Według Amerykańskiej Sieci Nadzoru Kosmicznego w 2021 roku na niskiej orbicie okołoziemskiej – tzw. LEO (ang. Low Earth Orbit) – krążyło 21 901 sztucznych obiektów. Tylko 4 450 to działające satelity.  Reszta to kosmiczne śmieci, przy czym mówimy tu o obiektach wystarczająco dużych, aby można je było śledzić z Ziemi. Liczba odpadków o wielkości poniżej 1 cm szacowana jest na około 330 milionów.

Zderzenia z pędzącymi z prędkością bliską 8 km na sekundę odpadkami kosmicznymi są zagrożeniem dla statków kosmicznych. Nawet najmniejsze obiekty mogą zarysować powierzchnię ważnych urządzeń. Na takie uszkodzenia szczególnie narażone są panele słoneczne i optyka, czyli m.in. teleskopy. Takich urządzeń nie można łatwo chronić. Tymczasem liczba kolejnych startów rakiet tylko wzrasta, tak samo jak liczba obiektów krążących po orbitach.

Jak posprzątać kosmos ze śmieci? USA proszą o pomoc Europę

Siły Kosmiczne USA niedawno uruchomiły program o nazwie Orbital Prime, który da firmom pieniądze na rozwój technologii potrzebnej do oczyszczenia przestrzeni kosmicznej. W pierwszej turze programu firmy mogą wygrać nagrody w wysokości 250 tysięcy dolarów i aż 1,5 mln dolarów w drugiej rundzie finansowania. Program ma zakończyć się testową demonstracją technologii na orbicie.

W reklamującym program filmie gen. David Thompson, zastępca szefa operacji kosmicznych Sił Kosmicznych, powiedział, że Pentagon śledzi ponad 40 000 obiektów w kosmosie. Są one co najmniej wielkości pięści. Dodał jednak, że na orbicie znajduje się przynajmniej 10 razy więcej mniejszych obiektów, których Pentagon nie jest w stanie śledzić.

– Znajomość liczby obiektów, ich rozmiarów oraz parametrów orbit określających ich położenie w przestrzeni kosmicznej jest warunkiem niezbędnym do zachowania bezpieczeństwa i utrzymania infrastruktury kosmicznej. A także bezpieczeństwa infrastruktury naziemnej, czyli de facto nas samych – mówi dr inż. Tomasz Suchodolski z Obserwatorium Astrogeodynamicznego CBK PAN w Borówcu. Jednym z zadań obserwatorium jest śledzenie satelitów i śmieci kosmicznych.

Kosmiczne śmieci trzeba precyzyjnie namierzyć

Możemy łatwo ustalić położenie aktywnych satelitów wyposażonych w układy lokalizacyjne bazujące na odbiornikach GNSS (Global Navigation Satellite System). Jednak w przypadku urządzeń wyłączonych bądź uszkodzonych, członów rakiet oraz śmieci kosmicznych, sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana.

– Rozwiązaniem problemu jest śledzenie całego ruchu orbitalnego z powierzchni Ziemi. Realizowane jest to na dwa sposoby: przeglądowo oraz, można powiedzieć, punktowo. Pomiary przeglądowe polegają na detekcji ruchu orbitalnego większego fragmentu nieba, gdzie za pomocą pomiarowej wiązki radarowej czy zdjęć z teleskopu optycznego dokonuje się rejestracji trajektorii ruchu obiektów orbitalnych – mówi dr inż. Suchodolski.

Znając tor ruchu określony w danym odcinku czasu, można określić parametry orbit takich obiektów. Ten sposób pozwala na poznanie orbit wielu obiektów jednocześnie, lecz jest obarczony sporą niepewnością. Nie zawsze jest to wystarczające, ponieważ ta niepewność nie gwarantuje  poznania dokładnej trajektorii ruchu obiektów, czyli pozycji we wskazanym momencie czasu.

Tutaj stosuje się śledzenie punktowe. To pomiar trajektorii ruchu konkretnego obiektu za pomocą techniki laserowej, radarowej czy zdjęć pozyskanych z teleskopu optycznego. Techniki te różnią się między sobą, lecz prowadzą do dokładnego określenia trajektorii ruchu wskazanego obiektu.

Namierzone śmieci trzeba złapać

Jednak ustalenie liczby i trajektorii ruchu śmieci kosmicznych to jedno. Kolejna kwestia to realne pozbycie się ich z orbity, które rodzi kolejne komplikacje.

– Po pierwsze, trzeba precyzyjnie doprowadzić nasz statek kosmiczny łapiący, czyli tzw. „chaser” na odpowiednią orbitę. Następnie trzeba podejść do łapanego obiektu z jak najmniejszą relatywną prędkością – mówi inż. Jędrzej Baran, szef polskiej części projektu Clear Space. Im większa będzie relatywna prędkość obiektu łapanego i łapiącego, tym większe siły reakcji pojawią się w momencie łapania. Mówimy zatem o precyzyjnej nawigacji relatywnej pomiędzy dwoma obiektami. To skomplikowane nawet w przypadku podobnego problemu dokowania, czyli podejścia statku do Stacji Kosmicznej – chociaż tam jesteśmy w stanie sterować zarówno obiektem łapiącym, jak i łapanym.

– Po drugie, w przypadku takiej misji jak Clear Space-1, łapany obiekt oprócz przemieszczania się po określonej orbicie z prędkością orbitalną, posiada pewną prędkość obrotową. Często prędkość ta jest nieznana i może mieć znaczną wartość. Prędkość obrotowa oznacza, że obiekt zmienia swoje ustawienie. Mówimy czasami, że „koziołkuje” – wylicza Jędrzej Baran.

Jak to wygląda? Załóżmy, że chcemy złapać dłonią w konkretnym miejscu przedmiot, który szybko wiruje wokół jednej ze swoich osi. Wyobraźmy sobie teraz, że jeśli nam się nie uda, to jest duża szansa, że nasz statek kosmiczny ulegnie zniszczeniu lub awarii.

Aby w ogóle można było mówić o czymś takim, najpierw należy określić, jak zmienia się orientacja obiektu w czasie. Jest to niezbędne, aby skutecznie wyznaczyć trajektorię dojścia i złapania, a następnie przekazać ją do układu sterowania. Łapany obiekt nie jest w stanie dostarczyć nam żadnych informacji o swoim stanie fizycznym. Wszystkie dane na jego temat musimy uzyskać z obserwacji.

– Clear Space rozwiązał ten problem częściowo. W proponowanym w ramach tego projektu rozwiązaniu cały obiekt – w tym wypadku człon rakiety Vega, a konkretnie górna część modułu Vespa – jest obejmowany przez cztery macki zamontowane na satelicie. Innowacja polega na tym, że o ile wciąż musimy precyzyjnie zbliżyć się do łapanego obiektu, o tyle dokładny punkt chwycenia nie jest już tak ważny. To jeden z aspektów systemów, który testujemy w CBK PAN. Za pomocą eksperymentu sprawdzamy jak zachowa się obiekt łapany w różnych scenariuszach. Zmieniamy kąt łapania, prędkość, relatywne rozsunięcie środków masy obydwu obiektów i wiele innych parametrów – wyjaśnia Jędrzej Baran.

Ostatni etap to kontrolowane zniszczenie kosmicznych śmieci

Sporym wyzwaniem inżynierskim jest też zaprojektowanie układu łapiącego (eng. capture system). Musi on być jak najlżejszy, a jednocześnie ma wytrzymać znaczne siły i momenty siły, które działają na niego w chwili chwytania obiektu. W dodatku oba układy, czyli sam statek kosmiczny i zamontowany na nim układ łapiący, muszą ściśle współpracować na poziomie algorytmów sterowania. Chodzi o to, aby sobie wzajemnie nie przeszkadzały. Jest to kolejnym istotnym aspektem projektowania tak złożonego systemu.

Docelowo tego typu kosmiczne śmieciarki mają przechwytywać kosmiczny złom. Potem będą schodzić wraz z nim w atmosferę, gdzie wspólnie ulegną spaleniu. Jest to dobre rozwiązanie w przypadku śmieci wielkogabarytowych. Ale takich jest stosunkowo mało.

– Monitorowanych obiektów o rozmiarze powyżej 10 cm jest około 43 tysiące. Liczbę tych w przedziale 1–10 cm szacuje się na milion. Mniejsze odłamki to już setki milionów sztuk. Przed nami era dużych konstelacji satelitarnych, choćby tych dostarczających internet. Zatem problem, niestety, będzie narastał – podsumowuje dr inż. Tomasz Suchodolski. Potrzebne więc będą nowe rozwiązania, nad którymi naukowcy będą pracować w przyszłości.

Źródła: Space Prime, CBK PAN.