Polska może zarobić kosmiczne pieniądze na sprzątaniu orbity. Problem, który trzeba rozwiązać

Polska może zarobić kosmiczne pieniądze na sprzątaniu orbity. Problem, który trzeba rozwiązać

Nie bez znaczenia są również lecące dziesiątkami na orbitę satelity Starlink, które już dostarczają internet na całym świecie.

Starlink Mission

Orbitalny śmietnik

W tym momencie nad naszymi głowami znajduje się około 6 tys. satelitów, z których tylko część jeszcze funkcjonuje. Niedługo będzie ich znacznie więcej za sprawą megakonstelacji satelitów. Elon Musk w ramach SpaceX i projektu Starlink chce wystrzelić dziesiątki tysiący satelitów, które mają dostarczać internet. A to nie jedyny projekt tego typu. Nietrudno się domyślić, że część z wystrzelonych satelitów ulegnie uszkodzeniu, czy to podczas samego procesu dotarcia na docelową orbitę, czy też już po rozpoczęciu pracy.

Najstarszym obiektem, który krąży wokół Ziemi jest pierwszy amerykański satelita Vanguard 1C. Został on umieszczony na orbicie w 1958 r., ale już od 1964 r. nie funkcjonuje — stał się kosmicznym śmieciem. I — jeżeli nic mu w tym nie pomoże — będzie nim jeszcze przez około 200 lat, kiedy to ponownie wejdzie w atmosferę.

Foto: NASAVanguard 1C, od momentu zakończenia misji, stał się pierwszym kosmicznym śmieciem. Spadnie za około 200 lat

Największym zagrożeniem są jednak nie całe satelity, a ich szczątki, powstałe w wyniku kolizji, czy prób rakietowych, jakie przeprowadziły już cztery kraje — Związek Radziecki (Rosja), Stany Zjednoczone, Chiny oraz Indie. Dziś szacuje się, że potencjalnie niebezpiecznych śmieci, które mogą zagrażać zarówno satelitom, jak i np. ISS, jest ponad milion. Przy prędkościach orbitalnych nawet odprysk farby o średnicy 1 mm ma możliwość uszkodzenia szyby na Stacji Kosmicznej.

Pierwszą poważniejszą porcję śmieci na orbicie “umieścili” Amerykanie już na początku kosmicznego wyścigu. W wyniku eksplozji rakiety nośnej Able Star powstało ponad 300 odłamków. Część z nich spłonęła już w atmosferze, ale niektóre wciąż krążą nad naszymi głowami.

W późniejszych latach liczba kosmicznych śmieci wzrastała wraz z testami systemów antysatelitarnych. USA i Związek Radziecki chcieli udowodnić, że są w stanie niszczyć obiekty kosmiczne swoich oponentów. W momencie stosowania w obu krajach satelitów szpiegowskich miało to niemałe znaczenie. Do 1982 r. ZSRR przeprowadziło 20 udanych testów systemów antysatelitarnych, co doprowadziło do powstania około 700 nowych, niebezpiecznych obiektów na orbicie. Większość z nich już jednak spadła do atmosfery.

Foto: Edward L. Cooper / WikipediaTerra 3 — grafika stworzona przez amerykański wywiad. Związek Radziecki pracował nad bronią laserową, która miała niszczyć lub "oślepiać" satelity

15 listopada 2021 r. Rosja przeprowadziła kolejny udany test systemów ASAT. Zniszczeniu uległ niedziałający od dawna sowiecki satelita Kosmos 1408. Jego odłamki stanowiły przez pewien czas niebezpieczeństwo m.in. dla załogi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Amerykanie przeprowadzili podobne testy. W 1985 r. zestrzelili własnego, ważącego tonę satelitę szpiegowskiego, co spowodowało powstanie kilkuset fragmentów. Z uwagi jednak na niską orbitę, wszystkie kawałki satelity weszły w atmosferę w ciągu 10 lat od eksplozji.

W ostatnich latach na liczbę kosmicznych śmieci największy wpływ miały dwa wydarzenia. Pierwszym z nich był test chińskiej broni antysatelitarnej. 11 stycznia 2007 r. Chińczycy zestrzelili swojego satelitę Fengyun 1C za pomocą wielostopniowej rakiety. Satelita orbitował na wysokości 865 km, czyli orbicie relatywnie gęsto obsadzonej innymi obiektami. W wyniku eksplozji powstało ponad 35 tys.fragmentów o wielkości co najmniej 1 cm. Wysokość, na której doszło do eksplozji, sprawia, że fragmenty Fengyun 1C będą wpadać do atmosfery przez następne dziesięciolecia.

Poniżej możecie zobaczyć symulację, ukazującą ile odłamków powstało w wyniku tego zdarzenia i gdzie znajdują się względem położenia Międzynarodowej Stacji Kosmicznej:

China's Anti-Satellite Weapon Test - Debris Orbit | Animation

Drugie zdarzenie miało miejsce w lutym 2009 r. Wtedy to w pełni funkcjonalny amerykański satelita telekomunikacyjny Iridium 33 zderzył się na wysokości 789 km z rosyjskim, niedziałającym już w tamtym czasie wojskowym satelitą Kosmos 2251. Było to pierwsze w historii bezpośrednie zderzenie dwóch sztucznych satelitów.

Prędkość obu obiektów względem siebie wynosiła ponad 11 km na sek. W wyniku potężnej siły ważące 950 i 560 kg satelity rozpadły się na ponad 1,7 tys. identyfikowalnych fragmentów i znacznie więcej niewielkich, o wymiarach poniżej 1 centymetra.

Symulację tego zderzenia możecie zobaczyć poniżej:

Iridium 33 and Cosmos 2251 Collision

Niebezpieczeństwo w kosmosie i na Ziemi

Rosnąca liczba tak satelitów, jak i kosmicznych śmieci doprowadza do sytuacji potencjalnych kolizji. Wystarczy wspomnieć, że niedawno, 25 grudnia 2019 r. mogło dojść do zderzenia polskiego nanosatelity BRITE2-PL Heweliusz z odrzuconym członem amerykańskiej rakiety Pegasus. Obiekty minęły się zaledwie o 11 metrów, przy prędkości przekraczającej 15 tys. km na godz.

W tym momencie nie dochodzi jeszcze do wielu kolizji. Wynika to jednak również z faktu, że współczesne satelity posiadają silniki manewrowe, umożliwiające im korekcję orbity. Oznacza to, że w momencie wcześniejszego zauważenia zagrożenia (te są obecnie wykrywane z kilkunastodniowym wyprzedzeniem), możliwe jest “uchylenie się” przed kosmicznymi śmieciami.

Foto: ESAWizualizacja rozmieszczenia kosmicznych śmieci wokół Ziemi. Na czerwono zaznaczone są satelity geostacjonarne

Trzeba jednak mieć na uwadze, że bez możliwości zatankowania satelity na orbicie (czego obecnie się nie robi), liczba możliwych uników jest ograniczona i po wyczerpaniu paliwa obiekt skazany jest już wyłącznie na los.

Podobne możliwości ma Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, która również jest w zasięgu chmury kosmicznych śmieci. Dochodziło już do sytuacji, w których ISS musiało wykonywać uniki, a kosmonauci i astronauci chowali się w kapsułach bezpieczeństwa. Wielokrotnie fragmenty wielkości kilku lub kilkunastu centymetrów miały Stację o kilkaset metrów.

Polska może zarobić kosmiczne pieniądze na sprzątaniu orbity. Problem, który trzeba rozwiązać

Jak wygląda "unik" ISS z perspektywy astronautów? Dosyć ciekawie, co możecie zobaczyć sami:

Space Station Reboost: The Inside Story

Mniej szczęścia miała stacja Mir. Niewielki odłamek kosmicznego śmiecia uderzył w jeden z paneli słonecznych stacji, doprowadzając do jego rozwarstwienia. Już w 1983 r. kosmiczne śmieci utrudniły załogową misję STS-7, kiedy to niewielki odprysk farby rozbił okno wahadłowca Challenger podczas orbitowania.

Większa część kosmicznych śmieci spala się podczas wchodzenia do atmosfery. Część z nich dociera jednak do Ziemi. Najwięcej trafia do oceanów, ale znamy przypadki, w których fragmenty rakiet uderzają w twarde podłoże. Jeden z pierwszych przypadków to fragmenty Able Star, które spadły na Kubę i… zabiły krowę. W 1962 r. fragmenty Sputnika spadły na ulice amerykańskiego miasta Manitowoc, a Kanadyjczycy naliczyli ponad 3 tys. odłamków satelity Kosmos 954, który miał na pokładzie reaktor atomowy. Promieniotwórcze paliwo skaziło obszar w Kanadzie o wielkości około 800 km. Miało to miejsce w 1978 r.

Foto: Departament Energii Stanów ZjednoczonychOperacja Morning Light — amerykańsko-kanadyjskie oddziały badają skażenie po odnalezieniu szczątków satelity Kosmos 954 (1978)

W 1993 r. fragmenty rakiet Delta-II również spadły na ziemię. Zwłaszcza przypadek z Argentyny wart jest odnotowania — całkiem spory kosmiczny śmieć spadł tam blisko zamieszkałych terenów.

Europa chce posprzątać

Wobec tych zagrożeń, patrząc na konieczność “posprzątania” orbity, by móc wynosić na nią kolejne obiekty, Komisja Europejska podjęła — niezależnie od Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) — działania, mające na celu monitorowanie obiektów na orbicie i wypracowanie możliwości ich usuwania. W tym celu w 2014 r. powołane zostało Konsorcjum EU Space Surveillance and Tracking (EUSST).

Państw założycieli SST było pięć — Francja, Niemcy, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania. Dołączyły do nich trzy kolejne — Portugalia, Rumunia i Polska, która bierze czynny udział w pracach całego zespołu.

Przed 2014 r. jedynie Stany Zjednoczone zajmowały się obserwacją kosmicznych śmieci, analizą ich trajektorii i przewidywaniem zagrożeń. Komisja Europejska postanowiła zadbać o autonomiczne obserwacje i świadczenie powiązanych z tym usług dla krajów Unii. W tym momencie jest to ostrzeganie o niebezpiecznych sytuacjach, informowanie o kolizjach i sytuacjach, w których kosmiczne śmieci wchodzą w atmosferę i mogą uderzyć w Ziemię.

Animację pokazującą sposób działania systemu obserwacji kosmosu i ostrzegania o niebezpieczeństwach zobaczycie poniżej:

EU Space Surveillance and Tracking (SST)

Działania Europejskiej Agencji Kosmicznej w ramach programu Active Debris Removal/In-Orbit Servicing (ADRIOS) zmierzają do wypracowania technik mających na celu usuwanie kosmicznych śmieci i serwisowanie (wraz z tankowaniem) obecnych satelitów. Oznaczałoby to z jednej strony zmniejszanie liczby obiektów nienadających się już do użytku, a jednocześnie wydłużanie życia satelitów, które mogłoby działać po dotankowaniu albo niewielkich naprawach.

Usuwanie kosmicznych śmieci jest wyzwaniem trudnym i na razie prace skupiają się wyłącznie na usuwaniu największych obiektów — ważących setki kilogramów satelitów. Po pierwsze — jest to relatywnie najprostsze. Po drugie — jeden taki satelita, co pokazała już historia, to kilka tysięcy potencjalnych odłamków.

Jak usunąć satelitę z orbity? Wyjścia są dwa — albo sprowadzić go na Ziemię, albo wypchnąć wyżej, poza orbitę. Pierwszy scenariusz zdaje się łatwiejszy do osiągnięcia. Do tego celu posłużyć mają bezzałogowe, zrobotyzowane satelity, które będą przyczepiać się do innych obiektów, a następnie je spowalniać, co w efekcie spowoduje deorbitację i ponowne wejście w atmosferę w sposób kontrolowany i przewidywalny.

Foto: Paul Fleet/ShutterstockPonowne wejście w atmosferę to sposób na efektowne pozbycie się kosmicznego śmiecia

Sektor usuwania kosmicznych śmieci zdaje się mieć ogromny potencjał. ESA zapowiedziała w 2019 r. chęć wydania 120 mln euro za usunięcie ważącego 100 kilogramów elementu, który w 2013 r. pomógł umieścić na orbicie badawczego satelitę. Pieniądze zarobił szwajcarski startup ClearSky. Nietrudno sobie wyobrazić, że z podobnych usług będzie chciało wkrótce korzystać więcej podmiotów, w tym m.in. Elon Musk.

Polska dostaje miliony

Polska Agencja Kosmiczna, w ramach współpracy z Konsorcjum, otrzymała niedawno grant w wysokości 1,8 mln euro (około 7,7 mln zł) na prowadzenie obserwacji. Zajmuje się tym powołane przez PAK Narodowe Centrum Operacyjne Świadomości Sytuacyjnej Przestrzeni Kosmicznej (Space Situational Awareness Centre — SSAC-PL). W ramach działań 13 czujników-teleskopów na całym świecie tworzy globalną sieć monitorującą niebo. Dzięki czujnikom SSAC może obserwować satelity znajdujące się na orbicie średniej i geostacjonarnej, analizować zebrane dane i przekazywać je do EUSST. W tym momencie system śledzi około 20 tys. obiektów — satelitów i większych kosmicznych śmieci.

Część teleskopów, które dziś PAK wykorzystuje do śledzenia ruchu na orbicie, powstawało w nieco innym celu. W globalnej sieci znajdują się teleskopy programu Solaris, których celem było poszukiwanie odległych planet. Okazało się jednak, że można je wykorzystać również do patrzenia znacznie bliżej.

Foto: projektsolaris.plJeden ze zautomatyzowanych polskich teleskopów, który powstał w ramach projektu Solaris

Rynek usług związany z takimi danymi ciągle się powiększa. Już teraz w obserwacje zaangażowane są 3 firmy i 2 placówki naukowe, a zainteresowanie współpracą wykazują kolejne podmioty. W Polsce m.in. w budowę teleskopów zaangażowane są nie tylko ośrodki naukowe, ale i firmy prywatne. Współpraca w ramach obserwacji i oczyszczania kosmosu może w przyszłości zaowocować wielomilionowymi kontraktami.

Tymczasem Polska Agencja Kosmiczna negocjuje już kolejny grant, przekraczający znacznie poprzednie 1,8 mln euro. Beneficjentami unijnych pieniędzy mogą zostać wszystkie podmioty z krajowego sektora kosmicznego. To nawet kilkadziesiąt dużych i małych firm, jak i jednostek naukowych. PAK ocenia, że właśnie tyle podmiotów ma odpowiednie kompetencje do rozwoju w kierunku kosmicznego sprzątania i inżynierii orbitalnej. Patrząc na sukcesy Polaków w dziedzinie robotyki i mechatroniki, nietrudno sobie wyobrazić, by to polskie robotyczne ramię za kilka lat “sprzątało kosmos”.

Jeden z przykładów polskiego ramienia robotycznego:

Easy Robots ES5 vs Obrabiarka CNC

Rośnie też budżet samej Polskiej Agencji Kosmicznej. W 2019 r. wyniósł 10 mln zł, co stanowi dwukrotność budżetu z roku poprzedniego. A może być jeszcze lepiej, bo istnieje szansa, że w kolejnych latach, będzie on już nie dwu-, ale trzy-, a nawet czterokrotnie wyższy. A to pieniądze, które przecież mogą się łatwo zwrócić, jeżeli tylko pojawią się zlecenia dla “kosmicznych śmieciarzy”, które polskie podmioty (prawdopodobnie w kooperacji) będą w stanie zrealizować.

Kosmiczne śmieciarki za 10 lat?

Specjaliści przewidują, że pierwsze firmy, które będą wyspecjalizowane w “sprzątaniu kosmosu” będą powstawać za 5 do 10 lat. Przykład ClearSky — jeżeli operacja zakończy się sukcesem — pokaże, że to jak najbardziej prawdopodobna sytuacja. Po 2030 r. być może w kosmosie pojawi się pierwsza flota “śmieciarek”, a dalszy rozwój technologii pomoże stworzyć urządzenia, które będą w stanie deorbitować większą liczbę obiektów w ramach jednej misji, albo wyłapywać chmury mniejszych śmieci.

Nie liczymy raczej, że Polska będzie sama produkować i wysyłać takie konstrukcje w kosmos, ale zaangażowanie Polskiej Agencji Kosmicznej w ramach Świadomości Sytuacyjnej Przestrzeni Kosmicznej i zarządzania ruchem w kosmosie wskazują, że mamy możliwości współpracy przy tego typu zadaniach. Zdobyta w ten sposób wiedza i doświadczenie są nieocenione, mając na uwadze, jak rozwijają się różne branże związane z lotami kosmicznymi — od telekomunikacji, po kosmiczną turystykę i przyszłą kolonizację Marsa. Jeżeli nie przegapimy naszej szansy, możemy wkrótce należeć do elitarnego grona "kosmicznych śmieciarzy".

Zobacz 10 najdroższych misji kosmicznych w historii:

10 najdroższych misji kosmicznych w historii