Proces eksploracji kosmosu, który praktycznie rozpoczął się w połowie XX wieku, jest zwykle przedstawiany pozytywnie jako nowy etap w rozwoju wiedzy naukowej i technologicznej. Jednak już po wystrzeleniu pierwszego satelity równolegle rozpoczął się zupełnie inny negatywny proces, związany z zatykaniem orbit bliskich Ziemi. Gruz wytworzony przez człowieka w kosmosie stanowi wiele zagrożeń zarówno dla statku kosmicznego, jak i dla Ziemi.
Źródła śmieci kosmicznych
Śmieci w tym przypadku odnoszą się do pochodnych natury wytworzonej przez człowieka, które są bardzo różnorodne, ale związane są z bezpośrednią działalnością człowieka. Na przykład naturalnie występujące meteoroidy nie stanowią zagrożenia, w przeciwieństwie do odpadów wytworzonych przez człowieka, które stanowią zagrożenie ze względu na ich długi pobyt na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Więc skąd w kosmosie pochodzą niebezpieczne szczątki? Większość z nich togenerowane podczas wystrzeliwania satelitów i wystrzeliwania na orbitę innych pojazdów. W takich procesach nieodzownie biorą udział towarzyszące statki załogowe lub automatyczne, które pozostawiają po sobie obiekty techniczne i materiały eksploatacyjne. Najgroźniejszym źródłem tego rodzaju zanieczyszczeń jest niszczenie satelitów i statków na orbicie, w wyniku których niezarządzany sprzęt i elementy konstrukcyjne samolotów pozostają w kosmosie. Same w sobie fragmenty po awariach sprzętu lub w trakcie planowanego uwalniania odpadów nie stanowią w ani jednej liczbie poważnego zagrożenia. Jednak przy długotrwałej akumulacji powstają duże obiekty, często o wysokim potencjale radioaktywnym, co utrudnia ich zniszczenie.
Istotną rolę w procesach formowania niebezpiecznych szczątków odgrywa efekt "wiekowej" degradacji szczątków z obiektów kosmicznych w agresywnym środowisku. Na te same nagromadzenie gruzu negatywnie wpływa pył kosmiczny, promieniowanie, ekstremalne temperatury, utlenianie tlenu itp. Trzeba więc mieć do czynienia nie tylko z elementami fizycznymi, które stwarzają zagrożenie kolizją, ale z niekontrolowanymi i wybuchowymi materiałami, które zwiększają ryzyko katastrof.
Monitorowanie śmieci kosmicznych
Istniejące zagrożenia związane z obecnością kosmicznych śmieci wymagają również ciągłych badań orbit okołoziemskich. Specjalne urządzenia skanują odpady wytworzone przez człowieka według kilku cech, w tym wielkości, masy, kształtu, prędkości,trajektoria, skład itp. W zależności od odległości od Ziemi stosuje się określony sprzęt. Na przykład niska orbita okołoziemska systemu LEO konwencjonalnie obejmuje odległość od 100 do 2000 km. W tym spektrum działają urządzenia radiotechniczne, radarowe, optyczne, optoelektroniczne, laserowe i inne służące do obserwacji kosmicznych śmieci. Jednocześnie opracowywane są specjalne algorytmy do analizy informacji otrzymywanych na tych urządzeniach. Aby połączyć zestaw pofragmentowanych danych, stosuje się złożone matematyczne modele obliczeniowe, które dają stosunkowo pełny obraz tego, co dzieje się w określonym obszarze obserwacji.
Pomimo stosowania zaawansowanych technologicznie metod monitorowania, nadal istnieją problemy ze śledzeniem małych cząstek o wielkości zaledwie kilku milimetrów. Takie fragmenty mogą być tylko częściowo zbadane przez czujniki pokładowe, ale to nie wystarczy do uzyskania wyczerpujących informacji, np. o składzie chemicznym obiektu. Jednym z kierunków monitorowania takich cząstek jest tzw. pomiar pasywny. Kiedyś, zgodnie z tą zasadą, badano elementy stacji kosmicznej Mir, które wróciły na Ziemię. Istotą tej technologii jest rejestracja uderzeń badanych cząstek na powierzchnię aparatury w otwartej przestrzeni. W laboratoriach analizowano różnego rodzaju uszkodzenia, co pozwoliło na uzyskanie dodatkowych informacji o kosmicznych śmieciach. Obecnie zespoły kosmonautów pracują nad tą ścieżką badań bezpośrednio na orbicie, sprawdzając powierzchnie działających statków kosmicznych.
Rozmieszczenie gruzu w przestrzeni bliskiej Ziemi
Monitorowanie przestrzeni kosmicznej wskazuje na nierównomierne rozmieszczenie szczątków różnych typów na orbitach. Największe gromady obserwowane są w rejonie niskiej orbity – w szczególności w porównaniu z wysokimi orbitami różnica w gęstości może być tysiąckrotna. Jednocześnie istnieje związek między gęstością skupisk a rozmiarami cząstek. Gęstość przestrzenna szczątków średniej wielkości jest zwykle mniejsza na wysokich orbitach niż na niskich orbitach w mniejszym stopniu w porównaniu z elementami gruboziarnistymi.
Na charakterystykę rozmieszczenia kosmicznych śmieci wokół Ziemi wpływa szereg czynników, wśród których są cechy pochodzenia. Na przykład małe fragmenty powstałe w wyniku zniszczenia części stacji lub satelitów mają niestabilne wektory prędkości. Jeśli chodzi o duże rumowiska, dzięki swojej dużej dynamice jest w stanie osiągnąć duże wysokości do 20 000 km, a także rozprzestrzeniać się w pierścieniu geostacjonarnym. Na poziomie 2000 km występuje nierównomierny rozkład z punktami wzrostu gęstości w szczególności na 1000 i 1500 km. Nawiasem mówiąc, orbita geostacjonarna jest najbardziej zatkana, a na jej obszarze odnotowuje się wysoką tendencję szczątków do dryfowania.
Trendy rozwoju śmieci kosmicznych
Naukowcy kosmiczni są bardziej zainteresowani potencjalnymi niż bieżącymi zagrożeniamigruz na orbitach Ziemi. W chwili obecnej badania sugerują wzrost stopnia zanieczyszczenia o 4-5% rocznie. Co więcej, rola startów statków kosmicznych nie została jeszcze wiarygodnie oceniona pod względem wzrostu populacji ciał obcych na różnych orbitach. Duże obiekty można prognozować, ale, jak już wspomniano, ograniczone informacje o małych szczątkach, nawet w bliskiej przestrzeni kosmicznej, nie pozwalają nam mówić z dużym stopniem obiektywizmu o cechach masowych szczątków. Mimo to naukowcy wyciągają dwa jednoznaczne wnioski dotyczące małych szczątków:
- Objętość małych cząstek, które powstają w wyniku destrukcji, stale rośnie wraz ze wzrostem liczby zderzeń. Zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w badaniach teoretycznych wykazano, że niewielkie fragmenty stanowią znaczną część elementów oddzielanych od obiektów zniszczenia.
- Bardzo małe cząstki w postaci tych samych produktów zderzenia są bardziej podatne na negatywne skutki sił zewnętrznych. Efekt degradacji, gdy gruz jest w agresywnych warunkach przez długi czas, zmniejsza prawdopodobieństwo wiarygodnej oceny przyszłości takich nagromadzeń.
Oczywiście problemy ze znalezieniem śmieci w kosmosie będą się tylko pogłębiać, co wymaga podjęcia odpowiednich środków. Ale nawet po całkowitym zamknięciu projektów kosmicznych orbita Ziemi będzie nadal zatkana w wyniku zderzenia istniejących elementów zanieczyszczających z naturalnymi cząsteczkami. Przez bezwładność proces ten będzie trwał co najmniej przez kolejne 100lat.
Rodzaje skutków zanieczyszczenia przestrzeni
Najbardziej niebezpieczne negatywne konsekwencje wpływu śmieci kosmicznych obejmują:
- Ekologiczne szkody na Ziemi. Sama obecność szczątków technogenicznych na orbicie okołoziemskiej pociąga za sobą zmianę tła ekologicznego i narusza pierwotną czystość środowiska. Według astronomów-obserwatorów proces zmniejszania przezroczystości przestrzeni bliskiej Ziemi już postępuje, co tłumaczy również występowanie zakłóceń w działaniu urządzeń radiowych. Bezpośrednio na Ziemi można zauważyć niebezpieczeństwo spadania elementów z materiałami paliwowymi zapewniającymi pracę silników odrzutowych.
- Gruz spada na Ziemię. Nawet bez efektu radioaktywnego upadek odpadów wytworzonych przez człowieka z bliskiej przestrzeni może prowadzić do katastrofalnych konsekwencji. Do tej pory największe wylądowane obiekty miały masę nie większą niż 100 ton, ale nie stanowiło to poważnego zagrożenia dla planety. Z drugiej strony, w miarę wzrostu intensywności przeszkód na orbicie Ziemi, scenariusz ten będzie coraz bardziej ponury.
- Niebezpieczeństwo kolizji w kosmosie. Nie należy lekceważyć szkód, jakie wyrządzają śmieci kosmiczne dla sprzętu używanego do wsparcia lotu. Te same uderzenia dużych i małych cząstek mogą prowadzić do znacznych zakłóceń w działaniu urządzeń, a duże wypadki zagrażają perspektywom realizacji kosztownych, ambitnych projektów.
Systemy oceny szkód powypadkowychśmieci
Po pierwsze, już przyjęta praktyka analizowania wpływu na powierzchnię statku kosmicznego jest stosowana przez samych kosmonautów przez zewnętrzne badania. Jak wspomniano powyżej, wyniki takich badań mogą być dalej wykorzystywane do określania cech śmieci. Jednak najdokładniejszych informacji analitycznych dostarczają tylko testy laboratoryjne, w których materiały docelowe są sztucznie naruszone. Imitacja zderzenia sprzętu z gruzem w kosmosie jest realizowana poprzez zderzenia z bardzo dużą prędkością. Następnie za pomocą komputerowego i cyfrowego modelowania uzyskane dane są przetwarzane z analizą charakterystyki uszkodzenia i mechaniki uderzenia w obiekt docelowy. Wśród głównych wskaźników znajdują się takie właściwości jak wytrzymałość, zachowanie funkcjonalności, przeżywalność poszczególnych elementów, stopień rozdrobnienia itp.
Określanie poziomu zagrożenia śmieci kosmicznych
Nawet na etapie projektowania stacji orbitalnych i kompleksów kosmicznych brana jest pod uwagę możliwość kolizji z różnego rodzaju śmieciami. Aby obliczyć optymalną niezawodność projektu, wykorzystuje się dane o konkretnym środowisku, w którym urządzenie będzie używane. Jednocześnie nadal istotnym problemem jest niedokładność eksperymentalnych i analitycznych metod oceny zagrożeń. Zanieczyszczenia w kosmosie można zbadać tylko do pewnego stopnia z założeń, co utrudnia projektantom odpowiednie przygotowanie pojazdów do kolizji przy dużych prędkościach. DoDo przybliżonej oceny zagrożenia wykorzystuje się koncepcję ogólnych przepływów śmieci kosmicznych, które potencjalnie można napotkać na trasie statku kosmicznego. Wyświetlane są dalsze dane dotyczące gęstości strumienia, prędkości, kątów natarcia i liczby oczekiwanych uderzeń.
Sposoby zmniejszenia zagrożeń ze strony śmieci w kosmosie
Stosunkowo niski poziom monitorowania i charakteryzowania śmieci kosmicznych wraz z ich przewidywaniami to tylko część problemu. Na obecnym etapie specjaliści borykają się z szeregiem zagadnień związanych z ograniczaniem ryzyka negatywnego wpływu odpadów wytworzonych przez człowieka w przestrzeni kosmicznej. Obecnie rozważane są dwa kierunki rozwiązania tego problemu. Po pierwsze jest to ogólne ograniczenie lotów, a także minimalizacja procesów technologicznych, które prowadzą do zatykania się orbit na różnych poziomach. Po drugie, możemy mówić o optymalizacji konstrukcyjnej pojazdów z redukcją części, które potencjalnie mogłyby stać się kosmicznym śmieciem. Szczególną uwagę w dzisiejszych systemach kontroli przestrzeni poświęca się skażeniu substancjami radioaktywnymi. Dotyczy to minimalizacji produktów wydechowych silnika aż do przejścia na całkowicie nowe źródła paliwa.
Perspektywy walki z gruzami w bliskiej przestrzeni
Aktywna praca na rzecz regulacji działań kosmicznych na poziomie globalnym daje podstawy do optymizmu w ocenie rozwoju sytuacji w przyszłości. Ostrożny stosunek do czystości środowisk orbitalnych zawarty jest w koncepcjach programów strategicznych największych państw, które przyczyniają sięnajwiększy wkład w walkę z gruzami w kosmosie. Czyszczenie i usuwanie małych i dużych cząstek na orbity wielokątów jest jednym z kluczowych obszarów oczyszczania kosmosu z zanieczyszczeń spowodowanych przez człowieka, ale nie ma jeszcze skutecznych metod realizacji tej koncepcji. Jest to trudne technologicznie zadanie, dlatego główny nacisk w tej chwili nadal kładzie się na sposoby optymalizacji działań człowieka w kosmosie.
Wniosek
Jednym z radykalnych sposobów rozwiązania problemów ze śmieciami kosmicznymi jest całkowite zaprzestanie uruchamiania stacji orbitalnych i satelitów do czasu pojawienia się nowych i tańszych sposobów oczyszczania środowiska bliskiego Ziemi. Ale ten kierunek jest również utopijny z wielu powodów ekonomicznych i technologicznych. Niemniej jednak istnieją przesłanki do zmiany sytuacji na lepsze. Nawet jeśli spojrzysz kilkadziesiąt lat wstecz, możesz zauważyć fundamentalne zmiany w nastawieniu samej osoby do tego problemu. Tak więc, jeśli podczas działania stacji kosmicznej Mir zwykłą praktyką było bezpośrednie uwalnianie produktów odpadowych załogi, to dziś nie można tego sobie wyobrazić. Wprowadzane są coraz bardziej rygorystyczne zasady regulujące procesy przebywania w przestrzeni kosmicznej. Świadczą o tym również międzynarodowe konwencje, zgodnie z którymi kraje uczestniczące w działaniach kosmicznych zobowiązane są do przestrzegania zasad ograniczania negatywnego wpływu na sytuację ekologiczną w środowisku bliskim Ziemi.
