Kosmiczne śmieci

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Dystrybucja kosmicznych śmieci widziana spoza orbity geostacjonarnej (GEO). Widoczne są dwa główne zbiorowiska, pierścień obiektów na orbicie GEO i chmura obiektów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO).

Kosmiczne śmieci lub kosmiczne odpadki, ew. kosmiczne wysypisko (ang. Space Debris) – obiekty na orbitach wokół Ziemi wytworzone przez człowieka, ale niesłużące już żadnemu celowi. Składa się na nie wszystko, poczynając od zużytych rakiet wielostopniowych, nieczynnych satelitów, wszystko co astronauci zgubili podczas spacerów kosmicznych, po fragmenty kolizji i pozostałości eksplozji[1]. Jako że orbity tych obiektów mogą nachodzić się z trajektoriami lotów statków kosmicznych, stanowią one źródło potencjalnego zagrożenia.

Znaczną większość z milionów obiektów śmietniska stanowią małe kawałki, jak listki farby. Zderzenia z tymi cząstkami powodują zniszczenia podobne w efekcie do piaskowania. Znacznej większości tych zniszczeń można uniknąć poprzez zastosowanie technologii wynalezionej do ochrony statków przed mikrometeorytami, poprzez dodanie cienkiej warstwy metalu na zewnętrznej powłoce statku. Do zderzeń dochodzi przy tak dużych prędkościach, że pył wyparowuje przy uderzeniu z warstwą metalu, a powstająca w efekcie plazma rozprzestrzenia się na tyle szybko, że nie zdąży uszkodzić statku. Aczkolwiek, nie każdą część obiektu da się ochronić w ten sposób, np. panele słoneczne i urządzenia optyczne (takie jak teleskop, czy astronawigator) i te elementy są cały czas wystawione na działanie śmieci.

Dzisiejsze sposoby osłony, tak jak te użyte przy załogowych modułach Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, są w stanie chronić przed odpadkami wielkości mniejszej niż 1 cm. Jedynym pozostałym sposobem takiego zabezpieczenia jest poruszenie obiektem, celem uniknięcia kolizji. Ta metoda z kolei wymaga poznania dokładnej orbity obiektu. Używany obecnie sprzęt jest w stanie rozpoznawać obiekty o średnicy większej niż 5 cm na niskiej orbicie okołoziemskiej, i o średnicy około 50 cm na orbicie geostacjonarnej. Z szacowanych 500 tys. obiektów o średnicy powyżej 1 cm, tylko 18 tys. może być śledzonych z Ziemi[2]. Łączną liczbę obiektów szacuje się na miliony[3].

Historia[edytuj | edytuj kod]

Mikrometeoryty[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Mikrometeoryt.

W 1946, podczas drakonidyjskiego deszczu meteorytów, Helmut Landsberg zebrał kilka naładowanych magnetycznie próbek, których pochodzenie wiązał z deszczem[4]. Zaintrygowało to Freda Whippla i napisał artykuł, w którym postulował, że obiekty tej wielkości są za małe, żeby utrzymać swoją prędkość, kiedy wchodzą do górnej atmosfery. Zamiast tego, szybko wytraciłyby swoją prędkość i spadły niestopione. Aby zaklasyfikować te obiekty, stworzył nazwę Mikrometeoryt[5]

„Błysk energii” superszybkiego uderzenia, będącego symulacją zderzenia cząstki ze statkiem.

Te wczesne prace, we współpracy z Fletcherem Watsonem, doprowadziły obserwatorium w Harvardzie do zbudowania stacji pozwalającej na pomiary prędkości obserwowanych meteorytów. W tamtym czasie spierano się o to, czy meteoryty są spoza Układu Słonecznego, czy też są to pozostałości po jego formowaniu się. Te bezpośrednie pomiary były w stanie zlokalizować źródło meteorytów, udowadniając, że są to w znacznej większości pozostałości po ogonach komet, i że żadnemu z tych obiektów nie da się przypisać pochodzenia spoza układu[6]. Dzisiaj przyjmujemy, że meteoryty wszelkiego typu to pozostałości po formacji układu[7].

Ochrona przed mikrometeorytami[edytuj | edytuj kod]

Chociaż prace Whipple'a wyszły przed wyścigiem kosmicznym, okazały się przydatne, kiedy ten się rozpoczął. Jego prace udowodniły, że szanse uderzenia w meteor duży na tyle, aby rozbić statek kosmiczny, są niezmiernie małe. Aczkolwiek, wykazały także, że pojazd będzie pod ciągłym obstrzałem kosmicznego pyłu. Wczesne podejście do problemu cechowała surowość pomysłu, i miałby to niby być gruby mur chroniący pojazd. Dokładanie zbędnej masy do statku kosmicznego jest jednak ogromnie kosztowne.

Sam Whipple wymyślił w 1946 lepsze rozwiązanie[8]. Na początku znana jako „zderzak meteorytowy”, dzisiaj rozpoznawana pod nazwą Tarcza Whippla, składała się z cienkiej warstwy metalu rozpostartej w małej odległości od kadłuba statku. Kiedy mikrometeoryt uderzał w folię, wyparowywał, a powstająca w wyniku plazma szybko by się rozprzestrzeniała. To pozwalało na niezależną od trzymania cały czas ochrony przed meteorytami na pierwszym planie, konstrukcji kadłuba, a sama warstwa metalu nie dodawała wiele do całości masy. Dla obiektów, które spędzają większą część czasu na orbicie, zastosowana tarcza pozostała niezmieniona od lat[9].

Studia Kesslera nad planetoidami[edytuj | edytuj kod]

W miarę jak ziemskie misje posuwały się coraz dalej od Ziemi, zaczęto sobie zadawać pytanie o naturę pasa planetoid, przez który będą musiały przelecieć sondy w drodze do krańca Układu Słonecznego. Chociaż Whipple wykazał, że bezpośrednie otoczenie Ziemi nie stanowi zagrożenia z punktu widzenia podróży kosmicznych, nikt nigdy w tej kwestii nie przyjrzał się pasowi[potrzebne źródło]. Donald Kessler w serii swoich artykułów, zaczynając w późnym 1968 roku obliczył maksymalną gęstość pasa planetoid[10][11].

Diagram Gabbarda prawie 300 elementów pochodzących z dezintegracji dopalacza z trzeciego stopnia chińskiej rakiety Long March 4 po okresie 5 miesięcy – 11 marca 2000.

Te prace doprowadziły w 1971 do prac o dynamice pasa i jego ewolucji w czasie. Punkt wyjściowy w obserwacjach Kesslera to fakt, że obiekty te powinny przecież prędzej, czy później zostać wciągnięte przez grawitację większych obiektów Układu, zwłaszcza Jowisza. Kiedy dochodziło do takiego zderzenia, garści materiału pozostałyby na ścieżkach orbitalnych, podobnych do orbit sprzed uderzenia. Skoro te nowe orbity nachodziły na siebie, obiekty byłyby podatne na częstsze kolizje pomiędzy sobą a skoro byłoby ich więcej, kolejne zderzenia rosłyby wykładniczo. Ten Syndrom Kesslera wzmagałby się, tworząc coraz mniejsze i mniejsze obiekty. Znając wielkości niektórych asteroidów, Kessler był w stanie udowodnić, że skala tego procesu liczona jest w miliardach lat. Głównym wynikiem jego badań było udowodnienie, że przejście przez pas planetoid nie jest szczególnie niebezpieczne. Sondy Voyager i Pioneer przeszły bezpiecznie przez pas zaledwie kilka lat później.

NORAD, Gabbard i Kessler[edytuj | edytuj kod]

NORAD utrzymywał bazę danych wszystkich znanych startów rakiet i obiektów, które poleciały tam z nimi; nie tylko samych satelitów, ale ich osłon aerodynamicznych, zużytych rakiet wielostopniowych itp., który znany jest dziś pod nazwą Katalogu Obiektów Kosmicznych i prowadzony był od czasów wystrzelenia Sputnika w 1957, NASA później zaczęła wydawać tę bazę danych w powszechnym dziś dwuliniowym zestawie danych[12].

Sensory, które pracowały dla bazy, zdawały się zbierać dane o wielu innych obiektach, z których wiele pochodziło z eksplozji na orbicie[13]. Niektóre z nich spowodowano umyślnie, jako część testów technologii przeciwko satelitom w 1960, podczas gdy inne były efektem "rozerwania" dopalaczy rakiet, pozostawionych na orbicie, kiedy to resztki paliwa w zbiornikach, parując, rozszerzały się i w efekcie napierały na ścianki. Obiekty te jednak były monitorowane przypadkowo, pracownik NORAD-u, John Gabbard, wziął na siebie stworzenie osobnego katalogu, w którym zaklasyfikuje jak najwięcej tych obiektów. Badając wyniki tych eksplozji, Gabbard wytworzył nową technikę przewidywania orbit ich pozostałości. Diagramy Gabbarda są dzisiaj często stosowane, do ulepszania modelowania orbitalnej degradacji.

Kamery Baker-Nunn były używane do studiowania problemu śmieci.

Kiedy baza danych NORAD-u została po raz pierwszy upubliczniona w 1970, Kessler zaaplikował metodę użytą do badania pasa asteroid do przebadania katalogu. W 1978 Kessler i Burton Cour-Palais napisali wspólnie Częstość kolizji sztucznych satelitów: o utworzeniu się pierścienia, w której wykazywali, że taki sam proces sterujący ewolucją pasa asteroidów, wywoła podobne zjawisko na niskiej okołoziemskiej orbicie, ale w o wiele krótszej skali czasu, bo zaledwie dekad. Pod koniec publikacji stwierdzono, że w okolicach 2000 roku materiał pochodzący z tego typu zderzeń będzie stanowił zagrożenie większe od materiału występującego tam naturalnie[14].

W tamtym czasie wydawało się jednak, że nie ma powodów do zamartwiania się i zakładano, że górne warstwy atmosfery będą palić materiał w tempie szybszym, niż będzie on tam dostarczany. Aczkolwiek Gabbard zdawał sobie sprawę, że katalog NORAD-u jest niekompletny. Wkrótce po publikacji Kesslera, w trakcie wywiadu na te tematy Gabbard, użył terminu Syndrom Kesslera, na określenie sytuacji, w której materiał na orbicie zaczyna być zauważalną sprawą. Dziennikarz przytoczył go słowo w słowo[14], i kiedy artykuł podchwycono w artykule w Popular Science w 1982[15], termin wszedł do powszechnego użycia. Artykuł został wyróżniony nagrodą prasową[14].

Dalsze studia[edytuj | edytuj kod]

Brak dobrych zestawów danych zmusił naukowców do skupienia się nad zbadaniem niskiej orbity okołoziemskiej. W październiku 1979 NASA zapewniła Kesslerowi dalsze środki na badania. W trakcie badań zanalizowano kilka podejść do problemu. Korzystano z teleskopów optycznych, radarów krótkofalowych. Same pomiary optyczne pokazywały, że szacunki są o połowę zaniżone[16]. Wcześniej zakładano, że katalog NORAD-u jest w miarę kompletny, a już na pewno zawiera wszystkie większe obiekty. Te obserwacje pokazały, że katalog NORAD-u niektóre obiekty omijał świadomie (zazwyczaj instalacje wojskowe), niełatwo wyłapywał obiekty o średnicy poniżej 10 cm, a wielu innych po prostu nie uważał za istotne.

Inne badania z kolei używały mikroskopów do badania powierzchni statków w poszukiwaniu do tej pory niezauważonych zniszczeń. Sekcje Skylabu i modułu serwisowego Apollo używane w latach 60. i 70. były mocno doświadczone przez śmieci. Ku zdziwieniu wszystkich, nasilenie bombardowania było silniejsze, niż się wszystkim zdawało i już wtedy było głównym źródłem kolizji w kosmosie. Badania wzbogacono o wyniki z analizy Solar Max-u, LDEF-u, wielu lotów wahadłowców kosmicznych i podobnych badań, które trwają do dziś.

Znane ścieżki orbitalne Fengyun-1C w miesiąc po zestrzeleniu przez chińską broń ASAT.

Jedno, szczególnie ciekawe odkrycie, wykazało, że 42% całego skatalogowanego wysypiska stanowiły pozostałości 19 wydarzeń, wybuchów rakiet, w szczególności amerykańskiej rakiety Delty[17]. Kessler posłużył się tu technikami Gabbarda, i zaprzeczył panującemu przekonaniu, że śmieci były pozostałościami po jakieś nieznanej eksplozji ASAT[18]. Delta była wynikiem działania amerykańskiego programu kosmicznego i jeszcze kilka jej pozostałych elementów oczekiwało swojego losu.

Nowy Syndrom Kesslera[edytuj | edytuj kod]

W tym samym czasie siły powietrzne USA przeprowadziły eksperyment, aby ustalić co będzie wynikiem zderzenia śmiecia z satelitą, albo z innym śmieciem. Eksperyment wykazał, że nie ma to nic wspólnego z uderzeniem z mikrometeorytem, i że wiele śmieci może stanowić zagrożenie. Prowadzić też może do fatalnej ewentualności; gęstość śmieci zamiast ilością przedmiotów wystrzelonych na orbitę, jest tą liczbą plus ilością śmiecia powstałego w wyniku kolizji śmieci pomiędzy sobą. Jeśli nowy śmieć nie spalił się w atmosferze, zanim uderzył w następny śmieć, liczba śmieci będzie stale wzrastać, nawet po wstrzymaniu lotów.

W 1991 Kessler opublikował nową pracę, opierając się na wszystkich zebranych danych. W Kaskadowe kolizje: limit przyrostu populacji na niskiej orbicie okołoziemskiej przypominał o wynikach doświadczeń amerykańskich sił powietrznych. Chociaż znaczna większość śmiecia była stosunkowo mała, jak listki farby, większość "masy" przypadała na mniejszą liczbę cięższych obiektów, kilogramowych lub cięższych. Tyle wystarczy już do poważnego uszkodzenia statku[19]. W jednej z prac Narodowej Akademii Nauk czytamy:

Kilogramowy obiekt uderzający z prędkością 10 km/s, dla przykładu ma prawdopodobnie możliwość rozbicia tonowego statku, jeśli uderzy w element konstrukcyjny. W wyniku takiego zderzenia powstanie wiele kilogramowych odpadków[20].

Wnioski Kesslera dzielą problem na 3 kategorie. Z odpowiednio niską gęstością śmiecia, dochodzi mniej nowych śmieci niż te, które spadły do atmosfery, problemu nie ma. Poza pewną krytyczną gęstością każdy kolejny śmieć przyspiesza powiększanie się układu. Po przekroczeniu pewnej, dużej już gęstości, produkcja śmiecia jest szybsza niż tempo ich spalania w atmosferze, prowadząc do reakcji łańcuchowej, która poszatkuje wszystkie śmieci w drobny i mniej drobny pył, czyniąc każdy lot w kosmos niebezpiecznym[19]. Jest to nowe znaczenie Syndromu Kesslera[14].

W historycznym podsumowaniu w 2009 sam Kessler napisał:

Agresywne wykorzystanie przestrzeni kosmicznej bez odpowiednich zabezpieczeń może znacznie skrócić czas, w jakim dochodzi do kolizji śmieci. Jednymi z najniebezpieczniejszych dla środowiska działalności w kosmosie należą wielkie instalacje gwiezdnych wojen w latach 80., wielkie stacje paneli słonecznych, projektowane w latach 70. oraz systemy antysatelitarne wykorzystane w ciągu ostatnich 30 lat przez USA, ZSRR i Chiny. Mogą one doprowadzić do sytuacji, w której jeden satelita wywoła lawinową reakcję[14].

Wzrost ilości śmieci[edytuj | edytuj kod]

Opierając się na przeprowadzonych badaniach, na początku lat 80. NASA i inne amerykańskie organizacje postanowiły ograniczyć ilość śmieci. Jedno szczególnie efektywne rozwiązanie należało do firmy McDonnell Douglas w dopalaczu rakiety Delta, który pozbywał się nadmiaru paliwa po skończonej pracy, co zapobiegało rozerwaniu pojemnika[21]. Inne kraje nie były skore do zainteresowania się problemem, a w latach 80. ZSRR wystrzelił wiele rakiet[22].

NASA i NORAD przeprowadziły nowe badania celem dokładniejszego zbadania środowiska wysypiska. Każde kolejne pomiary powiększały katalog zarejestrowanych śmieci. W 1981 w artykule Scheftera ich liczbę szacowano na 5 tysięcy obiektów[13], ale nowe zestawy sensorów w Naziemnej Elektro-Optycznej Stacji Nasłuchowej znalazły wiele nowych. Pod koniec lat 90. podejrzewano, że większość z 28 tys. wystrzelonych obiektów zdegradowało i tylko 8500 pozostaje na orbicie[23]. W 2005 liczbę obiektów szacowano na 13 tysięcy[24], a w 2006 wzrosła do 19 tysięcy[25].

Wzrost populacji śmieci doprowadził do dyskusji wewnątrz społeczności o naturze problemu i o wcześniejszych ostrzeżeniach. Zgodnie z wynikami prac Kesslera z 1991, poprawionymi w 2001[26], niska orbita okołoziemska na wysokości do 1000 km powinna znajdować się wewnątrz regionu kaskadującego. Zdarzył się tylko 1 poważniejszy incydent: zderzenie pomiędzy Iridiumem 33 oraz Kosmosem 2251. Brak łatwych do zaobserwowania efektów kaskadowych prowadził niektórych do przekonania o błędnym założeniu teorii[27]. Inni podkreślali, że zaobserwowanie efektów procesu może być trudne w jego początkowym stadium i być może uda się tego dokonać w przyszłości.

Model NASA z 2006 pokazywał, że obecna populacja śmiecia będzie tam co najmniej do roku 2055[28][29]. Narodowa Akademia Nauk, podsumowując wyniki prac naukowców, stwierdziła, że dwie warstwy niskiej orbity okołoziemskiej, na wysokościach od 900 do 1000 km oraz poza 1500 km, przekroczyły już wartość krytyczną[30].

Charakterystyka[edytuj | edytuj kod]

Duże i małe[edytuj | edytuj kod]

Naukowcy dzielą kosmiczne śmieci na "duże" i "małe". Podział ten nie wynika z wielkości odpadów, ale z możliwości ich śledzenia. Za "duże" przyjmuje się śmieci o rozmiarach (średnicy) 10 cm i większe i o masie rzędu 1 kg. Logicznym byłoby, gdyby "małymi" odpadkami nazywano wszystko, co jest miejsze od "dużych", ale według naukowców "małymi" odpadkami są śmieci o średnicy 1 cm lub mniejszej. Teoretycznie śmieci większe od 1 cm powinny byłyby zostać uznane za "duże", ale praktycznie pozostają niezaklasyfikowane, ponieważ naukowcy nie mają wystarczająco precyzyjnych urządzeń, by je śledzić[31].

Liczbowo, znaczna większość śmieci ma 1 cm lub mniej. Dane NASA z 2009 szacują liczbę "dużych" śmieci na 19000; te 500000 mniejszych w przedziale od 1 do 10 cm oraz miliony "małych" śmieci[32]. W kategoriach masy, znaczna jej większość przypada na kilka dużych obiektów, i tak zgodnie z danymi z 2000 około 1500 obiektów ważących po 100 kg każdy już stanowi ponad 98% z 1900 ton śmieci[33].

Skoro śmieci zostały wykonane ręką człowieka, całkowita możliwa masa śmieci jest łatwa do obliczenia: to łączna masa wszystkich obiektów wystrzelonych na orbitę. Aktualna masa śmieci jest jednak niższa, jako że wiele z tych obiektów zdegradowało. Jako że w masie śmiecia dominują cięższe obiekty, znane już od dłuższego czasu, masa całkowita pozostaje względnie stała. Szacuje się ją na około 5500 ton[34].

Śmieci na niskiej orbicie okołoziemskiej[edytuj | edytuj kod]

Każdy satelita, sonda czy misja załogowa może wytworzyć śmieci. Każde zderzenie pomiędzy obiektami o podobnej masie może wytworzyć dużą liczbę "wiór". Każdy kolejny element sam w sobie może stanowić zagrożenie i potencjalnie tworzyć więcej śmiecia. Przy odpowiednio dużej kolizji (np. pomiędzy stacją orbitalną a niedziałającym satelitą), ilość śmiecia uczyniłaby niską orbitę okołoziemską niestabilną[14].

Na najpowszechniej używanych niskich orbitach okołoziemskich dla misji załogowych, 400 km i poniżej, przyciąganie powietrza ściąga śmieci. Kolizje, do których dochodzi na tych wysokościach, są odrobinę mniejszym problemem, ponieważ odpadki z takiej kolizji pozostają na orbicie o podobnej wysokości. Ta wartość sama w sobie ulega zmianom na skutek pogody, która powoduje rozprężanie się i kurczenie górnych warstw atmosfery. Powiększenie się atmosfery skutkuje większym przyciąganiem śmiecia i przyspieszeniem degradacji. Takie zjawisko było jedną z przyczyn, stosunkowo niskiej ilości przyrostu śmiecia w latach 90[16]. Drugim powodem jest redukcja lotów przez Rosję, na którą to przypadała znaczna większość lotów w latach 70. i 80[35].

Śmieci na wyższych orbitach[edytuj | edytuj kod]

Na wyższych orbitach, gdzie wpływ atmosfery jest dużo mniej znaczący, degradacja orbity trwa dłużej. Wpływ Księżyca i ciśnienie wiatru słonecznego może stopniowo pchać śmieci na niższe orbity, ale na bardzo wysokich orbitach może to trwać tysiące lat[36]. Tak więc skoro te orbity są znacznie rzadziej używane, niż niska orbita okołoziemska, i w rezultacie problem narasta wolniej, całkowita masa znajdujących się tam śmieci jednak wzrasta.

Problem jest szczególny poważny na wartościowych orbitach geostacjonarnych, gdzie satelity są pogrupowane nad swoimi podstawowymi "celami" i dzielą ze sobą ścieżkę orbitalną. Perturbacje orbitalne są tutaj znaczące. Aktywnymi satelitami steruje się z Ziemi, ale w przypadku utraty łączności, stają się źródłem potencjalnej kolizji (jak w przypadku Telstar 401). Pozytywną cechą są stosunkowo niskie prędkości na orbicie geostacjonarnej, w porównaniu z tymi na niskiej okołoziemskiej orbicie. Szczytowe prędkości uderzeń dochodzą do 100 m/s[37]. Oznacza to, że pole odpadków z takiej kolizji stanowi mniejsze zagrożenie niż na niskiej orbicie okołoziemskiej, przynajmniej nie krótkoterminowo. Niemniej jednak takie uderzenie poważnie uszkodziłoby satelitę.

Vanguard 1 pozostaje na orbicie 50 lat po starcie. Łączność utracono w 1964, ale pozostanie tam jeszcze przez 240 lat.

ITU nałożyła restrykcyjne wymagania na naziemnych operatorów nowych satelitów i domaga się od właściciela gwarancji, że będą potrafili bezpiecznie ściągnąć satelitę z jego orbity po skończonej służbie. Badania wykazały jednak, że gwarancje same w sobie nie są wystarczającą rękojmią, żeby w kosmosie nie dochodziło do kolizji[38]. Dodatkowo orbita geostacjonarna jest zbyt daleko, aby przeprowadzić dokładne pomiary obiektów poniżej 1 m, realne rozmiary problemu nie są znane[39].

Pomimo wszystkich tych starań celem uniknięcia kolizji, takie wypadki zdarzyły się. 24 lipca 1996, Cerise, francuski mikrosatelita na niskiej orbicie okołoziemskiej, został trafiony przez fragment dopalacza Ariane 1 H-10 drugiego stopnia, który eksplodował w listopadzie 1986[18]. 29 marca 2006, rosyjski satelita komunikacyjny Express-AM11 został uderzony przez nieznany obiekt i został uszkodzony. Szczęśliwie, inżynierowie mieli chwilę czasu na kontakt z satelitą i wysłanie go na orbitę parkingową[40].

Źródła śmieci[edytuj | edytuj kod]

Nieczynne satelity[edytuj | edytuj kod]

W 1958 USA wystrzeliły Vanguarda I na średnią okołoziemską orbitę, i pozostaje on do dzisiaj śmieciem o najdłuższym stażu na orbicie[41].

W katalogu zliczającym znane starty Union of Concerned Scientists wyliczyła 902 funkcjonujące satelity[42]. Wlicza się je do 19 000 "dużych" obiektów i około 30 000 łącznie wystrzelonych obiektów. Funkcjonujące satelity stanowią więc odsetek populacji śmiecia.

Jest jedna szczególna seria satelitów, która budzi przerażenie. Podczas zimnej wojny ZSRR wystrzelił kilkanaście satelitów do nasłuchu okrętów podwodnych, jako część programu RORSAT. Jako że radar musi być silny, żeby sensownie działać, satelity te były zaopatrzone w reaktor nuklearny BES-5, aby zapewnić odpowiednią ilość energii. Zazwyczaj wysyłano je na cmentarną orbitę o średniej wysokości, ale było kilka wpadek, które zaowocowały opadem radioaktywnym na Ziemię (zobacz Kosmos 954 i Kosmos 1402). Nawet te, które umieszczono na orbicie cmentarnej z sukcesem, stanowią źródło potencjalnego zagrożenia, z prawdopodobieństwem szacowanym na 8% uszkodzenia jednego z nich[43][44].

Utracony sprzęt[edytuj | edytuj kod]

Śmieci powstają też często w wyniku spacerów kosmicznych. Zgodnie z książką Edwarda Tufte Przewidywanie Informacji, wśród śmieci mogą znajdować się: rękawiczka zgubiona przez astronautę Eda White'a podczas pierwszego spaceru; kamera Michaela Collinsa zgubiona koło statku Gemini 10; worki ze śmieciami z radzieckiej stacji Mir wystrzeliwane przez 15 lat[41]; klucz francuski i szczoteczka do zębów. Sunita Williams z STS-116 także zgubiła kamerę.

Dopalacze[edytuj | edytuj kod]

Dopalacze silników pierwszego stopnia rakiety Saturn IB z czasów Apollo nie osiągały prędkości orbitalnych i nie dodawały się do całkowitej masy śmiecia[45]. Dopalacze drugiego stopnia zaczynają i kończą swoje życie na orbicie. Jednak nie tylko stopnie S-IVB dla rakiet Saturn IB powiększały śmietnik w kosmosie. Od lotu Apollo 8 do Apollo 12 zużyte stopnie S-IVB rakiet Saturn V po osiągnięciu II prędkości kosmicznej i odłączeniu pojazdów Apollo CSM i LM wchodziły na orbitę heliocentryczną, co mogło powodować dziwne zamieszania w obserwacjach poprzez najnowocześniejszy sprzęt. Przykładem jest przypadek odkrycia asteroidy J002E3 w 2002. Po dokładnej analizie stwierdzono, że J002E3 to stopień S-IVB użyty w misji Apollo 12. Dopalacze pozostają poważnym problemem wśród śmiecia i jeden z poważniejszych przypadków związany jest z Ariane[18].

Już podczas wczesnych prac nad badaniem tego problemu stało się oczywiste, że duża część śmiecia pochodzi z rozrywających się dopalaczy. NASA jako jedyna wprowadziła jakieś sposoby walki z tym problemem, inne kraje długo go lekceważyły. 11 marca 2000, chińska Long March 4 CBERS-1/SACI-1 eksplodowała na orbicie, tworząc chmurę śmiecia[46][47].

Wydarzenie podobnej skali wydarzyło się 19 lutego 2007, kiedy dopalacz rosyjskiej rakiety Briz-M eksplodował nad Australią. Wystrzelono go 28 lutego 2006, i przenosił on na pokładzie satelitę komunikacyjnego Arabsat-4A, ale doznał uszkodzenia, zanim mógł wykorzystać całe swoje paliwo. Eksplozję nagrało kilku astronautów[48][49]. Podobny incydent zdarzył się jeszcze 14 lutego 2007, jak w wynika z zapisów Celes Trak[50]. 8 takich eksplozji wydarzyło się w 2006, najwięcej od 1993[51].

Broń pozostawiona na śmietnisku[edytuj | edytuj kod]

Jednym ze źródeł śmieci są pozostałości po programie ASAT prowadzonym podczas wyścigu zbrojeń. NORAD zbierał w katalogu tylko dane z obserwacji nad sowieckim sprzętem, znacznie później dopisano do niego dane z amerykańskich źródeł wojskowych[52]. W czasie kiedy zrozumiano naturę problemu, testy ASAT już dawno zakończono. Jedyny amerykański aktywny projekt, Program 437 zamknięto w 1975[53].

USA rozpoczęły jednak ponownie prace nad ASAT przy okazji Vought ASM-135 ASAT. Test wykonany w 1985 zniszczył 1-tonowego satelitę orbitującego na wysokości 525 km, tworząc mnóstwo "małego" śmiecia. Ponieważ odbyło się to na niskiej orbicie, atmosfera wyczyściła te śmieci w ciągu dekady[54].

Chiny ucierpiały z powodu szerokiego zanieczyszczenia śmieciem po teście z bronią ASAT[55]. To incydent, który jest znany z tego, iż spowodował największe ilościowe powiększenie ilości śmiecia, około 2300 kawałków łatwego do wykrycia śmiecia (wielkości piłki golfowej), ponad 35000 kawałków 1-centymetrowych lub większych, i około miliona 1-milimetrowych lub większych. Najgorsze w tym wszystkim jest to, że do incydentu doszło we względnie wykorzystywanym kawałku nieba, pomiędzy 850 a 882 kilometrem[56].

20 lutego 2008, Amerykanie byli zmuszeni wystrzelić SM-3 z krążownika typu Ticonderoga USS "Lake Erie" (CG 70) w celu zniszczenia wadliwego satelity szpiegowskiego NROL-21, przenoszącego w zbiorniku 500 kg toksycznej hydrazyny. Wydarzenie miało swój finał na 250 kilometrze[57]. Celowano tak, aby ograniczyć liczbę powstałego śmiecia, i większość z niego spadła z początkiem 2008[58].

Aspekty operacyjne[edytuj | edytuj kod]

Zagrożenie dla pojazdów bezzałogowych[edytuj | edytuj kod]

Śmieci o małej masie mają wpływ na żywotność kosmicznych misji, jeśli pojazd jest napędzany przez ogniwo słoneczne. Ponieważ nie mogą być pokryte metalową powłoką, będą bezpośrednio wystawione na działanie śmiecia. Uderzone, raczej nie produkują nowych śmieci, raczej chmury gazowych cząsteczek, które same w sobie nie stanowią zagrożenia dla statków. Mają one jednak właściwości plazmy w momencie powstawania i stanowią dalsze zagrożenie dla paneli słonecznych[59].

Zniszczenia paneli słonecznych stacji kosmicznej MIR. Zniszczenia widoczne na panelu po prawej stronie, który jest zwrócony w kierunku obiektywu są efektem działania śmieci. Wyraźniejsze zniszczenia panelu dolnego powstały podczas zderzenia z statkiem Progress.

Efekty wielu uderzeń śmieci były szczególnie widoczne na stacji kosmicznej Mir, z wieloma rozgałęzionymi panelami słonecznymi[60][61].

Pierwsza poważniejsza kolizja z 10 lutego 2009 o 16:56 UTC. Nieaktywny 960 kilogramowy Kosmos 2251 oraz funkcjonujący 560 kg Iridium 33 zderzyły się ze sobą 250 km ponad północną Syberią[62]. Względną prędkość uderzenia wynosiła 11,7 km/s[63]. Oba satelity uległy uszkodzeniu i wytworzyły sporą chmurę śmiecia[64].

Zagrożenie dla misji załogowych[edytuj | edytuj kod]

Listek farby pozostawił te zniszczenia na powłoce wahadłowca Challenger podczas STS-7.

Od pierwszych dni wahadłowych misji, NASA zwracała się do NORAD-u o kontrolowanie przestrzeni przed wahadłowcem, aby móc odnajdywać i unikać większych kawałków śmiecia. Był moment, w którym ta praca zużywała większość środków NORAD-u[21]. Pierwszy oficjalny manewr uniknięcia odpadku odbył się podczas STS-48 we wrześniu 1991[65]. Podobne manewry przeprowadzono podczas misji 53, 72 i 82[65].

Jednym z pierwszych wydarzeń, które nagłośniło problem śmiecia, było spotkanie Challengera podczas STS-7. Listek farby przebił się przez okno i wybił otwór o średnicy 1 mm. Endeavour doznał podobnego uszkodzenia podczas STS-59 w 1994, ale ten się skutecznie nie przebił. Badania kadłubów po dokonanych lotach wykazały wzrost częstotliwości uderzeń po 1998 roku[66].

Najmniejsze śmieci zaczęły być powoli zagrożeniem samym w sobie. Zniszczenia okien, uszkodzenia TPS-u. Aby minimalizować ryzyko uszkodzeń, kiedy wahadłowiec osiągnie orbitę, umyślnie stawia się go ogonem w kierunku lotu, aby jak najwięcej śmiecia uderzyło w silniki i komory transportowe. Podczepiony pod ISS, statek jest umieszczany w takim miejscu, że stacja stanowi dla niego ochronę[67].

Powiększenie się masy całkowitej śmiecia doprowadziło NASA do zmiany podejścia, co do skali zagrożenia i jest ono dziś uważana za zagrożenie numer 1 dla działania wahadłowców[67][68].

Endeavour doznał poważnego uszkodzenia chłodnicy podczas STS-118. Otwór wejściowy ma mniej niż 2 cm, wyjściowy jest znacznie większy.

Pomimo najlepszych starań, w dekadzie 2000-10 również doszło do 2 poważnych incydentów. W 2006 wahadłowiec Atlantis został uderzony przez fragment płyty podczas STS-115, który to kawałek przedziurawił chłodnicę[69]. Podobny incydent zdarzył się podczas STS-118 w 2007, kiedy Endeavour został uderzony przez nieznany element, i również przebił się przez kadłub[70].

Zagrożenie dla Ziemi[edytuj | edytuj kod]

Chociaż najmniejsze ze śmieci spalą się w atmosferze, większe mogą z powodzeniem uderzyć w powierzchnię Ziemi.

Oryginalny plan wykorzystania Skylab-u przewidywał pozostanie stacji na orbicie nawet do 10 lat po zakończeniu misji w lutym 1974. Wysoka aktywność słoneczna zepchnęła jednak Skylab znacznie prędzej. 11 lipca 1979, wszedł on do ziemskiej atmosfery i uległ dezintegracji, rozsypując swoje szczątki na linii od południowego Oceanu Indyjskiego do rzadko zamieszkałych rejonów zachodniej Australii[71][72].

12 stycznia 2001, szczątki silnika Star-48 ze stopnia Payload Assist Module rakiety Delta II weszły w atmosferę[73]. Rozbiły się na rzadko zamieszkałych rejonach Arabii Saudyjskiej. Zidentyfikowano je jako fragmenty NAVSTAR 32, satelity GPS wystrzelonego w 1993.

Katastrofa promu Columbia w 2003 pokazała, jak wiele fragmentów może spaść w całości na Ziemię[74]. NASA nadal ostrzega przed zbliżaniem się do szczątek ich maszyn, ze względu na potencjalne zagrożenie chemiczne[75].

27 marca 2007 szczątki radzieckiego satelity szpiegowskiego spadły niebezpiecznie blisko samolotu, przelatującego z Santiago, do Auckland w Nowej Zelandii z 270 pasażerami na pokładzie[76]. Samolot leciał nad Pacyfikiem, który jest uznawany za najbezpieczniejsze miejsce do zrzucania satelitów.

Znany jest tylko jeden zarejestrowany przypadek osoby uderzonej kosmicznym śmieciem. W 1997 w Oklahomie Lottie Williams została uderzona w ramię przez 10 × 13 centymetrowy kawałek, należący do pozostałości po rakiecie Delta II, obyło się bez poważniejszych obrażeń[77].

LDEF to ważne źródło informacji na temat efektów działania śmieci.

Śledzenie i pomiary[edytuj | edytuj kod]

Śledzenie naziemne[edytuj | edytuj kod]

Radary i teleskopy oraz lidary są podstawowymi narzędziami w śledzeniu śmieci. Aczkolwiek ustalanie orbit jest problematyczne. Śledzenie obiektów o średnicy poniżej 10 cm jest trudne z powodu małego przekroju oraz niestabilności orbitalnej obiektów, chociaż można sobie poradzić ze śledzeniem obiektów o średnicy 1 centymetra[78][79]. NASA używa do tego celu teleskopu o 3-m ciekłym zwierciadle[80].

Strategiczne Dowództwo Stanów Zjednoczonych utrzymuje katalog 19000 obiektów sporządzony na podstawie wersji z 2009, głównie w celu możliwości znalezienia w tej gromadzie wrogiego pocisku. Dane do katalogu zbiera sieć radarów i teleskopów[81]. Znaczna większość śmieci pozostaje jednak dla nas niewidoczna.

Pomiary w kosmosie[edytuj | edytuj kod]

Odpadki, z którymi powrócono na Ziemię, również stanowią cenne źródło wiedzy o środowisku wysypiska. Satelita LDEF umieszczony na orbicie przez STS-41-C i odzyskany przez STS-32 spędził 68 miesięcy na orbicie. Bliskie przyjrzenie się jego powierzchni pozwoliło na analizę kierunkowej dystrybucji śmieci i ich przepływu. Satelita EURECA umieszczony na orbicie przez STS-46 i ściągnięty przez STS-57 również jest obiektem badań. Panele słoneczne teleskopu Hubbla powróciły w trakcie STS-61 oraz STS-109 i są ważnym źródłem wiedzy o wysypisku.

Przypisy

  1. Oswald, M., S. Stabroth, C. Wiedemann, P. Wegener and C. Martin: "Upgrade of the MASTER Model", Final Report of ESA Contract No. 18014/03/D/HK(SC), Braunschweig, 2006.
  2. A New Way to Track Debris in Orbit – Defense News
  3. NASA Orbital Debris FAQs
  4. Fred Whipple, "The Theory of Micro-Meteorites, Part I: In an Isothermal Atmosphere", Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 36 Number 12 (15 December 1950), s. 667-695
  5. Whipple, Fred. "The Theory of Micrometeorites." Popular Astronomy, Volume 57, 1949, p. 517.
  6. Whipple, Fred. "A Comet Model. II. Physical Relations for Comets and Meteors." Astrophysical Journal, Volume 113, 1951, s. 464–474.
  7. Brownlee, D. E. , D. A. Tomandl and E. Olszewski. "Interplanetary dust: A new source of extraterrestrial material for laboratory studies." Proceedings of the 8th Lunar Scientific Conference, s. 149–160.
  8. "Professor Fred Whipple: Astronomer who developed the idea that comets are 'dirty snowballs'." The Independent, 13 November 2004
  9. Whipple, Fred. "Of Comets and Meteors." Science, Volume 289, Number 5480, 4 August 2000, p. 728.
  10. Kessler, Donald. "Upper Limit on the Spatial Density of Asteroidal Debris." AIAA Journal, Volume 6 Number 12, December 1968, s. 2450.
  11. Kessler 1971
  12. Hoots, Felix, Paul Schumacher Jr. and Robert Glover. "History of Analytical Orbit Modeling in the U. S. Space Surveillance System." Journal of Guidance Control and Dynamics, Volume 27, Issue 2, s. 174–185.
  13. 13,0 13,1 Schefter 1982, s. 48.
  14. 14,0 14,1 14,2 14,3 14,4 14,5 Kessler 2009
  15. Schefter 1982
  16. 16,0 16,1 Kessler 1991, s. 65.
  17. Kessler 1981
  18. 18,0 18,1 18,2 Klinkrad, s. 2.
  19. 19,0 19,1 Kessler 1991.
  20. "Orbital Debris: A Technical Assessment" 1995, p. 4
  21. 21,0 21,1 Schefter 1982, p. 50.
  22. Patrz wykresy, Hoffman s. 7
  23. Patrz wykresy, Hoffman s. 4.
  24. W czasie pomiędzy pisaniem 1 rozdziału a prologu swoich Kosmiczne Śmieci Klinkrad podniósł liczbę do 13 tys..
  25. Hoffman, Michael. "It's getting crowded up there." Space News, 3 kwietnia 2009.
  26. Kessler 2001
  27. "Orbital Debris: A Technical Assessment" 1995
  28. Liou, J.-C., and N. L. Johnson: "Risks in Space from Orbiting Debris", Science, 20 stycznia 2006, Vol. 311. no. 5759, s. 340 – 341
  29. Lovgren, Stefan. "Space Junk Cleanup Needed, NASA Experts Warn." National Geographic News, 19 stycznia 2006.
  30. "Orbital Debris: A Technical Assessment" 1995, s. 7.
  31. Technical report on space debris, United Nations, New York, 1999.
  32. "Orbital Debris FAQ: How much orbital debris is currently in Earth orbit?" NASA, lipiec 2009.
  33. Carroll, Joseph. "Space Transport Development Using Orbital Debris." niac.usra.edu, 2 grudnia 2002, s. 3.
  34. McKie, Robin and Michael Day. "Warning of catastrophe from mass of 'space junk'." The Observer, 24 February 2008.
  35. Klinkrad, s. 7.
  36. Kessler 1991, s. 268.
  37. Hanada, T. "Developing a Low-Velocity Collision Model Based on the NASA Standard Breakup Model." Space Debris, Volume 2, Number 4, 2000, s. 233–247.
  38. Anselmo, L. and C. Pardini. "Collision Risk Mitigation in Geostationary Orbit." Space Debris, Volume 2, Number 2, June 2000, pp. 67–82.
  39. Orbital debris, s. 86.
  40. "Notification for Express-AM11 satellite users in connection with the spacecraft failure." Russian Satellite Communications Company, 19 kwietnia 2006.
  41. 41,0 41,1 Smith, Julian. "Space Junk." USA Weekend, 26 sierpnia 2007.
  42. "UCS Satellite Database." Union of Concerned Scientists, 16 July 2009.
  43. Wiedemann, C., Flegel, S., Gelhaus, J., Klinkrad, H., Vörsmann, P., Size distribution of NaK droplets for MASTER-2009, Proc. '5th European Conference on Space Debris', Darmstadt, Germany, 30 March -- 2 April 2009, (ESA SP-672, July 2009).
  44. A. Rossi et al., „Effects of the RORSAT NaK Drops on the Long Term Evolution of the Space Debris Population”, University of Pisa, 1997
  45. W niektórych przypadkach powracały na Ziemię nienaruszone, zobacz [1].
  46. Anz-Meador, Phillip and Mark Matney. "An assessment of the NASA explosion fragmentation model to 1 mm characteristic sizes." Advances in Space Research, Volume 34, Issue 5, 2004, pp. 987–992.
  47. "Debris from explosion of Chinese rocket detected by University of Chicago satellite instrument." University of Chicago press release, 10 August 2000.
  48. "Rocket Explosion." Spaceweather.com, 22 February 2007. Retrieved: 21 February 2007.
  49. Than, Ker. "Rocket Explodes Over Australia, Showers Space with Debris." Space.com, 21 February 2007. Retrieved: 21 February 2007.
  50. publisher=celestrak.com "Recent Debris Events." celestrak.com, 16 March 2007.
  51. "Spate of rocket breakups creates new space junk." NewScientist.com, 17 January 2007. Retrieved: 16 March 2007.
  52. Listy które przedstawiono Schefterowi wykazywały tylko radzieckie próby ASAT.
  53. Chun, Clayton. Shooting Down a Star: America's Thor Program 437, Nuclear ASAT, and Copycat Killers. Maxwell AFB Base, AL: Air University Press, 1999. ISBN 1-58566-071-X.
  54. Wright, David. "Debris in Brief: Space Debris from Anti-Satellite Weapons." Union of Concerned Scientists, December 2007.
  55. David, Leonard. "China's Anti-Satellite Test: Worrisome Debris Cloud Circles Earth." space.com, 2 February 2007.
  56. "Fengyun 1C – Orbit Data." Heavens Above.
  57. "Pentagon: Missile Scored Direct Hit on Satellite." npr.org, 21 February 2008.
  58. Wolf, Jim. "US satellite shootdown debris said gone from space." uk.reuters.com, 27 February 2008.
  59. Akahoshi, Y. et al. "Influence of space debris impact on solar array under power generation." International Journal of Impact Engineering, Volume 35, Issue 12, December 2008, pp. 1678–1682.
  60. Smirnov, V.M. et al. "Study of Micrometeoroid and Orbital Debris Effects on the Solar Panels Retrieved from the Space Station 'MIR'." Space Debris, Volume 2, Number 1, March, 2000, pp. 1–7.
  61. "Orbital Debris FAQ: How did the Mir space station fare during its 15-year stay in Earth orbit?" NASA, July 2009.
  62. Iannotta , Becky and Malik,Tariq, "U.S. Satellite Destroyed in Space Collision , space.com, 11 February 2009
  63. Marks, Paul. "Satellite collision 'more powerful than China's ASAT test." New Scientist, 13 February 2009. Note: The collision speed was 42,120 kilometres per hour (11.7 km/s).
  64. Iannotta, Becky. "U.S. Satellite Destroyed in Space Collision." Space.com, 11 February 2009. Retrieved: 11 February 2009.
  65. 65,0 65,1 Matson, Rob. "Satellite Encounters." Visual Satellite Observer's Home Page.
  66. Christiansen, E. L., J. L. Hydeb and R. P. Bernhard. "Space Shuttle debris and meteoroid impacts." Advances in Space Research, Volume 34, Issue 5, 2004, pp. 1097–1103.
  67. 67,0 67,1 Kelly, John. "Debris is Shuttle's Biggest Threat." space.com, 5 March 2005.
  68. "Debris Danger." Aviation Week & Space Technology, Volume 169, Number 10, 15 September 2008, p. 18.
  69. "Investigation of Shuttle Radiator Micro-Meteoroid & Orbital Debris Damage."
  70. D. Lear et al., "STS-118 Radiator Impact Damage", NASA
  71. "NASA – Part I – The History of Skylab." NASA's Marshall Space Flight Center and Kennedy Space Center, 16 March 2009.
  72. "NASA – John F. Kennedy Space Center Story." NASA Kennedy Space Center, 16 March 2009.
  73. "PAM-D Debris Falls in Saudi Arabia," The Orbital Debris Quarterly News, Volume 6, Issue 2.
  74. "Debris Photos." NASA.
  75. "Debris Warning." NASA.
  76. Gibson, Jano. "Jet's flaming space junk scare." The Sydney Morning Herald, 28 March 2007.
  77. "Today in Science History." todayinsci.com. Retrieved: 8 March 2006.
  78. Mehrholz, D. et al. "Detecting, Tracking and Imaging Space Debris", esa bulletin 109, February 2002
  79. Greene, Ben. "Laser Tracking of Space Debris.", Electro Optic Systems Pty
  80. "Orbital debris: Optical Measurements", NASA Orbital Debris Program Office
  81. Stokes, Grant H., Curt von Braun, Ramaswamy Sridharan, David Harrison, and Jayant Sharma. "The Space-Based Visible Program." MIT Lincoln Laboratory. Retrieved: 8 March 2006.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Literatura uzupełniająca[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]