Kosmiczne śmieci i jak się przed nimi chronić

Jest w Polsce miejsce, które bierze udział w prestiżowych, najwyższej klasy unijnych oraz międzynarodowych projektach. W tym związanych z oczyszczaniem orbity okołoziemskiej z zanieczyszczeń, jakimi są kosmiczne śmieci. Znajduje się na poznańskim Grunwaldzie przy ulicy Słonecznej – to Instytut Obserwatorium Astronomiczne Wydziału Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (UAM), nazywane po prostu poznańskim obserwatorium astronomicznym. W dzisiejszym wpisie będzie więc o odpadkach po sztucznych satelitach, które krążą wokół Ziemi i nam zagrażają, jak również o możliwościach pozbywania się ich i o udziale polskich naukowców w działaniach prowadzonych w tym kierunku.

Czym są kosmiczne śmieci? Skąd pochodzą, ile ich jest i jakie stanowią zagrożenie?

Kosmiczne śmieci są sztucznymi obiektami krążącymi wokół Ziemi, nie będącymi już w użyciu ani też nie podlegającymi kontroli człowieka. Z reguły są to pozostałości po nieużywanych satelitach, które się zepsuły, wygasły, po prostu przestały działać, a także po członach rakiet. Problemem są także odłamki pochodzące z obiektów po zderzeniach lub eksplozjach. Kolizje tego rodzaju zdarzają się coraz częściej, gdyż więcej jest krążących na orbicie okołoziemskiej śmieci. Co gorsza, nie zawsze są zdarzeniem losu – Chińczycy i Hindusi celowo niszczyli swoje obiekty, generując tysiące nowych, ale mniejszych fragmentów. Składające się z metali czy farby, mogą mieć nawet poniżej jednego centymetra średnicy.

Z kolei największe odpadki kosmiczne miewają nawet kilkanaście metrów. Obecnie coraz powszechniejsze są małe satelity, dlatego niedużych śmieci kosmicznych przybywa szybciej. Wiele z nich będzie latać wokół globu przez dziesiątki i setki lat, jeśli nic z nimi nie zrobimy. Te starsze, pochodzące na przykład z okresu Zimnej Wojny, krążą nad naszymi głowami już od dekad.

Do jakich celów służą satelity, zanim przestaną działać i staną się śmieciami? Najbardziej oczywiste, jak również podstawowe i pierwsze, było zastosowanie wojskowe. Związek Radziecki, Stany Zjednoczone a później Chiny, Wielka Brytania czy Francja chciały wykorzystać nowe technologie aby móc namierzać wrogie jednostki wojskowe czy identyfikować miejsca budowy i funkcjonowania fabryk broni jądrowej. Do dziś jest to zresztą jedną z potrzeb, do których realizacji używane są satelity.

Cały szereg kolejnych zastosowań służy natomiast do celów gospodarczych i naukowych. Do prognozowania pogody przez meteorologów, badania klimatu przez klimatologów i kosmosu przez astronomów, do sprawdzania miejsc występowania pożarów i weryfikowania ich rozmiarów, diagnozowania suszy i jej obszarów, czy świadczenia usług telekomunikacyjnych takich, jak radio, telewizja i Internet. Obrazy satelitarne mogą też pomóc w wykrywaniu innych niepożądanych działań, czego przykład poznała rok temu cała Polska, gdy ujawniono zmienianie terenów w Stobnicy pod budowę zamku. Zdjęcia satelitarne zyskały też w naszym kraju szerszą publikę podczas tegorocznych, wielkoobszarowych zakwitów sinic w Bałtyku (tutaj).

Jak wszystko, liczba satelitów i kosmicznych śmieci, wygląda w liczbach? Od 1957 roku (kiedy wystrzelono radzieckiego Sputnika) do roku 2018 umieszczono na orbicie ponad 8,5 tysiąca satelitów. W roku 2017, według amerykańskiego katalogu satelitów, liczono oraz szacowano, że łącznie orbita okołoziemska gościła ponad 18 tysięcy obiektów (nie wliczając w to najmniejszych, z którymi liczba ta rośnie w setki tysięcy). Wśród nich jedynie około 1700 stanowiło użyteczne satelity, będące wciąż na służbie. Resztę można uznać za śmieci kosmiczne. Krążących odpadków będzie przybywać, ze względu na wystrzeliwanie coraz większej ich liczby przez kolejne kraje i firmy. Co więcej, częstsze kolizje prowadzące do fragmentacji na więcej elementów przyspieszą bicie rekordów w tym zakresie.

Zależnie od rozmiarów czy prędkości z jaką poruszają się, śmieci kosmiczne stanowić będą różne zagrożenie. Na przykład najmniejsze odłamki da się odeprzeć specjalnymi osłonami-tarczami, w jakie wyposażona jest Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (International Space Station, czyli ISS). Większe śmieci kosmiczne muszą być omijane za pomocą specjalnych manewrów, co, jak nie trudno się domyślić, generuje duże koszty i wymaga częstszego uzupełniania paliwa. Tymczasem załadowanie go z Ziemi do ISS to nie jest taka prosta i tania sprawa, jak tankowanie samochodu na stacji benzynowej. Zbędne śmieci na orbicie zagrażają, rzecz jasna, także czynnym bezzałogowym satelitom. Spadając z kolei na Ziemię, o ile nie spalą się w atmosferze, mogą stanowić niebezpieczeństwo u nas, na dole. Stały wzrost liczby obiektów krążących wokół globu nasili wszystkie te problemy.

Usuwanie kosmicznych śmieci i obronność kosmiczna

Ze względu na coraz większe zagrożenie, wiszące nad nami niczym miecz Damoklesa na coraz cieńszej i słabszej nici, naukowcy opracowują projekty, programy i technologie, mające służyć niszczeniu kosmicznych śmieci tak, aby przestały stanowić niebezpieczeństwo kolizyjne. W grę wchodzą przede wszystkim metody takie, jak możliwość niszczenia odpadków, strącania ich na Ziemię lub wyrzucania w przestrzeń kosmiczną. Od strony administracyjno-organizacyjnej zajmują się tym m.in. Unia Europejska (przez Komisję Europejską), Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) oraz NASA. W działania te zaangażowane są także polskie jednostki naukowe, firmy i polscy naukowcy, a wśród nich Instytut Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, w ramach projektów CLEANSPACE czy Space Situational Awareness.

Projekt CLEANSPACE już się skończył – trwał do roku 2014 – a na celu miał opracowanie technik laserowych mogących służyć do usuwania kosmicznych śmieci wielkości od 1 do 10 cm średnicy. Naukowcy z Francji i Niemiec przygotowywali aparaturę, Hiszpanie oraz Polacy z Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu pracowali nad systemem optycznym do laserów, natomiast poznańscy badacze z Obserwatorium Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu odpowiadali za matematyczne obliczenia, których poprawność miałaby zapewnić dokładność celowania w kosmiczny odłamek z dokładnością do połowy metra. Niestety na dzień dzisiejszy realizacja tej technologii na praktyczną skalę jest za droga – jedno odpowiednie urządzenie kosztowałoby około miliard euro, a trzeba by zainstalować ich kilka w różnych miejscach na Ziemi. Prawdopodobnie dopiero po jakimś spektakularnym wypadku z udziałem kosmicznych śmieci Komisja Europejska zdecydowałaby się wydać taką sumę na system oczyszczania orbity okołoziemskiej.

Uszkodzenie po zderzeniu z blaszką farby. Za: NASA

Obecnie realizowany jest inny program – Space Situational Awareness (SSA) – którego część dotycząca śmieci kosmicznych uzyskała prawną legitymację w roku 2014, gdy Parlament Europejski, jak również Rada UE zagłosowały za jego ustanowieniem. Była to w istocie ważna decyzja, na poważnie zakorzeniająca Unię Europejską w kolejnych elementach nauki kosmicznej i przemysłu kosmicznego. Dotychczas najczęściej słyszało się lub czytało o dokonaniach NASA bądź firm Elona Muska (SpaceX), ale to się powoli zmienia – UE (a więc i my) i Europejska Agencja Kosmiczna (wbrew skojarzeniu nie będąca agencją UE, stąd odrębność, ale współdziałająca z Komisją Europejską w ramach różnych projektów) są na tym polu coraz bardziej zauważalne w skali międzynarodowej. Widać też wyraźnie, że UE i kraje członkowskie starają się uniezależniać w zakresie bezpieczeństwa kosmicznego od Amerykanów.

Space Situational Awareness obejmuje trzy główne, wyznaczone zadania. Jednym jest badanie pogody kosmicznej (np. wiatru kosmicznego, zdarzeń słonecznych mogących wpływać na Ziemię oraz ziemskie urządzenia kosmiczne), drugim wyszukiwanie i monitorowanie naturalnych ciał mogących uderzyć w Ziemię (np. planetoidy), celem trzeciego natomiast jest zajmowanie się śmieciami kosmicznymi oraz sztucznymi satelitami (czynnymi i funkcjonalnymi urządzeniami). Polska, jako członek konsorcjum UE od tych działań (w ramach SST i Horizon 2020), oraz polscy naukowcy współpracujący z Europejską Agencją Kosmiczną, pełni ważną, a w niektórych kwestiach niemal wiodącą rolę. Na tym tle wyróżnia się poznańskie obserwatorium astronomiczne Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, działając szczególnie – ale nie tylko – w ramach trzeciego celu SSA.

Trzeci element SSA, odnoszący się do sztucznych satelitów i śmieci kosmicznych, to Space Surveillance and Tracking (SST). Ma on prowadzić w przyszłości do tego, by UE ogólnie, jak i poszczególne kraje członkowskie, miały dostęp do kosmicznej infrastruktury i jej dobrodziejstw, by uczestniczyły w przemyśle kosmicznym, a także do współtworzenia niezależnego systemu bezpieczeństwa Europy. W praktyce metody i techniki wypracowane dzięki SST posłużą na przykład do ostrzegania mieszkańców terenów zagrożonych uderzeniem resztkami odpadów kosmicznych strąconych do atmosfery, jak również do pomagania w zapobieganiu zwiększania się liczby śmieci na naszej orbicie. Niewykluczone, że stworzone dzięki SST i innym programom UE i Europejskiej Agencji Kosmicznej procedury, infrastruktura i technologie, a także przetarte podczas ich tworzenia szlaki, będą w przyszłości służyć tworzeniu wspólnej polityki obronnej dla całej Unii Europejskiej.

W ramach SST Obserwatorium UAM przeczesuje niebo wykrywając i śledząc śmieci kosmiczne przy użyciu dokładnych teleskopów – jeden znajduje się w Borowcu (Polska, UE) a drugi w Arizonie (USA). Pomocne jest też oprogramowanie, które posiada Obserwatorium, oraz wiedza i doświadczenie z zakresu teorii dynamiki i trajektorii ruchu orbitalnego satelitów krążących wokół Ziemi. Przydaje się to też w innych działaniach, jakimi zajmuje się UAM. „Obserwatorium uczestniczy w kilku projektach ESA, które mają związek z SSA/SST, w szczególności w zakresie obserwacji obiektów satelitarnych i NEO.” – opisuje prof. Edwin Wnuk, pracujący w obserwatorium i zajmujący się kosmicznymi projektami.

Wizualizacja kosmicznych śmieci. Obraz przygotowany przez NASA z 2005 r.

Edwin Wnuk zwraca też uwagę na fakt, że nie tylko kosmiczne śmieci są zagrożeniem. Apokaliptyczna wizja uderzenia w Ziemię planetoidy nie jest wcale całkowicie nierealna, a jej przeciwdziałanie także jest tematem badań i działań naukowców oraz wojska. „Planetoida Apophis zbliży się do Ziemi w 2029 roku na odległość, na której poruszają się satelity geostacjonarne. Nie przewiduje się żadnych działań, które mogłyby zmienić trajektorię ruchu tego obiektu, bo nie ma obecnie możliwości w tym zakresie” – konkluduje. Zachęcam też do przeczytania wywiadu z profesorem Edwinem Wnukiem w „Życiu Uniwersyteckim” (dostępnym tutaj), gdzie szerzej opowiada o zagadnieniach kosmicznych.

Z wszystkiego o czym napisałem wyłania się bardzo ciekawy i budzący podziw obraz zaangażowania polskiego w europejskie działania ochrony orbity kosmicznej przed śmieciami kosmicznymi, planetoidami, a potencjalnie także w obronność, która dotychczas była dla Unii Europejskiej jako całości słabą stroną, co się na szczęście zmienia. Silne zakorzenienie naszego kraju w powstającym systemie, dzięki polskim naukowcom, Uniwersytetowi im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Polskiej Akademii Nauk, Polskiej Agencji Kosmicznej czy polskiemu wojsku daje nam ważne miejsce w tym niezwykle istotnym projekcie dbania o czystość orbity i bezpieczeństwo UE.

Artykuł napisałem we współpracy z Uniwersytetem im. Adama Mickiewicza w Poznaniu (UAM).