamowany przez zewnętrzne warstwy ziemskiej atmosfery, dzięki czemu następuje szybsza utrata jego momentu pędu. Dla obiektów umieszczonych na wysokości 300 km czas ich przebywania na orbicie wynosi kilka tygodni. Gdy przeniesiemy obiekt na wysokość 500 km czas ten wydłuŝa się do około 1 roku, a na wysokości 800 km moŝe wynosić nawet ponad 100 lat. Na czas ten ma wpływ takŝe aktywność słoneczna. ZaleŜnie od fazy cyklu 11-letniego zmienia się gęstość najwyŝszych warstw ziemskiej atmosfery, co równieŝ ma wpływ na omawiany efekt. Zmniejszenie promienia orbity jest ponadto moŝliwe w wyniku oddziaływania wiatru słonecznego oraz efektów grawitacyjnych zmieniających kształt atmosfery, podobnych do tych, jakie wywołują powstawanie przypływów i odpływów morskich. Zmiany połoŝenia odpadów są dokonywane równieŝ w sposób kontrolowany, o czym będzie mowa w dalszej części artykułu. Główną przyczyną, która powoduje, Ŝe omawiane zagadnienie staje się coraz bardziej znaczące, jest potencjalne niebezpieczeństwo, jakie moŝe nieść ze sobą zanieczyszczanie przestrzeni kosmicznej odpadami. Problem ten dotyczy dwóch kwestii. Pierwsza to zagroŝenie dla ludzi wiąŝące się z upadkiem na Ziemię niespalonych w atmosferze pozostałości duŝych elementów rakiet lub satelitów. Drugą jest ryzyko związane ze zderzeniem się aktywnych satelitów z przedmiotami, których ruch orbitalny nie jest kontrolowany. Jak pokazał przykład omówiony na początku artykułu, zagroŝenie dla ludzi na Ziemi, wywołane obecnością kosmicznych śmieci, jest niezwykle małe, a w razie ewentualnego niebezpieczeństwa istnieją techniczne środki obrony. WaŜną rolę w systemie ochrony pełni szczegółowa baza danych, w której zawarte są informacje na temat orbit wszystkich obiektów stanowiących Strona 5

6 potencjalne zagroŝenie dla ludzi na Ziemi. Umieszczone są tam dane o niemal wszystkich obiektach o rozmiarach powyŝej 10 cm poruszających się na wysokości kilkuset kilometrów oraz tych, które mają ponad 1 metr i znajdują się w okolicy orbity geostacjonarnej. Dane są na bieŝąco aktualizowane na podstawie obserwacji prowadzonych w zakresie optycznym i radiowym w kilku placówkach naukowych na świecie. W przeszłości system ten był jednak nieco mniej skuteczny. Największym obiektem kosmicznym, jaki kiedykolwiek wyrwał się człowiekowi spod kontroli, była amerykańska stacja kosmiczna Skylab, która w sposób niekontrolowany spadła na terytorium Australii w czerwcu 1979 roku. Największy fragment 77-tonowej stacji, który przetrwał upadek, waŝył tonę. Sukcesem zakończyło się natomiast sprowadzenie z orbity na Ziemię rosyjskiej stacji kosmicznej Mir, która waŝyła 123 tony. Po w pełni kontrolowanej operacji obniŝania pułapu orbity stacja rozpadła się w górnych warstwach atmosfery i częściowo spłonęła, a jej szczątki wpadły do Pacyfiku. Spośród elementów pozostających na orbicie największe niebezpieczeństwo stwarzają drobne odłamki, które tworzą się podczas prób z rakietami wojskowymi. Sposób, w jaki powstają, powoduje, Ŝe poruszają się ze stosunkowo duŝymi prędkościami, a z drugiej strony niewielkie rozmiary bardzo utrudniają ich śledzenie. Dlatego waŝne jest ograniczanie tego typu działań. Unowocześnianie technologii materiałów osłonowych satelitów, unikanie tworzenia nowych oraz podjęcie działań prowadzących do obniŝenia liczby juŝ orbitujących odpadów kosmicznych, to najwaŝniejsze metody mające na celu zmniejszenie zagroŝeń z ich strony. Największe spośród kosmicznych śmieci to nieczynne satelity (jak wspomniano powyŝej, będące jeszcze pod kontrolą odpowiednich słuŝb technicznych na Ziemi). Po otrzymaniu odpowiedniego polecenia silnik manewrujący moŝe przenieść taki obiekt na inną orbitę. W ten sposób następuje oczyszczanie orbity geostacjonarnej, gdzie zuŝyte satelity ustępują miejsca nowym. Podobne działania są podejmowane w przypadku obiektów na niskich orbitach, z których złom kosmiczny jest przenoszony na specjalnie wybrane orbity parkingowe lub sprowadzany w górne warstwy atmosfery, gdzie ulega spaleniu. Jako propozycje do zastosowania w przyszłości rozwaŝane są róŝne wersje kosmicznych odkurzaczy oraz działa laserowe, dzięki którym byłoby moŝliwe rozbicie duŝych odpadków na mniejsze fragmenty. Jakie wnioski moŝemy wyciągnąć z przedstawionych faktów? Czy w przyszłości będziemy umieli poradzić sobie z ograniczeniem ilości zanieczyszczeń kosmicznych, czy teŝ czeka nas kompletne zaśmiecenie najbliŝszego otoczenia naszej planety? Problem juŝ dzisiaj staje się waŝny dla Strona 6

7 profesjonalnych astronomów-obserwatorów, gdy w polu widzenia teleskopów niespodziewanie pojawiają się jasne smugi pochodzące (najczęściej) od nieczynnych satelitów lub ich duŝych fragmentów. Problem stanie się jeszcze większy, gdy rozpowszechni się stawiająca dopiero pierwsze kroki turystyka kosmiczna. Z wypowiedzi specjalistów oraz z modelowania numerycznego wynika, Ŝe tempo przyrostu ilości zanieczyszczeń jest wielokrotnie większe od szybkości rozwoju astronautyki, której miarą moŝe być wzrost liczby czynnych satelitów. W celu zmiany takiej tendencji potrzebna jest ścisła współpraca wszystkich państw umieszczających swoje satelity na orbitach wokółziemskich. Tylko poprawa dyscypliny oraz intensywne i kosztowne działania porządkujące pozwolą na utrzymanie pod kontrolą wokółziemskiego kosmicznego śmietnika. Strona 7