Niech ktoś wreszcie posprząta orbitę. Problem jest poważny

U zarania pierwszych programów kosmicznych nikt szczególnie nie zastanawiał się nad śmieciami kosmicznymi. Jeżeli już to zagrożenie jakiekolwiek dostrzegano w mikrometeoroidach, które przelatując w pobliżu Ziemi, mogą uszkadzać instrumenty znajdujące się na orbitach okołoziemskich. Jednak siedemdziesiąt lat eksploracji kosmosu zmieniło tę sytuację diametralnie.

Śmieć kosmiczny to nieaktywny obiekt stworzony przez człowieka, pozostający na orbicie po zakończeniu swojej misji. Aktualnie na orbicie okołoziemskiej znajduje się ponad 19 000 tzw. dużych śmieci kosmicznych o średnicy ponad 10 cm, ponad 500 000 śmieci o średnicy od 1 do 10 cm i wiele milionów obiektów mniejszych.

Z tych milionów obiektów naukowcy są w stanie śledzić ok. 18 000 obiektów. Amerykański NORAD od samego początku programu kosmicznego prowadzi katalog, w którym odnotowywane są nie tylko starty rakiet i wynoszone przez nie satelity, ale też obiekty takie jak górne człony rakiet, które pozostały na orbicie po wyniesieniu ładunku, czy też osłony ładunku odrzucone przez rakiety.

Mogłoby się wydawać, że dużych śmieci kosmicznych nie ma aż tak dużo, jak na całą orbitę okołoziemską - szczególnie zważając na fakt, że różne obiekty znajdują się na różnych wysokościach i ich drogi nie przecinają się ze sobą. Problem jednak w tym, że śmieci kosmiczne utrzymujące się na orbicie poruszają się z ogromnymi prędkościami, przez co nawet niewielkie odłamki są w stanie wyrządzić poważne szkody.

Wystarczy tutaj wspomnieć o tym, że osłony modułów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej są w stanie ochronić stację przed śmieciami mniejszymi niż 1 cm. Wszystkie inne są teoretycznie w stanie przebić się przez osłonę i najzwyczajniej przedziurawić stację, stąd i centrum kontroli misji w przypadku odkrycia obiektu większego niż 1 cm na orbicie kolidującej z orbitą ISS, musi zarządzać wykonanie manewrów orbitalnych mających na celu uniknięcie kolizji.

W tym właśnie leży cały problem ze śmieciami kosmicznymi. Gdy raz obiekt taki stanie się śmieciem, nie mamy już nad nim żadnej kontroli, nie można uruchomić jego silnika i przesunąć na orbicie tak, aby nie zderzył się z satelitą czy innym śmieciem kosmicznym. Bez odpowiednich urządzeń na orbicie, możemy jedynie pasywnie przyglądać się takim krytycznym mijankom i mieć nadzieję, że jednak nie dojdzie do zderzenia.

W 1991 roku w jednej z teoretycznych prac naukowych Donald J. Kessler napisał, że gdy z czasem na orbicie znajdzie się wystarczająco dużo obiektów, zderzenie między dwoma z nich może doprowadzić do bardzo niebezpiecznej reakcji łańcuchowej. Uderzające w siebie dwa obiekty zamieniają się w dwie chmury składające się z setek odłamków, które z kolei mogą z czasem zacząć uderzać w inne obiekty, tworząc kolejne śmieci kosmiczne, które będą zderzać się z kolejnymi obiektami. Jeżeli doszłoby do takiej sytuacji, to nawet całkowite zaprzestanie lotów kosmicznych nie zmieni sytuacji, kolejne tysiące odłamków będą zderzały się z innymi tysiącami odłamków, generując powstawanie milionów innych.

Taka pesymistyczna wizja kończy się tym, że człowiek na setki kolejnych lat może zapomnieć o wysyłaniu jakichkolwiek misji kosmicznych, szczególnie załogowych. Ryzyko zderzenia statku kosmicznego ze śmieciami kosmicznymi byłoby w tym okresie zbyt wysokie.

10 lutego 2009 r. na wysokości 789 km nad Ziemią doszło do pierwszego w historii zderzenia dwóch sztucznych satelitów. W wyniku zderzenia aktywnego amerykańskiego satelity Iridium 33 i niedziałającego już satelity wojskowego Kosmos 2251 powstało co najmniej 600 nowych śmieci kosmicznych. Prędkość zderzenia wynosiła prawie 42 000 km/h, czyli zawrotne 11,5 km/s.

Dwa lata wcześniej, 11 stycznia 2007 r. Chiny z kolei przetestowały swego czasu strącanie satelitów pociskami ASAT wysyłanymi z Ziemi. W efekcie testu na orbicie na wysokości ok. 870 km pojawiło się aż 2300 nowych śmieci kosmicznych o rozmiarach kilku centymetrów, 35 000 śmieci większych niż 1 cm i ok. miliona śmieci o rozmiarach milimetrowych.

Każde zderzenie dwóch śmieci kosmicznych czy eksplozja rakiety prowadzi do lawinowego wzrostu liczby niekontrolowanych obiektów kosmicznych na orbicie okołoziemskiej. Skala problemu po części zależy od tego, na jakiej orbicie znajdują się owe śmieci. Obiekty poruszające się na niskiej orbicie okołoziemskiej poniżej 400 km nad powierzchnią Ziemi stanowią teoretycznie mniejszy problem, bowiem na tej wysokości bezustannie oddziałują na nią niezwykle rzadkie górne warstwy atmosfery. Na tej wysokości satelity stopniowo zmniejszają prędkość wskutek tarcia atmosfery, a tym samym obniżają swoją wysokość i w stosunkowo krótkim czasie wpadają w atmosferę, gdzie spalają się jeszcze przed dotarciem do powierzchni Ziemi.

Warto tutaj zauważyć, że górne warstwy atmosfery bezustannie rozszerzają się i kurczą w reakcji np. na aktywność słoneczną. Najlepszym przykładem oddziaływania tego typu była sytuacja stacji kosmicznej SkyLab. W 1974 r. stację umieszczono na stabilnej orbicie, na której miała pracować jeszcze około dziesięciu lat. Nie przewidziano jednak, że szczyt aktywności słonecznej tak znacząco podwyższy górne warstwy atmosfery, które zaczną hamować stację i obniżać jej orbitę. Kiedy zorientowano się w sytuacji dla stacji nie było już ratunku - nie było żadnej możliwości podniesienia wysokości stacji, a promy kosmiczne miały wystartować dopiero w 1981 r. Stacja SkyLab częściowo spłonęła w atmosferze 11 lipca 1979 r. Jej szczątki natomiast spadły do Oceanu Indyjskiego i nad Australią. W ostatnim momencie swojego istnienia Skylab - kiedyś szczyt osiągnięć inżynierów - już jako opadający śmieć kosmiczny, zabił bogu ducha winną krowę, żującą trawę w australijskim skwarze.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja na orbitach wyższych, np. 800-1000 km czy też na orbicie geostacjonarnej znajdującej się ponad 36 000 km nad powierzchnią Ziemi.

Od jakiegoś czasu przepisy wymagają od operatorów satelitów instalowanie odpowiednich systemów pozwalających ściągnąć satelitę z orbity, zanim jeszcze skończy się w nim zapas paliwa na to pozwalający. Niestety nie wiadomo jak naprawdę wygląda sytuacja na orbicie geostacjonarnej, bowiem obecnie satelity są w stanie w tej odległości dostrzec obiekty o rozmiarach min. 1 metra.

W takiej odległości od Ziemi jednak atmosfera Ziemi nie pomoże. Owszem, ciśnienie promieniowania słonecznego także będzie stopniowo obniżało wysokość satelitów, ale ich zepchnięcie w atmosferę może trwać całe tysiące lat.

Choć jak na razie zbyt wielu ludzi nie poleciało w przestrzeń kosmiczną, to także i tak potrafiliśmy zostawić po sobie śmieci. Oprócz elementów konstrukcyjnych rakiet i statków kosmicznych, na orbicie okołoziemskiej znajduje się także kilka obiektów bardziej codziennych.

Michael Collins podczas misji statku Gemini 10 zgubił w okolicach statku kamerę. Druga kamera wyleciała przypadkiem z wahadłowca realizującego misję STS-116. Gdyby ściągnąć to na Ziemię, byłby to naprawdę fantastyczny rarytas. Z orbity spogląda na Ziemię także rękawica Eda White’a zgubiona podczas historycznego pierwszego spaceru kosmicznego oraz… mnóstwo worków ze śmieciami wyrzucanych przez 15 lat z pokładu stacji kosmicznej Mir.