Śmieci w kosmosie to coraz większy problem. Trzeba potraktować go poważnie, zanim będzie za późno. Kryzys kosmiczny może zacząć się nie od bomby atomowej, ale od wielkiego bałaganu.
Wyobraźcie sobie, że jesteście na wakacjach. Robicie mnóstwo zdjęć smartfonem, które wrzucacie na swój profil w mediach społecznościowych. Wasza rodzina i przyjaciele na drugim końcu świata mogą natychmiast je zobaczyć i skomentować. Jednocześnie sami możecie sprawdzić, jak wakacje spędzają wasi znajomi, którzy tak samo jak wy dzielą się swoimi przeżyciami za pomocą internetu.
Choć nie myślimy o tym na co dzień, wszystko to jest możliwe dzięki satelitom. Jak mogłoby dojść do zniszczenia większości z nich i jak wyglądałaby wtedy nasza rzeczywistość, pokazuje nagrodzony siedmioma Oscarami film "Grawitacja" w reżyserii Alfonso Cuarona z 2013 roku.
W filmie dochodzi do zniszczenia satelity szpiegowskiego. Powstały obłok odłamków, krążąc wokół planety, sieje coraz większe spustoszenie. Jeden z bohaterów filmu w reakcji na serię wypadków stwierdza z przekąsem, że "połowa Ameryki właśnie straciła swojego Facebooka". Oprócz odcięcia rzesz ludzi od mediów społecznościowych i internetu w ogóle w filmie dochodzi do zniszczenia promu kosmicznego NASA, teleskopu Hubble’a i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
To oczywiście fabularna fikcja, jednak jest ona znacznie bliższa rzeczywistości, niż może się wydawać. Potwierdzają to opinie wielu naukowców, operatorów satelitów, planistów misji kosmicznych.
Od momentu wystrzelenia w kosmos pierwszego satelity, jakim był radziecki Sputnik 1 4 października 1957 roku, ludzkość wysłała w przestrzeń kosmiczną tysiące pojazdów. Satelity umożliwiają sprawną komunikację i przesyłanie sygnału telewizyjnego czy radiowego do każdego zakątka świata. To w dużej mierze dzięki nim działają nasze telefony i internet. Systemy nawigacji satelitarnej, takie jak GPS, umożliwiają każdej osobie ze smartfonem określenie swojej lokalizacji z dokładnością do kilku metrów.
Zastosowania satelitów można by wymieniać długo. Nikt nie ma chyba dziś wątpliwości, że są one jednym z najważniejszych narzędzi sprawiających, że nasz świat to dziś istotnie "globalna wioska". Te pojazdy kosmiczne niemal od początku ery podboju kosmosu są też stosowane w obronności. To one wypatrują oznak wystrzelenia przez kogokolwiek rakiet z głowicami atomowymi. Stanowią tym samym system wczesnego ostrzegania przed atakiem atomowym dla krajów takich jak USA, Rosja i Chiny.
Wydarzenia z filmu "Grawitacja", o których wspomniałem we wstępie, mogą stać się rzeczywistością na skutek celowego działania jednego z państw, które jest aktywnym użytkownikiem przestrzeni kosmicznej. Chodzi o Rosję. Niedawno świat obiegła wiadomość o tym, że Rosja prowadzi prace nad rozmieszczeniem broni atomowej w kosmosie. Miałaby ona służyć do niszczenia satelitów poprzez wytworzenie potężnej fali energii po detonacji. Powstały w wyniku wybuchu nuklearnego EMP (od ang. electromagnetic pulse), czyli impuls elektromagnetyczny wraz z wysoko naładowanymi energetycznie cząstkami, zakłóciłby pracę satelitów, sprawiając, że ich obwody elektryczne stałyby się bezużyteczne. Taki akt służyłby sparaliżowaniu komunikacji satelitarnej zarówno komercyjnych, jak i wojskowych satelitów.
Wspomniana broń miałaby potencjał błyskawicznego obezwładniania całych konstelacji satelitów, takich jak np. Starlink firmy SpaceX, który jest wykorzystywany przez Ukrainę w wojnie obronnej z Rosją. Amerykańscy urzędnicy uspokajają jednak, że użycie takiej broni byłoby ostatecznością, bowiem doprowadziłoby do uszkodzenia wszystkich satelitów, również rosyjskich.
Ewentualność użycia broni atomowej lub jakiejkolwiek innej w kosmosie rodzi słuszne obawy. Jednak wcale nie musi dojść do wojny w przestrzeni kosmicznej, by ludzkość utraciła możliwość korzystania z satelitów. Najgorszy i coraz bardziej prawdopodobny rozwój wypadków zakłada bowiem jeszcze większą destrukcję i chaos na naszej orbicie utrzymujące się przez długi okres.
27 marca 2019 roku Indie ogłosiły, że pomyślnie przeprowadziły tego dnia test broni antysatelitarnej (ASAT). Rakieta przechwytująca, zbudowana przez indyjską Organizację Badań i Rozwoju Obrony (DRDO), uderzyła i zniszczyła indyjskiego satelitę Microsat-R w locie trwającym nieco ponad pół minuty. Test wywołał na świecie powszechne oburzenie w związku z powstałą chmurą odpadów zagrażającą innym statkom kosmicznym na orbicie okołoziemskiej. Choć zachowanie Indii było lekkomyślne, rząd w Delhi zachował się choć o tyle odpowiedzialnie, iż starał się zminimalizować skutki testu. Satelitą, który został wybrany jako cel, był pojazd znajdujący się na stosunkowo niskiej orbicie nad Ziemią, na wysokości 300 km. Dzięki temu większość szczątków powstałych w wyniku tego zdarzenia została szybko ściągnięta na Ziemię na skutek grawitacji i spłonęła w atmosferze. Mimo to niektóre ze szczątków satelity dotarły na wyższą orbitę, nawet na wysokość 400 km, potencjalnie zagrażając krążącej na tym pułapie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W dodatku po wielu miesiącach okazało się, że w kosmosie pozostało wciąż około 50 odłamków.
Działanie Indii i tak było jednym z najmniej szkodliwych w tej kategorii. W 2007 roku Chiny przeprowadziły swój test broni antysatelitarnej na wysokości 865 km. Na skutek zniszczenia jednego ze starych chińskich satelitów powstał obłok szczątków składający się z około 3 tys. obiektów, które pozostaną na orbicie przez dziesięciolecia, stanowiąc zagrożenie dla innych pojazdów kosmicznych. Podobne działania mają też na koncie Stany Zjednoczone i Rosja. Pierwsze testy broni mającej niszczyć satelity zostały przeprowadzone już w 1959 roku. Zagadnienie broni w kosmosie i ewentualnych następstw jej użycia jest więc tak stare jak sama era lotów kosmos.
Do tej pory ludzkość wysłała na orbitę wokół Ziemi ponad 12 tys. satelitów. Według danych Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) obecnie w kosmosie pozostaje ich 7630, z czego około 4700 nadal działa. Pozostałe po prostu dryfują w przestrzeni kosmicznej nieużywane. Towarzyszy im według rachub Amerykańskiej Agencji Kosmicznej NASA około 27 tys. kosmicznych śmieci. Liczba ta będzie jedynie rosnąć. Amerykańska agencja zwraca uwagę, że oprócz samej liczby kosmicznych odłamków różnej wielkości zagrożeniem jest także prędkość, z jaką poruszają się po orbicie - 25-28 tys. km/h na niskiej orbicie okołoziemskiej. To czyni z nich istne pociski, które nawet przy najmniejszych rozmiarach mogą spowodować zniszczenie obiektów, które napotkają na swojej drodze.
Zagrożenie związane z kosmicznymi śmieciami jest znane od dawna. W 1978 roku naukowiec NASA Donald Kessler opisał zjawisko określane dziś od jego nazwiska jako "syndrom Kesslera". W artykule zatytułowanym "Częstotliwość kolizji sztucznych satelitów: Powstanie pasa odpadków" badacz wraz ze swoim współpracownikiem Burtonem Cour-Palaisem podkreślili fakt, że prawdopodobieństwo kolizji satelitów wzrasta wraz z każdym satelitą wyniesionym na orbitę. To oczywiste stwierdzenie, które jednak dobrze oddaje skalę problemu, jeśli wziąć pod uwagę przytoczoną wcześniej liczbę obiektów na orbicie.
Syndrom Kesslera to zjawisko, w którym dochodzi do samonapędzającego się przyrostu liczby śmieci na orbicie okołoziemskiej. W 2009 roku Kessler odniósł się do swojej teorii po latach. Poinformował, że w przeprowadził symulacje, które wykazały, że nagromadzenie odłamków, w środowisku kosmicznym jest alarmujące. Kessler stwierdził, że:
Osiągnięcie stanu, w którym przyrost małych śmieci kosmicznych ustaje, jest już najprawdopodobniej niemożliwe. Nawet jeśli wyeliminowalibyśmy obecne już w kosmosie odpadki, przyszłe nieuniknione kolizje obiektów na orbicie będą generowały nowe śmieci szybciej niż opór atmosferyczny i działanie grawitacji doprowadzają do ich spalenia w ziemskiej atmosferze.
Konsekwencje tego mogą być katastrofalne. W skrajnym wypadku ludzkość może nie tylko utracić większość wszystkich satelitów, ale na skutek nagromadzenia śmieci na orbicie może zostać pozbawiona możliwości lotów w kosmos i w efekcie dosłownie uwięziona na Ziemi. Rozwijający się np. obecnie sektor turystyki kosmicznej straciłby rację bytu, zanim zdążyłby się na dobre rozwinąć. Taki stan rzeczy mógłby się utrzymywać przez wiele pokoleń.
Dziś na orbicie okołoziemskiej znajduje się prawie 3 tys. nieużywanych już statków kosmicznych poruszających się z ogromną prędkością. Oprócz nich w kosmosie pozostają też np. ostatnie stopnie rakiet. To człony rakiet kosmicznych, które docierają do przestrzeni kosmicznej i odpowiadają za napędzanie statków kosmicznych w ich ostatniej fazie wznoszenia. Z racji swoich rozmiarów są wyjątkowo niebezpieczne. Prędkość takich elementów na wysokości 400 km, na jakiej znajduje się Międzynarodowa Stacja Kosmiczna ISS, to ok. 27 500 km/h. Przy prędkościach tego rzędu nawet niewielki odłamek może wyrządzić poważne szkody statkowi kosmicznemu.
Europejska Agencja Kosmiczna ESA szacuje, że na orbicie okołoziemskiej znajduje się co najmniej 36,5 tys. odłamków o rozmiarach przekraczających 10 centymetrów, 1 milion obiektów o średnicy od 1 do 10 centymetrów oraz aż 330 milionów odpadów mniejszych niż 1 centymetr, ale większych niż 1 milimetr.
Zagrożenie nie jest czysto hipotetyczne. Od 1999 roku do maja 2021 roku ISS musiała dokonać 29 manewrów korygujących kurs w związku z zagrożeniem kolizją z kosmicznymi śmieciami, w tym trzy w samym tylko 2020 roku.
Źródłem kosmicznych śmieci na orbicie są nie tylko stare i nieużywane statki kosmiczne. Czasami dochodzi do kolizji działających pojazdów w kosmosie. Najsłynniejszy tego typu incydent miał miejsce w lutym 2009 roku. Wtedy to rosyjski satelita Kosmos 2251 zderzył się z innym – Iridium 33. Skutkiem było powstanie niemal 2 tys. odłamków o rozmiarach większych niż piłka tenisowa.
We wrześniu 2023 roku agencje kosmiczne z zapartym tchem śledziły trajektorie dwóch dużych kosmicznych śmieci, które minęły się dosłownie o włos. Ich kolizja mogła doprowadzić do powstania kolejnej chmury składającej się z tysięcy odłamków.
Firma zajmująca się zarządzaniem ruchem kosmicznym Leolabs poinformowała we wrześniu 2023 roku, że zauważyła, iż jeden z rosyjskich pojazdów Cosmos 807 wystrzelony jeszcze w 1976 roku niemal zderzył się z zużytym korpusem chińskiej rakiety Long March 4C.
Każdy z nich poruszał się z prędkością około 7,5 km/sek. na wysokości 689 km. Według Leolabs zderzenie tych masywnych kawałków doprowadziłoby do powstania około 3 tys. śmieci na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Problem kosmicznych śmieci będzie jedynie rósł, ponieważ koszty wyniesienia ładunków na orbitę są coraz niższe. To umożliwia licznym podmiotom państwowym i prywatnym umieszczanie w kosmosie coraz większej liczby pojazdów. Dla przykładu firma SpaceX Elona Muska wystrzeliła w kosmos już ponad 1700 satelitów w ramach budowy swojej konstelacji satelitarnej Starlink, która docelowo może składać się z ponad 40 tys. jednostek. Firma OneWeb wysłała już ponad połowę satelitów dla swojej planowanej konstelacji składającej się z 648 satelitów. Również Amazon, należący do innego miliardera Jeffa Bezosa, zamierza stworzyć własną internetową sieć satelitarną, która będzie składać się z ponad 3200 statków kosmicznych. W listopadzie 2021 roku startup Astra z Bay Area złożył wniosek do Federalnej Komisji Łączności Stanów Zjednoczonych o własną konstelację szerokopasmową składającą się z 13 600 satelitów.
Jak mówi inżynier Mateusz Krasuski związany z Centrum Technologii Kosmicznych w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa: – Gwałtowny wzrost liczby satelitów na orbicie w ostatnich latach w dużej mierze spowodowany jest pojawieniem się megakonstelacji takich jak Starlink. Co gorsza, analizy Europejskiej Agencji Kosmicznej opublikowane w corocznym raporcie dotyczącym środowiska kosmicznego pokazują, że nawet w przypadku zaprzestania dalszych startów rakiet obecna liczba obiektów na orbicie jest na tyle duża, że ilość śmieci będzie dalej wzrastać. Oznacza to, że syndrom Kesslera nie tylko jest realny, ale w zasadzie już się rozpoczął. Jeżeli nie zostaną podjęte działania mające na celu ograniczanie problemu kosmicznych śmieci, to będzie się on nasilał – tłumaczy Krasuski.
Wśród ekspertów panuje zgoda, że konieczne jest podjęcie zdecydowanych działań, jeśli chodzi o obsługę satelitów. Powstaje wiele nowych pomysłów, jak zaradzić temu problemowi. Jednym z nich jest rozwiązanie opracowane przez polską firmę Orbital Matter.
– W Orbital Matter pracujemy nad technologią druku 3D działającą w otwartej przestrzeni kosmicznej, która może być wykorzystana do wykrywania i deorbitacji najmniejszych cząstek. Mikrośmieci trafiałyby na orbicie w wydrukowaną przez nas tarczę, która odbijałaby je w kierunku atmosfery ziemskiej, gdzie ulegałyby spaleniu – tłumaczy
W 2019 roku Koalicja Bezpieczeństwa Kosmicznego (SSC) zaproponowała zestaw rozwiązań mających na celu niedopuszczenie do zaistnienia syndromu Kesslera. Ta międzynarodowa organizacja zrzeszająca operatorów satelitarnych, podmioty rządowe i przedstawicieli przemysłu zaleca, by wszystkie satelity operujące na pułapie powyżej 400 km były wyposażone w systemy napędowe umożliwiające im manewrowanie w celu uniknięcia ewentualnych kolizji. Jest to wysokość, na której lata ISS, a satelity, które krążą poniżej tej granicy, mają tendencję do tego, by spaść z orbity stosunkowo szybko i spłonąć przy wejściu w ziemską atmosferę.
SSC proponuje także, aby projektanci satelitów rozważyli wbudowanie systemów szyfrowania w systemy dowodzenia swoich jednostek, aby trudniej było je przejąć hakerom. Operatorzy satelitów na niskich orbitach okołoziemskich powinni zawrzeć w umowach startowych wymóg, by loty były tak zaplanowane, aby górne stopnie rakiet spadały z powrotem do atmosfery wkrótce po starcie.
Jeszcze dalej poszła ESA. W 2022 roku Europejska Agencja Kosmiczna przyjęła podejście "Zero Debris" (zero odpadów), które ma obowiązywać przy planowaniu wszystkich jej misji. Oto najważniejsze z zaleceń, których wprowadzenie do roku 2030 ma zminimalizować problem kosmicznych śmieci:
1. Skuteczna utylizacja
Samodzielna utylizacja polegająca na ponownym wejściu zbędnych elementów misji kosmicznych w atmosferę powinna być weryfikowana jeszcze przed rozpoczęciem lotu. Jednocześnie ESA zapowiedziała, że będzie kładła nacisk na rozwój niezawodnych i przystępnych cenowo usług aktywnego usuwania śmieci z kosmosu. Pierwsza odpowiednia misja jest już w przygotowaniu.
2. Skrócenie czasu przebywania w kosmosie zbędnych elementów
Im krótszy jest okres przebywania danego obiektu na orbicie, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że zderzy się on z innym i stworzy kolejne śmieci. Obecne wytyczne dotyczące ograniczania zanieczyszczeń mówią, że satelita lub rakieta na niskiej orbicie okołoziemskiej nie powinny na niej pozostawać dłużej niż przez 25 lat po zakończeniu ich eksploatacji. Zalecenia ESA zawarte w dokumencie „Zero Debris" zakładają skrócenie tego czasu do mniej niż pięciu lat.
3. Unikanie kolizji na orbicie
Unikanie kolizji na drodze manewrów satelitów w celu uniknięcia potencjalnej kolizji jest stałym elementem misji latających na niskich orbitach okołoziemskich. Wraz z szybkim wzrostem aktywności w przestrzeni kosmicznej i rosnącą liczbą śmieci na orbicie strategie unikania kolizji muszą zostać udoskonalone. Mają do tego prowadzić m.in.: większy stopień automatyzacji, koordynacja ruchu w kosmosie przez współpracujące ze sobą podmioty, ustalenia protokołów komunikacyjnych.
4. Unikanie wewnętrznych uszkodzeń sprzętu
ESA postuluje wdrożenie ulepszonych systemów monitorowania stanu technicznego pojazdów kosmicznych. Innym rozwiązaniem jest udoskonalenie technik tzw. pasywacji, które mają zapobiegać rozpadowi satelitów od wewnątrz.
5. Zapobieganie celowemu uwalnianiu śmieci kosmicznych
Europejska Agencja Kosmiczna podkreśla, że należy unikać celowego uwalniania jakichkolwiek śmieci kosmicznych, do których należą osłony ochronne, osłony obiektywów, owiewki rakiet.
6. Poprawa oceny ryzyka wypadków na Ziemi
Należy opracować wystandaryzowane narzędzia i metodologię do oceny ryzyka wypadków na Ziemi w związku z ponownym wejściem obiektów na orbitę. ESA zaleca także oszacowanie ryzyka wypadków na Ziemi dla wszystkich obiektów związanych z daną misją, które mogą zostać uwolnione przez rakietę nośną.
Z powyższymi postulatami zgadza się cytowany wyżej Mateusz Krasuski. Zwraca on uwagę zwłaszcza na kwestię satelitów, których serwisowanie byłoby niemożliwe lub nieopłacalne:
– W przypadku takich satelitów wskazane jest usunięcie ich z orbity w odpowiednio krótkim czasie. W tym celu mogą one zostać wyposażone w urządzenia pozwalające na skrócenie ich czasu pobytu na orbicie po zakończeniu misji. Przykładem takiego systemu jest rozwijany w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa silnik deorbitacyjny na stały materiał pędny wraz z systemem wektorowania ciągu, który byłby montowany na satelitach jeszcze przed wyniesieniem ich na orbitę i pozwalałby na bezpieczne usunięcie ich z orbity po zakończeniu misji – tłumaczy ekspert.
Nadzieję dają działania amerykańskiej Federalnej Komisji Łączności. Komisja w październiku 2023 roku ukarała firmę dostarczającą telewizję satelitarną Dish Network za nieodpowiedni sposób, w jaki ta pozbyła się swojego satelity. W 2012 roku amerykańscy urzędnicy zaopiniowali pozytywnie plan likwidacji satelity. Miał on polegać na wysłaniu go na orbitę wyższą o 300 km od dotychczasowej. Obszar ten nazywany jest "orbitą cmentarną", znajdują się tam pojazdy wyłączone z użytku. Jak się jednak okazało, firma Dish Network nie zadbała o wystarczającą ilość paliwa, dzięki któremu wycofany z użytku satelita mógłby osiągnąć zamierzony pułap. Na skutek niedopatrzenia satelita został wyniesiony jedynie na wysokość 122 km ponad orbitę, na której znajdował się wcześniej.
– Wiele podmiotów rozwija technologie aktywnego i biernego usuwania śmieci kosmicznych. W 2026 roku planowana jest np. misja demonstracyjna zlecona przez ESA, której celem będzie usunięcie z orbity nieaktywnego satelity. W przyszłości oczekuje się, że liczba nowo powstających śmieci kosmicznych na orbicie zacznie maleć, co będzie wynikać z wprowadzanych regulacji prawnych. Będą one wymagały, by na pokładach satelitów instalowane były systemy deorbitacyjne – mówi Przemysław Drożdż ze start-upu zajmującego się technologiami kosmicznymi.
Miejmy nadzieję, że agencje kosmiczne i rządy na całym świecie potraktują narastający problem kosmicznych śmieci poważnie. Sytuacja związana z zaśmieceniem kosmosu zaczyna bowiem przypominać tę, z jaką mamy do czynienia w przypadku globalnych zmian klimatu. Wszyscy zgadzają się co do tego, że problem istnieje i jest poważny. Nie brakuje proponowanych rozwiązań. Problem jednak narasta z każdym dniem.
Perspektywy związane z coraz intensywniejszym wykorzystywaniem orbity okołoziemskiej nie napawają optymizmem. Jednocześnie uwaga szerokiej opinii publicznej jest skierowana ku innym wyzwaniom, których na Ziemi nie brakuje. Jednak im szybciej ludzkość i jej przywódcy zdadzą sobie sprawę z powagi sytuacji i podejmą skuteczne działania, tym lepiej.
Czasu jest coraz mniej, a ewentualne następstwa syndromu Kesslera mogą znacząco cofnąć nas w rozwoju i to na wiele lat. Koszty w takim wypadku będą trudne do oszacowania i bez wątpienia przewyższą jakiekolwiek wydatki, jakie należy ponieść, by rozwiązać problem kosmicznych śmieci.
Czas na debatę o problemie kosmicznych śmieci. Miejmy nadzieję na poważniejszą niż tę, jaką przedstawia popularny film "Nie patrz w górę" (ang. "Don't Look Up", 2021), gdzie sprawa rodem z kosmosu stała się tematem medialnym, ale nie w sposób, jakiego chcieliby naukowcy.
W innym przypadku trzeba będzie się oswoić z lękiem, który towarzyszył wodzowi plemienia Galów w komiksach "Asteriks". Stary wojownik Asparanoiks budzi szacunek swych poddanych, ale boi się jednego – i jest to strach paraliżujący – mianowicie tego, że "niebo zwali mu się na głowę".
