Powstanie odkurzacz kosmicznych śmieci. W projekt zaangażowani Polacy

W tym artykule:

1. Jak dużo śmieci kosmicznych lata nad naszymi głowami?
2. Co może oznaczać za dużo śmieci na orbicie?
3. Jak działa pomysł ClearSpace?
4. Jak się łapie kosmiczne śmieci?
5. Czy kosmiczne śmieci zagrażają ludziom?

Projekt właśnie przeszedł pomyślnie ważny przegląd technologiczny. To oznacza, że w 2026 roku będziemy świadkami, jak wielka mechaniczna łapa przechwyci i doprowadzi do zniszczenia orbitujący fragment rakiety Vega. W pracach nad śmieciarką biorą udział Polacy.

Jak dużo śmieci kosmicznych lata nad naszymi głowami?

Bazując na modelu statystycznym opracowanym przez ESA, liczbę śmieci kosmicznych z uwzględnieniem ich rozmiaru szacuję się na:

• 36 500 obiektów większych niż 10 cm,
• 1 mln obiektów o średnicy 1–10 cm,
• 130 mln obiektów o średnicy 1 mm – 1 cm.

Całkowita masa obiektów na orbitach Ziemi 10700 ton. Mówimy o stanie na koniec grudnia 2022 roku.

Co może oznaczać za dużo śmieci na orbicie?

Lawinowo rosnąca liczba śmieci kosmicznych może doprowadzić do tzw. syndromu Kesslera. Jest to sytuacja, w której kosmiczne śmieci nagromadzone na niskiej orbicie okołoziemskiej zderzają się ze sobą, generując w ten sposób nowe szczątki. Te z kolei ponownie się ze sobą zderzając generując jeszcze więcej odłamków. Problem został po raz pierwszy opisany przez amerykańskiego astrofizyka i pracownika NASA Donalda J. Kesslera.

To, co niegdyś było tylko rozważaniami teoretycznymi, coraz szybciej staje się realiami. Nagromadzenie na niskiej orbicie pędzących z prędkością 27,4 tys. km/godz. śmieci, szczególnie tych wielkogabarytowych, może doprowadzić do tego, że trudno będzie bezpiecznie wystrzelić rakietę. Dlatego kosmiczne śmieciarki i inne metody oczyszczania orbity, są po prostu konieczne.

Jak działa pomysł ClearSpace?

Pomysł startupu ClearSpace, którego misja nosi nazwę po prostu ClearSpace-1, zakłada budowę satelity, który po dotarciu do niebezpiecznego kosmicznego odpadu wysunie cztery mechaniczne ramiona, pochwyci odpadek i zamknie go w mechanicznym uścisku. Następnie obniży orbitę, aż wejdzie w atmosferę, w której spali się razem z przechwyconym, wielkogabarytowym śmieciem.
Ale jeśli komuś wydaje się, że jest to prosta operacja, bardzo się myli.

– Każda misja kosmiczna wiąże się z szeregiem wyzwań technologicznych. Od samego projektu bardzo skomplikowanego systemu jakim jest satelita, przez konieczność dostosowania go do trudnych warunków środowiska kosmicznego. Ważne są również zapewnienia odpowiednich parametrów technicznych, po spełnienie wymogów związanych z niezawodnością całego układu. Misja deorbitacyjna, której ClearSpace -1 jest pierwszym faktycznie wdrożonym do realizacji przykładem, dokłada kolejną warstwę wyzwań, z którymi zmierzyć się muszą pracujący nad jej realizacja inżynierowie – wyjaśnia inż. Jędrzej Baran z Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej Centrum Badań Kosmicznych PAN (LMRS CBK PAN), pracujący w projekcie ClearSpace-1.

Podkreśla, że wyjątkowo ważne jest odpowiednie podejście to chwytanego obiektu. Szczególnie tak, aby w momencie samego kontaktu i przechwycenia go zminimalizować siły, jakie działają na system chwytający.

Jak się łapie kosmiczne śmieci?

– Chcąc to osiągnąć, należy tak zaprojektować i zrealizować trajektorię po jakiej porusza się satelita, by w momencie samego złapania relatywna prędkość między obiektem chwytającym (tzw. chaser) i obiektem chwytanym (tzw. target) była jak najmniejsza. To duże wyzwanie ze względu na układ nawigacji i sterowania. Najmniejszy błąd może skutkować nawet zniszczeniem któregoś z podsystemów satelity i w konsekwencji niepowodzeniem całej misji – dodaje inżynier.

Pięciu inżynierów z LMRS CBK PAN odpowiadało właśnie za projekt układu chaser-target do przeprowadzenia manewru chwytania w ziemskich warunkach.

– Aby móc wykonać testy, musieliśmy czterokrotnie przeskalować system. Należy to zrobić tak, aby można go było umieścić na specjalnym urządzeniu testowym, które nazywamy stołem granitowym. Na stole tym urządzenia poruszają się na łożyskach powietrznych i cały manewr przechwycenia realizowany jest w tzw. „wariancie płaskim" – wyjaśnia Jędrzej Baran.

Europejska Agencja Kosmiczna buduje satelitarny system wczesnego ostrzegania przed zagrażającymi Ziemi planetoidami

Co roku na Ziemię spada około 5200 ton niewielkich kosmicznych odpadków skalnych. Większe planetoidy pojawiają się rzadziej, ale wyrządzają znacznie więcej szkód.

Czy kosmiczne śmieci zagrażają ludziom?

Kosmiczna śmieciarka wchodzi w fazę realizacji. Miejmy nadzieję, że w przyszłości satelity z chwytakami będą często pojawiały się na orbicie. Tym bardziej, że raport ESA Space Debris Environment podkreśla, że konieczne jest rozpoczęcie aktywnego oczyszczania środowiska kosmicznego – usuwanie istniejących, większych obiektów śmieci z ruchliwych regionów – aby zatrzymać wykładniczy wzrost śmieci kosmicznych.

A duże kosmiczne śmieci zagrażają nie tylko statkom kosmicznym, lecz stanowią coraz bardziej realne zagrożenie dla ludzi. Już sytuacje ze stopniami chińskich ciężkich rakiet, które przez wiele dni krążyły po orbicie budząc obawy co do tego, gdzie spadną, dały mocny sygnał, by zająć się tematem. Zwłaszcza, że nie tak łatwo obliczyć, gdzie spadnie taki obiekt.

– Cały czas dopracowywane są modele wejścia różnorodnych obiektów w atmosferę, bo sprawa wbrew pozorom nie jest taka prosta. Przede wszystkim na tym końcowym etapie misji przeważnie nie wiemy, czy interesujący nas obiekt rotuje, a jeżeli tak, to w jakiej płaszczyźnie i jak szybko. W przypadku kuli sprawa jest prosta – ze względu na stały przekrój poprzeczny obiektu nawet w przypadku rotacji trajektoria lotu nie zmieni się znacznie.

Ale w kosmos przeważnie nie wysyłamy idealnych kul, lecz obiekty o bardzo różnorodnych kształtach, których zachowanie w przestrzeni trudno jest przewidzieć. A płaszczyzna natarcia, czyli przekrój poprzeczny obiektu, jest tu kluczowa – wyjaśnia dr inż. Tomasz Suchodolski ze Stacji Laserowej Obserwatorium Astrogeodynamicznego CBK PAN. Stacja m.in. monitoruje kosmiczne śmieci.

Źródła: ClearSpace, ESA

Nasz ekspert

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.