Do 4 października 1957 nie nie było tam nic. Tam, czyli w bliskiej przestrzeni kosmicznej. Dziś mamy jedno wielkie, ciągle powiększające się złomowisko. Według szacunków National Geographic (grudzień 2022)1 po ziemskiej orbicie krąży 36 500 obiektów większych niż 10 cm, 1 mln obiektów o średnicy 1–10 cm i 130 mln obiektów o średnicy 1 mm–1 cm.
Wielkości tych obiektów może nie są imponujące (poza ISS ważącą kilkaset ton i stutonową chińską stacją Tiangong-1), ale pamiętajmy, że po niskiej orbicie lata się z prędkością 27400 km/h. Oznacza to, że satelita (lub metalowy odłamek) o masie 20 g (dwadzieścia gramów) lecący z prędkością 27400 km/h posiada energię kinetyczną równą energii samochodu o masie 1500 kg jadącego z prędkością 100 km/h. 20 gramów to waga sześciennego kawałka żelaza o boku ok. 1,5 cm albo bryłki lodu o średnicy 3 cm. Niedowiarkom polecam obejrzenie początkowych scen filmu „Grawitacja” (resztę można sobie darować, fabuła jest dość miałka).
Czym są kosmiczne śmieci?
Kosmiczne śmieci to nie tylko czynne, nieczynne czy porzucone satelity, ich człony lub fragmenty. To też cała masa drobiazgów w rodzaju zestalonych cieczy, oderwanych fragmentów poszycia, drobinek farby lub niespalonych cząstek paliwa z silników na paliwo stałe. Nie są skatalogowane, no bo jak wykryć, zlokalizować i śledzić tak małe obiekty? Nawet najmniejsze drobiny mogą być zagrożeniem dla satelitów, w najlepszym wypadku tworząc na ich powierzchni efekt piaskowania, co jest szczególnie szkodliwe dla paneli słonecznych i optyki teleskopów.
Czy ktoś nad tym panuje?
Istnieje kilka serwisów internetowych katalogujących zdarzenia związane z wystrzeliwaniem satelitów, z których chyba najbardziej kompletny jest Jonathan’s Space Report (JSR)2. Z wykresu przedstawionego na Ryc. 1. wynika, że tylko 10% skatalogowanych obiektów kosmicznych dużego kalibru to aktywne satelity (poza przekaźnikami Starlink, których jest dwa razy więcej niż pozostałych).
Analiza danych pokazuje, że po początkowym wzmożeniu zainteresowania Kosmosem w latach 60., 70., 80. i 90. liczba startów spadła, po czym zaczęła gwałtownie, wykładniczo rosnąć. Zadecydowały o tym dwa czynniki, po pierwsze wejście Chin do kosmicznego biznesu, po drugie rosnąca z miesiąca na miesiąc konstelacja satelitów Starlink firmy SpaceX. Ryc. 2. pokazuje roczne liczby startów w poszczególnych latach. I niech te niewielkie w końcu liczby nas nie zwiodą, jeden start Starlinka to około 20 satelitów.
Serwis JSR dostarcza więcej interesujących danych na temat liczby i tonażu śledzonych obiektów3. Jak widać na Ryc. 3. (lewy wykres), ich liczba rośnie wykładniczo, głównie za sprawą satelitów Starlink. Dwa gwałtowne skoki w końcówce pierwszej dekady XXI wieku (Ryc. 4.) to skutki kolizji satelity wojskowego Kosmos 2251 i satelity komunikacyjnego systemu Iridium (2009 rok) oraz chińskiego testu broni antysatelitarnej przeprowadzonego w 2007. Kilka lat później szczątki powstałe podczas tego testu trafiły rosyjskiego satelitę BLITS i do tej pory stanowią poważne zagrożenie. Tonaż krążących po orbicie obiektów rośnie wykładniczo bez zakłóceń (wykres prawy).
Co z tym robić?
Ilość śmieci, i to bardziej sztuk niż ton, przeraża. Walnie przyczynilła się do tego inicjatywa biznesowa Elona Muska o nazwie Starlink, która ledwie przekroczyła półmetek. Docelowo liczebność konstelacji satelitów Starlink ma liczyć 12000 obiektów (z możliwością powiększenia do 32000, obecnie jest ich 6800). Według zapewnień SpaceX i warunków zgody Federalnej Komisji Łączności, satelity są wyposażone w silniki umożliwiające im deorbitację i całkowite samozniszczenie. Warto też wiedzieć, że tak wielka liczba aktywnych radiowo obiektów o niezerowym albedo (zdolności do odbijania światła5) stwarza ogromny szum elektromagnetyczny i problemy z obserwacją Kosmosu z ziemskich teleskopów.
Wspomniałem o wykładniczym wzroście liczby wystrzeliwanych obiektów. Dochodzi do tego rozczłonkowanie satelitów będących już na orbicie wskutek zderzeń z innymi obiektami. Częstość takich przypadków jest proporcjonalna do „tłoku” panującego na orbicie, a tym już rządzi rachunek prawdopodobieństwa. Każda kolizja powoduje powstanie wielkiej liczby odłamków i powiększenie puli.
Amerykański astrofizyk Donald J. Kessler badając pas asteroid między Marsem a Jowiszem doszedł do wniosku, że nasilający się wykładniczo przez miliardy lat wzrost liczby zderzeń między obiektami będzie generować kolejne zderzenia coraz większej liczby coraz mniejszych obiektów, zwiększając prawdopodobieństwo następowania kolejnych kolizji. W 1978 roku doszedł do wniosku, że ta prawidłowość może być zastosowana do chmury satelitów okrążających Ziemię, ale wzrost będzie kwestią dziesięcioleci.
Efektem syndromu Kesslera będzie coraz wyższe ryzyko kolizji wystrzelonych obiektów z pędzącym po różnych orbitach złomem, aż do całkowitego uniemożliwienia lotów.
Już w 2011 roku raport US National Research Council stwierdził, że ilość obiektów w przestrzeni osiągnęła punkt krytyczny, i od tego czasu ich ilość będzie się zwiększała samoistnie wskutek wzajemnych zderzeń. Oznacza to, że syndrom Kesslera działa już od kilkunastu lat. Raport kończy się wezwaniem do wprowadzenia międzynarodowych przepisów ograniczających ilość śmieci i wprowadzenia mechanizmów ich utylizacji.
Czy przestrzeń kosmiczna jest środowiskiem naturalnym i należy się jej prawna ochrona?
Z prawnego punktu widzenia tak, ale niekoniecznie skuteczna. Oxford English Dictionary definiuje środowisko jako „otoczenie lub warunki, w których żyje lub działa osoba, zwierzę lub roślina”. Bezpośredniego przełożenia, jak widać, nie ma. Ale przecież działalność prowadzona w przestrzeni kosmicznej ma pośredni wpływ na warunki, w jakich żyjemy. Także Traktat o przestrzeni kosmicznej z 1967 roku sugeruje właśnie taką interpretację definicji ekosystemu i środowiska naturalnego.
Czy statki kosmiczne są bezbronne?
W zasadzie tak. Co prawda obecnie montuje się na nich tzw. osłony Whipple’a, rodzaj zderzaków, ale chronią one tylko przed skutkami zderzeń z obiektami o wielkości poniżej 1 cm. Na przykład ISS (Międzynarodowa Stacja Kosmiczna) posiada ponad 100 takich tarcz. Innym sposobem uniknięcia zderzenia jest manewrowanie, skuteczne jedynie w stosunku do obiektu o znanej orbicie lub wykrytego odpowiednio wcześnie.
W historii lotów kosmicznych zanotowano wiele kosmicznych kolizji, między innymi opisana wcześniej, między porzuconym satelitą Kosmos 2251 (950 kg) i satelitą telekomunikacyjnym Iridium 33. Do zderzenia doszło w 2009 roku nad północną Syberią. W wyniku tego wypadku powstały tysiące dużych odłamków, które krążą po orbicie do dziś.
Jako ilustrację zagrożenia, jakie niesie zderzenie z nawet najmniejszym obiektem, można dać przykład drugiego lotu wahadłowca Challenger, gdzie okruch farby uderzył w szybę wahadłowca, tworząc krater o głębokości połowy grubości szyby.
Ciekawostką jest stosowana obecnie taktyka ochrony pojazdów kosmicznych służąca zabezpieczeniu części dziobowej statku, której spójność, zwlaszcza osłony termicznej, jest szczególnie ważna w misji powrotnej z orbity. Otóż latano „ogonem do przodu” (oczywiście tylko w próżni), gdyż część silnikowa i ładownia są mniej krytyczne pod względem bezpieczeństwa. Także podczas cumowania do ISS wahadłowiec był odwracany, aby lepiej opancerzona część rufowa podczas postoju osłaniała orbiter.
Odśmiecanie
Odśmiecanie Kosmosu jest więc koniecznością. Warto tylko zapytać (retorycznie): skoro syndrom Kesslera jest znany od kilkudziesięciu lat, kto (do diaska) pozwolił Muskowi na takie szaleństwo? I dlaczego do kosztu każdego nowo wystrzelonego satelity nie dolicza się „opłaty recyklingowej”, podejrzewam że porównywalnej z wartością satelity?
Startup o nazwie ClearSpace wymyślił metodę odśmiecania orbity z większych, niedziałających już satelitów, stwarzających poważne ryzyko katastrofalnego zderzenia z sąsiadami. Satelita-odkurzacz po zbliżeniu do obiektu łączy się z nim za pomocą chwytaków, a następnie tak powstały duet deorbituje i spala się w atmosferze. Rozwiązanie zostało już z powodzeniem przetestowane. Warto też wiedzieć, że w projekcie uczestniczy polski zespół inżynierów z Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej Centrum Badań Kosmicznych PAN. Niestety, skuteczność rozwiązania łączy się z dużym kosztem neutralizacji jednego obiektu, więc zasadne jest postawione wcześniej pytanie – kto za to zapłaci?
Całkowite oczyszczenie przestrzeni wokółziemskiej ze śmieci to zadanie niewykonalne. Nawet zatrzymanie wykładniczego wzrostu liczby satelitów i ich odłamków będzie bardzo kosztowne i trudne. W dodatku sprzątanie po sobie nic nie wnosi nowego do nauki, jest nieatrakcyjne i niemedialne. Koszty takiego odśmiecania będą musiały ponieść rządy, a z tym wiemy, jak jest. Środowisko naturalne i klimat doprowadziliśmy na skraj katastrofy. I co? I nic, właśnie nowa administracja Stanów Zjednoczonych ogłosiła wycofanie się z porozumień paryskich. Nie miejmy złudzeń, że Kosmos okaże się ważniejszy od ziemskiego klimatu, na ambitnych startupach pewnie się skończy. Chyba, że dojdzie do jakiejś spektakularnej katastrofy, a i wtedy nie wiadomo.
Już Lem o tym pisał…
Pozwolę sobie zacytować odpowiednie wersy z prozy Stanisława Lema, o których przypomniał Marcin Czerwiński, nasz pokładowy lemolog nad lemologami.
„Dzienniki Gwiazdowe” (Podróż Dwudziesta Pierwsza):
Każda cywilizacja w fazie technicznej zaczyna z wolna tonąć w odpadkach, które sprawiają jej ogromne kłopoty, aż wyprowadzi śmietniska w przestrzeń kosmiczną; żeby zaś nie przeszkadzały zbytnio w kosmonautyce, umieszcza się je na specjalnie wyosobnionej orbicie. W ten sposób powstaje rosnący pierścień wysypisk, i właśnie po jego obecności można rozpoznać wyższą erę postępu.
Jednakowoż po pewnym czasie wysypiska zmieniają swój charakter, w miarę bowiem rozwoju intelektroniki trzeba się pozbywać coraz większych ilości złomu komputerowego, do którego przyłączają się stare sondy, sputniki itp. Te myślące odpady nie chcą kręcić się po wieczność w pierściennym śmietniku i pierzchają z niego, zapełniając okolice planety, a nawet cały jej system; faza ta doprowadza do zanieczyszczenia środowiska – intelektem. różne cywilizacje usiłują zrazu rozmaicie zwalczać ten problem; bywa, że dochodzi do komputerocydu, np. umieszcza się w próżni specjalne pułapki, sidła, wnyki i zgniatacze psychicznych wraków, lecz efekt podobnych akcji jest jak najgorszy, wyłapaniu ulegają bowiem tylko wraki najniżej stojące pod względem umysłowym, więc taktyka ta preferuje przetrwanie śmieci najbystrzejszych; łączą się one w gromady i szajki, urządzają naloty i kontestacje, wysuwając trudne do spełnienia postulaty, bo domagają się części zamiennych i przestrzeni życiowej. Gdy im odmówić, złośliwie zagłuszają łączność radiową, włączają się do audycji, nadają własne proklamacje, przez co planetę na tym etapie otacza strefa takich trzasków i wycia w eterze, że bębenki pękają. Właśnie po tym trzeszczeniu można z wielkiej nawet odległości rozpoznać cywilizacje udręczane plagą polucji intelektualnej. Dziwne, jak długo astronomowie ziemscy nie mogli pojąć, czemu Kosmos, podsłuchiwany radioteleskopami, pełen jest szumu i innych bezsensownych odgłosów; są to właśnie zakłócenia będące skutkiem nazwanych konfliktów, które utrudniają poważnie nawiązywanie międzygwiezdnej łączności.
- „Powstanie odkurzacz kosmicznych śmieci. W projekt zaangażowani Polacy” https://www.national-geographic.pl/kosmos/zlapac-zamknac-i-spalic-jak-szwajcarski-startup-zamierza-posprzatac-orbite-z-duzych-i-niebezpiecznych-kosmicznych-odpadkow-230222051339/ ↩︎
- „Jonathan’s Space Pages” https://keeptrack.space/resources/jonathan-space-report/ ↩︎
- „Satellite statistics: Satellite and Debris Population” https://planet4589.org/space/stats/active.html ↩︎
- „The Case for Space Environmentalism” https://arxiv.org/abs/2204.10025v1 ↩︎
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Albedo ↩︎
- „Space debris” https://en.wikipedia.org/wiki/Space_debris ↩︎
Stanisław Lem pisał o tym w „Dziennikach Gwiazdowych” (Podróż Dwudziesta Pierwsza):
Każda cywilizacja w fazie technicznej zaczyna z wolna tonąć w odpadkach, które sprawiają jej ogromne kłopoty, aż wyprowadzi śmietniska w przestrzeń kosmiczną; żeby zaś nie przeszkadzały zbytnio w kosmonautyce, umieszcza się je na specjalnie wyosobnionej orbicie. W ten sposób powstaje rosnący pierścień wysypisk, i właśnie po jego obecności można rozpoznać wyższą erę postępu.
Jednakowoż po pewnym czasie wysypiska zmieniają swój charakter, w miarę bowiem rozwoju intelektroniki trzeba się pozbywać coraz większych ilości złomu komputerowego, do którego przyłączają się stare sondy, sputniki itp. Te myślące odpady nie chcą kręcić się po wieczność w pierściennym śmietniku i pierzchają z niego, zapełniając okolice planety, a nawet cały jej system; faza ta doprowadza do zanieczyszczenia środowiska – intelektem. różne cywilizacje usiłują zrazu rozmaicie zwalczać ten problem; bywa, że dochodzi do komputerocydu, np. umieszcza się w próżni specjalne pułapki, sidła, wnyki i zgniatacze psychicznych wraków, lecz efekt podobnych akcji jest jak najgorszy, wyłapaniu ulegają bowiem tylko wraki najniżej stojące pod względem umysłowym, więc taktyka ta preferuje przetrwanie śmieci najbystrzejszych; łączą się one w gromady i szajki, urządzają naloty i kontestacje, wysuwając trudne do spełnienia postulaty, bo domagają się części zamiennych i przestrzeni życiowej. Gdy im odmówić, złośliwie zagłuszają łączność radiową, włączają się do audycji, nadają własne proklamacje, przez co planetę na tym etapie otacza strefa takich trzasków i wycia w eterze, że bębenki pękają. Właśnie po tym trzeszczeniu można z wielkiej nawet odległości rozpoznać cywilizacje udręczane plagą polucji intelektualnej. Dziwne, jak długo astronomowie ziemscy nie mogli pojąć, czemu Kosmos, podsłuchiwany radioteleskopami, pełen jest szumu i innych bezsensownych odgłosów; są to właśnie zakłócenia będące skutkiem nazwanych konfliktów, które utrudniają poważnie nawiązywanie międzygwiezdnej łączności.
Prędkość na niskiej orbicie 27,4 tys. km/h sprawia, że dwa obiekty na tej samej orbicie, ale poruszające się w przeciwnych kierunkach zderzą się ze wzajemną prędkością 15 tys. m/s, czyli jakieś 20 razy szybciej niż pocisk karabinowy. Ale jeśli poruszają się w tę samą stronę, to teoretycznie nie powinny się zderzyć (w praktyce do zderzeń dochodzi, bo orbity nie zawsze są kołowe, a na eliptycznej szybkość orbitowania zmienia się od apogeum do perygeum i leżą często w przecinających się płaszczyznach). Miało by zatem sens spowodowanie odpowiednimi przepisami międzynarodowymi, żeby wszystkie sztuczne obiekty orbitalne poruszały się w tę samą stronę, wówczas liczba zderzeń by istotnie spadła, a w tych do których ewentualnie dojdzie wydzielona energia była by mniejsza i co zatem idzie – mniejsza fragmentacja wraków.