Jak niska orbita Ziemi zamienia się w stertę śmieci

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Ślad śmieci człowieka od dawna rozciąga się poza planetę, daleko w kosmos. Podczas gdy aktywiści i politycy decydują, co zrobić z odpadami domowymi na Ziemi, na orbitach gromadzą się tony zużytego sprzętu.

Zastanówmy się, z czego są zrobione kosmiczne wysypiska, gdzie się znajdują i czy „niebiańskie” gruzy mogą spaść na nasze głowy (spoiler: to już się stało).

Jakie śmieci latają w kosmosie?

Era kosmiczna rozpoczęła się wraz z wystrzeleniem pierwszego sztucznego satelity w 1957 roku. Od tego czasu ludzkość wystrzeliła wiele rakiet i umieściła na orbicie prawie 11 000 satelitów. W ostatnich latach liczba misji kosmicznych dramatycznie wzrosła. Teraz przestrzeń bliską Ziemi badają nie tylko państwa – do biznesu dołączyły prywatne firmy i organizacje non-profit. Rośnie obciążenie orbit.

Jak zmieniła się liczba obiektów w przestrzeni bliskiej Ziemi

Jednak satelity, jak każda inna technika, psują się i stają się przestarzałe. Zastępują je nowe urządzenia, a niesprawne urządzenia zmuszone są żyć na orbicie w postaci złomu. W bliskim i odległym otoczeniu naszej planety pojawiły się „zrzuty”.

Wszystkie niesprawne obiekty techniczne i ich fragmenty zaliczane są do śmieci kosmicznych. Większość z nich to zużyte stopnie rakietowe, stare satelity i ich fragmenty. Mimo nieustannych startów nowych urządzeń, pracujące satelity na orbitach to znacznie mniej niż „odpady”. Według szacunków Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w przestrzeni okołoziemskiej znajduje się 128 mln drobnych szczątków, których wielkość nie przekracza centymetra, 900 tys. fragmentów od 1 do 10 cm i 34 tys. - ponad 10 cm Dla porównania: pracują tylko 3 satelity, 9 tys.

Najaktywniej ludzkość korzysta z niskiej orbity okołoziemskiej (200-2000 km nad poziomem morza). Ta część kosmosu jest najbardziej „gęsto zaludniona” i jednocześnie „najbrudniejsza”. Na wysokości 650-1000 km znajduje się pierwsze „wysypisko” - „na żywo” są stare pojazdy, różnej wielkości szczątki i satelity wojskowe z instalacjami jądrowymi. Takie wysokości do przechowywania potencjalnie niebezpiecznych przedmiotów nie zostały wybrane przypadkowo: mogą tam być przez około dwa tysiące lat. Drugie oficjalne „miejsce testowe” znajduje się na wysokości około 36 tys. km - tam wysyłane są wszystkie satelity, które służyły z orbity geostacjonarnej.

Jednak kosmiczne śmieci "latają" nie tylko w specjalnie do tego wyznaczonych miejscach. Kolizja z szczątkami w przestrzeni bliskiej Ziemi może nastąpić wszędzie, ponieważ prawie niemożliwe jest przewidzenie ruchu małych cząstek. Ale naprawdę można uniknąć dużych fragmentów - większość z nich jest obserwowana przez światowe agencje kosmiczne. Jeśli w nadchodzących latach firmy takie jak SpaceX, OneWeb i Amazon rozmieszczą nad Ziemią tysiące satelitów komunikacyjnych, specjaliści będą musieli znacznie dokładniej monitorować ruch na orbitach, aby uniknąć wypadków.

Kto śledzi szczątki w kosmosie?

Według ESA sieci obserwacji kosmosu regularnie śledzą jedynie 28 000 szczególnie dużych śmieci. US Space Surveillance Network to jedna z najlepszych usług analizy trajektorii kosmicznych śmieci. Eksperci prowadzą katalog, w którym przywożone są obiekty większe niż 5-10 centymetrów od niskiej orbity Ziemi i szczątki zaczynające się od 30 centymetrów znajdujące się w pobliżu geostacjonarnego.

W Stanach Zjednoczonych istnieją inne ośrodki, które gromadzą i przetwarzają dane nie tylko o „odpadach”, ale także o działających urządzeniach. Ich geolokalizacje są publikowane w domenie publicznej w zasobach Space Track, a z Twittera 18. Eskadry Kontroli Przestrzeni Kosmicznej można dowiedzieć się o niszczeniu niektórych pojazdów. Na podstawie tych informacji powstała mapa internetowa Rzeczy w kosmosie, która pokazuje w czasie rzeczywistym położenie satelitów (czerwone kropki), korpusów rakiet (niebieskie) i kosmicznych śmieci (szare). Mapa jest codziennie aktualizowana i wyraźnie pokazuje bliski „związek” między urządzeniami pracującymi a „odpadami”.

Kraje Europy, Rosja i Chiny również obserwują ruch na „torach” kosmicznych za pomocą teleskopów lub radarów geostacjonarnych. Kolizje na orbicie zdarzają się rzadko, dzięki usługom obliczającym prawdopodobieństwo awarii.

Skąd pochodzą kosmiczne śmieci?

Pomimo tego, że kolizje w kosmosie są rzadkie, poważnie wpływają na rozwój „niebiańskich wysypisk”. Jeden z najpoważniejszych wypadków kosmicznych miał miejsce w 2009 roku: amerykański satelita komunikacyjny Iridium i niedziałający rosyjski aparat wojskowy „Kosmos-2251” nie mogły się rozproszyć. Ich „spotkanie” dało początek dużej chmurze drobnych odłamków i ponad 1,5 tys. dużych fragmentów, które do dziś pozostają w przestrzeni przyziemnej.

Naukowcy nazywają eksplozje główną przyczyną powstawania kosmicznych śmieci. Najczęściej występują one na skutek wycieku lub podgrzania paliwa, które pozostaje w zbiornikach już zużytych górnych stopni, ostatnich stopni rakiet i satelitów. Sprzęt eksploduje z powodu wad konstrukcyjnych lub wpływu surowego środowiska kosmicznego. Na przykład w 2018 roku na orbicie rozbiły się rosyjskie i amerykańskie wyższe stopnie „Fregat” i „Centaur”, w 2012 roku nasz „Briz-M” rozpadł się na fragmenty. W marcu 2021 r. eksplodował stary amerykański satelita meteorologiczny, a rok temu etap radzieckiej rakiety Cyclone-3, która od 29 lat znajdowała się w kosmosie blisko Ziemi, zamienił się w 75 dryfujących fragmentów.

Testy broni antysatelitarnej pozostawiają duży ślad gruzu. W 2007 roku Chiny zniszczyły swój własny Fengyun-1C pociskiem średniego zasięgu na wysokości 865 km. Powstało około 3, 5 tysięcy dużych obiektów i niezliczona ilość fragmentów do 5 centymetrów. W 2019 r. Indie również wystrzeliły rakietę na swojego satelitę – około 400 odłamków rozrzuconych po orbitach o długości od 200 do 1600 km.

Specjaliści ESA przeanalizowali ponad 560 przypadków zniszczenia urządzeń. Jak zauważają, istnieją inne powody powstawania kosmicznych śmieci na orbitach. Często niektóre jego części są odłączone od aparatu, ulegają zniszczeniu z powodu niedoskonałości konstrukcji lub ulegają uszkodzeniom podczas interakcji z atmosferą ziemską.

Przyczyny zniszczenia statku kosmicznego

W 2020 roku specjaliści z RS Components przeanalizowali, które z mocy kosmicznych bardziej zaśmiecały przestrzeń niż inne. Okazało się, że największa część odnalezionych dziś wraków należy do Rosji i krajów WNP - 14 403 fragmentów. Na drugim miejscu są Stany Zjednoczone (8734), na trzecim Chiny (4688).

Dlaczego wysypiska kosmiczne są niebezpieczne

Nowoczesne satelity są wyposażone w ochronę przed mikrometeorytami i śmieciami kosmicznymi, ale „pancerz” nie zawsze oszczędza. Odłamki eksplozji poruszają się z początkową prędkością. Ponieważ w przestrzeni nie ma wyczuwalnej siły tarcia, a zwykła grawitacja nie działa, praktycznie nie zwalniają.

Ich prędkość może osiągnąć 8-10 km/s, czyli prawie siedmiokrotnie szybciej niż kula. Ciosy wolniejszych fragmentów również mogą być śmiertelne. Kawałki o wielkości powyżej 10 cm są w stanie całkowicie zniszczyć samoloty. Zderzenia z fragmentami większymi niż 1 cm zakłócają pracę statku kosmicznego lub powodują eksplozje niedziałających obiektów. Cząsteczki milimetrowe w większości przypadków pozostawiają pęknięcia i odpryski na obudowach.

W 2016 roku maleńki szczątek wielkości drobinki kurzu pozostawił 7-milimetrowe wgniecenie na szybie ISS. Zderzenia z jakimikolwiek fragmentami gruzu są niebezpieczne dla stacji kosmicznej, ponieważ porusza się ona po orbicie z prędkością ponad 7,6 km/s. ISS regularnie wykonuje manewry wymijające i koryguje swoją orbitę: panele antymeteorytowe nie są w stanie ochronić załogi w zderzeniu z dużymi śmieciami. Czasami kosmonauci zmuszeni są do ewakuacji stacji i przeczekania momentu niebezpiecznego podejścia do kosmicznych śmieci w statku kosmicznym Sojuz, aby w razie potrzeby szybko opuścić „tonący statek”.

Większość manewrów statków kosmicznych jest wykonywana w celu uniknięcia „spotkań” ze szczątkami. Te działania są kosztowne. Eksperci spędzają godziny na obliczaniu ryzyka i planowaniu nowej trajektorii. W momencie manewru zużywa się paliwo, które trzeba zabrać ze sobą „w zapasie”, a urządzenia „stoją bezczynnie” – nie przekazują danych potrzebnych badaczom.

Dla mieszkańców Ziemi kosmiczne śmieci nie stanowią poważnego zagrożenia. Niewielkim urządzeniom udaje się wypalić w atmosferze, podczas gdy duże zużyte części rakiet lub satelitów z reguły są opuszczane po określonej trajektorii do Pacyfiku lub na niezamieszkane terytoria w Kazachstanie. Tylko raz wytworzone przez człowieka kosmiczne śmieci uderzyły w człowieka. W 1997 roku na mieszkającą w Oklahomie Lottie Williams spadł wrak amerykańskiej rakiety nośnej Delta II. Dziewczyna z rozczarowaniem dowiedziała się, że na jej ramieniu spadł nie kawałek gwiazdy, ale fragment zbiornika paliwa.

Konsultant naukowy NASA Donald Kessler dokonał nieprzyjemnej prognozy w 1978 roku. Następnie opisane przez niego zjawisko nazwano „zespołem Kesslera”. Według astrofizyka pewnego dnia koncentracja „odpadów” w kosmosie wzrośnie tak bardzo, że liczba wypadków zacznie rosnąć w niekontrolowany sposób. Gruz zderzy się z samolotem, a te zostaną rozerwane na kawałki i "zaatakują" inne obiekty. Sterty złomu spowodują, że dolne orbity staną się bezużyteczne, a wokół Ziemi pojawi się pas śmieci, przypominający pierścienie Saturna. Niektórzy eksperci uważają, że krytyczna koncentracja obiektów stworzonych przez człowieka na orbicie została już osiągnięta.