Polskie roboty posprzątają kosmos. „Możemy skończyć z zatrutą orbitą”

Codziennie lata nad naszymi głowami i każdego roku go przybywa. Złom kosmiczny, bo o nim mowa, zaczyna spędzać sen z powiek astronautom, ekspertom agencji kosmicznych i prywatnym firmom z branży space.

Mieszanka starych satelitów bez paliwa czy łączności, porzuconych po dumnych misjach części rakiet, rozbitych pojazdów kosmicznych czy odłamków powstałych po tychże zderzeniach zaczyna przypominać pole minowe. Co gorsza, wysyłamy na nie ludzi, którzy regularnie muszą wymijać złom, by nie doszło do tragedii.

Po latach odkładania tematu na później narodowe agencje kosmiczne i prywatne firmy wreszcie zaczynają na poważnie myśleć i działać w kierunku uprzątnięcia orbitalnego wysypiska.

Choć misje sprzątania kosmosu zaawansowanymi robotami dopiero się zaczynają, to w wyścigu już mamy polskiego lidera. O problemie kosmicznego złomu opowiada nam Marcin Dobrowolski, prezes warszawskiej firmy PIAP Space.

Krzysztof Sobiepan, Wprost.pl: Czy wiemy, ile złomu jest na orbicie Ziemi? Jakie są szacunki?

Marcin Dobrowolski, PIAP Space: Pojęcie złomu kosmicznego jest dość ogólne. Duże obiekty, jak pozostałości rakiet, czy nieaktywne już satelity, z pewnością można nazwać złomem. Dalej mamy jednak działające satelity oraz całe stacje kosmiczne. Potem są jeszcze odłamki, drobniejsze okruchy o różnym kształcie i wielkości. Co jest więc złomem, a co już nie?

Systematycznie przyjęło się więc mówić o obiektach na orbicie Ziemi, które kategoryzujemy ze względu na ich wielkość. Najlepszy istniejący katalog dotyczy obiektów mierzących ponad 10 centymetrów. Tych jest obecnie ok. 36 000. Określamy, że mniejszych obiektów – takich o rozmiarach od 1 do 10 centymetrów – jest już zaś około miliona.

Jeśli mówimy o okruchach od 1 milimetra do 1 centymetra, to obiektów tego typu może być nawet 130 milionów. Tu oczywiście są to jedynie szacunki, bo nie sposób jest stworzyć dokładnego spisu.

Mówimy o obiektach na orbicie, ale gdzie dokładnie się one znajdują? Międzynarodowa Stacja Kosmiczna nie wymija chyba tysięcy odłamków co parę sekund?

Nie co parę sekund, ale ISS i inne urządzenia operujące w kosmosie muszą stale uważać na możliwe zderzenia.

Najwięcej przypadków potencjalnych kolizji mamy na orbicie ok. 500 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Rocznie to około 27 zagrożeń, które mogłyby skończyć się kolizją z operującym obecnie na orbicie satelitą. Druga w kolejności jest wysokość ok. 800 km. Inne, mniej popularne orbity – 400, 600, 700 czy 900 km – mają maksymalnie do 10 incydentów rocznie.

Wspomniana Międzynarodowa Stacja Kosmiczna znajduje się na wysokości około 400 km nad Ziemią. Oznacza to, że ISS musi około 8 razy w roku nieznacznie zmienić kurs, by wyminąć obiekty, które mogłyby się z nią zderzyć. Oczywiście takie kolizje mogłyby być szczególnie niebezpieczne dla znajdującej się na orbicie załogi.

Co ciekawe, dość dokładnie znamy także przyczyny możliwych kolizji, czyli obiekty, które są obecnie najbardziej kłopotliwe. Najliczniejszymi obiektami kosmicznymi „do wyminięcia” są te tworzące wielkie konstelacje oraz małe satelity. Kolejne niebezpieczne obiekty to złom kosmiczny, na przykład pozostałości po dawnych programach radzieckich i amerykańskich.

Mniejszą, lecz nadal znaczącą liczbę stanowią ostatnie stopnie rakiet, wykorzystywane przy wynoszeniu ładunków na orbitę. To m.in. puste zbiorniki paliwa czy inne elementy konstrukcyjne, stanowiące łącznik pomiędzy rakietą a właściwym statkiem kosmicznym.

Jak niebezpieczny jest złom kosmiczny i inne pozostałości satelitów?

Każde zderzenie na orbicie może mieć bardzo poważne skutki. Mówimy tu o uszkodzeniu instrumentów danej jednostki, wyłączeniu jej funkcji, zniszczeniu paneli słonecznych, a więc ograniczeniu zasilania, albo całkowitej kolizji, a tym samym zakończeniu świadczonej usługi.

Ta ostatnia jest wyjątkowo kłopotliwa, bo zderzenie dwóch obiektów generuje jeszcze więcej odłamków, które mogą powodować kolejne kolizje na orbicie. Wzrost odłamków może więc być wręcz geometryczny. Parę lat temu mieliśmy taki przykład, gdzie zderzyły się dwa dawne satelity telekomunikacyjne – Kosmos 2251 i Iridium 33.

Załogowe stacje kosmiczne są jeszcze bardziej wrażliwe. Przebicie poszycia czy powłok ochronnych, dekompresja, uszkodzenie systemów podtrzymywania życia, odcięcie energii – to wszystko bardzo poważne zagrożenia dla astronautów.

Musimy też pamiętać, że niebezpieczne są nie tylko duże obiekty, ale nawet mniejsze okruchy. Na orbicie wszystkie przedmioty poruszają się bardzo szybko – wielokrotnie szybciej niż prędkość kuli wystrzelonej z karabinu.

Obecnie wysyłamy w kosmos coraz więcej urządzeń. W 2023 roku satelity wysyłają już nie tylko agencje, ale też prywatne firmy takie jak SpaceX. Czy problem śmieci kosmicznych będzie się szybko pogłębiał?

Zdecydowanie widzimy taki trend. Do 2015 roku obiektów wynoszonych rocznie na orbitę było poniżej 200. W okresie od 2016 do 2019 roku nastąpił znaczny wzrost, do około 400 obiektów na rok.

To jeszcze nic w porównaniu z 2020 rokiem, gdzie w kosmos wystrzelono ponad 1200 obiektów. W 2021 roku było to już 1700 obiektów, a w zeszłym roku – aż 2 400 obiektów. Spodziewamy się, że liczba obiektów wynoszonych kosmos będzie rosła co najmniej o 500-600 każdego roku.

Wszystkie te urządzenia mają jednak ograniczoną żywotność liczoną w latach, a czasem krócej. Oznacza to, że każdy wyniesiony dziś obiekt prędzej czy później stanie się śmieciem kosmicznym, który trzeba z orbity usunąć.

Co więc zrobić z danym urządzeniem po zakończeniu pracy? Spotkałem się z terminem „cmentarzysko satelitów”. Czy na naszej orbicie faktycznie funkcjonuje pas martwych jednostek?

Na niskich orbitach, powiedzmy 300 kilometrów, czas życia danego satelity jest stosunkowo krótki – to nawet parę miesięcy czy rok. W wyniku obniżania się orbity urządzenie w końcu wpadnie w gęstsze warstwy atmosfery i spłonie. Szczątki większych jednostek spadną zaś do oceanu. Popularne cmentarzysko na Ziemi znajduje się w tzw. Punkcie Nemo na Oceanie Spokojnym.

Jednak w przypadku wyższej orbity – powiedzmy 500 km – na ten sam efekt spadnięcia na Ziemię prawdopodobnie będziemy musieli poczekać kilkanaście, albo nawet kilkadziesiąt lat. Na jeszcze wyższych orbitach mówimy o złomie, który pozostanie tam setki, a nawet tysiące lat.

Inne podejście zakłada więc podwyższenie orbity, na której porusza się dany obiekt. Wtedy urządzenie pozostanie tam już na zawsze. Tak zwana orbita cmentarna funkcjonuje 300 kilometrów ponad orbitą geostacjonarną, która z kolej jest położona na wysokości niecałych 35 800 km. Taki dystans jest znacząco powyżej większości działających obecnie urządzeń i jest uznawany za bezpieczny.

Niezależnie czy usuwamy satelitę obniżając, czy podwyższając jego orbitę – musimy o tym myśleć jeszcze przed startem. Maszyna musi bowiem zachować odpowiednią ilość paliwa, by wykonać odpowiedni manewr. Obecnie dużym problemem są więc starsze jednostki z lat 60., 70. i 80. bez paliwa lub takie, z którymi utraciliśmy kontakt. To je trzeba uprzątnąć w pierwszej kolejności.

Nie może być to łatwe zadanie od strony technicznej. Jak myśli się dziś o usuwaniu śmieci kosmicznych z orbity?

Rzeczywiście, najlepsi eksperci zastanawiają się dziś, jak rozwiązać ten problem. Słyszałem na przykład o ciekawej koncepcji mocnego lasera, który mógłby strącać śmieci kosmiczne. Ten projekt jest dopiero u zarania i jego implementacja to bardzo, ale to bardzo daleka przyszłość.

Musimy więc myśleć o tym, co możemy robić tu i teraz. Obecnie odpowiedzią są misje robotyczne. Chodzi o wysłanie w kosmos kolejnego urządzenia, które jest wyposażone w odpowiednie manipulatory czy inne narzędzia, dzięki czemu jest w stanie przechwycić dany obiekt i wraz z nim wejść w atmosferę Ziemi.

Dzięki temu nowy satelita „czyszczący” usunie zarówno śmieć kosmiczny, jak i siebie samego. Nie jest to jednak jeszcze idealny system, bo chwytaki gorzej radzą sobie z małymi śmieciami lub obiektami o mocno nieregularnych kształtach.

Inna ciekawa droga to wydłużanie życia obecnych już na orbicie obiektów. Jeśli dany satelita nie ma paliwa – można go zatankować, zamiast zezłomować. Można też próbować serwisować urządzenia, dokonując mniejszych lub większych napraw i ulepszeń w celu poprawienia ich działania.

PIAP Space to polska firma, która aktywnie działa w kierunku sprzątania kosmosu. Jak wyglądają więc rodzime projekty, pomysły i inicjatywy w tej dziedzinie?

Jeśli miałbym szybko nas przedstawić, to PIAP Space jest spółką córką Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów, działającego w ramach Sieci Badawczej Łukasiewicz. Jednym z naszych głównych inwestorów jest Agencja Rozwoju Przemysłu.

Jak wskazuje nazwa, w PIAP Space specjalizujemy się w projektach kosmicznych, a zwłaszcza w dziedzinie robotyki kosmicznej. Jednym z naszych flagowych obecnie projektów jest ramię robotyczce TITAN, którego rozwój zleciła nam Europejska Agencja Kosmiczna. Ramie to ma posłużyć do serwisowania satelitów na orbicie, a także ich deorbitacji.

Inną inicjatywą są nasze chwytaki, wśród których mogę wymienić chwytak LARIS. Urządzenie to już za dwa lata poleci w kosmos w ramach europejskiej misji EROSS IOD, czyli European Robotic Orbital Support Services In Orbit Demonstrator. Jej celem będzie przetestowanie różnych możliwości przechwytywania obiektów znajdujących się na orbicie.

Jeszcze innym projektem jest wielofunkcyjny chwytak Multipurpose Service Gripper, który nazywamy zamiennikiem ręki astronauty. Może on złapać różne narzędzia i wykonywać na orbicie prace, do których zwykle potrzebny byłby człowiek.

Myślimy też o wspólnym projekcie z Instytutem Lotnictwa Sieci Łukasiewicz w Warszawie. Tu skupilibyśmy się na dokowaniu i tankowaniu satelitów bez paliwa. Liczymy, że realizacja tej inicjatywy może rozpocząć się w 2024 roku.

Tu wypada wspomnieć, że zaledwie na początku września nasze rozwiązania robotyczne zostały nagrodzone podczas gali Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego w Kielcach. Nagrodę Kopernik przyznał nam prezes Polskiej Agencji Kosmicznej POLSA. Nad Wisłą przemysł kosmiczny prężnie się rozwija, więc takie wyróżnienie tym bardziej nas cieszy.

Jakie przeznaczenie mają roboty PIAP Space? Jaka będzie ich misja na orbicie?

Celem będą większe obiekty kosmiczne, mówimy tu o śmieciach znajdujących się na odległej orbicie geostacjonarnej, ponad 35 tysięcy kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Deorbitować zamierzamy ciężki złom, czyli jednostki ważące od dwóch do nawet pięciu ton.

Komu najbardziej zależy obecnie na oczyszczaniu kosmosu? Czy liczy Pan bardziej na kontrakty z NASA, czy ESA?

W tej chwili Amerykanie zdecydowanie przodują w inicjatywach sprzątania obiektów kosmicznych, trzeba przyznać, że Europa jest tu trochę z tyłu. Europejska Agencja Kosmiczna zdecydowanie nie powiedziała tu jednak jeszcze ostatniego słowa i są duże szanse, że wyrównamy nasze wysiłki do poziomu USA.

Chciałbym też zaznaczyć, że problem śmieci kosmicznych, nie jest zupełnie odcięty od Polski. Już niedługo na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej znajdzie się bowiem nasz astronauta – Sławosz Uznański. Jednocześnie MON zamówił w ostatnim czasie dwa wysokorozdzielcze obserwacyjne satelity wojskowe, które też wkrótce znajdą się na orbicie. Znacznie podnieśliśmy również naszą składkę w ESA, co oznacza, że nasz kraj stanie się dużo aktywniejszym graczem w przestrzeni kosmicznej.

Problem śmieci kosmicznych staje się więc kluczową kwestią nie tylko dla potęg takich jak USA, Chiny czy Francja, ale też realnym zagrożeniem, o którym musi myśleć Polska.

Obserwacje śmieci kosmicznych prowadzi już zresztą Polska Agencja Kosmiczna. Nie tak dawno zostały uruchomione trzy obserwatoria służące właśnie temu celowi – w Chile, Australii i RPA.

Jak w takim razie może wyglądać przyszłość branży eliminacji złomu z kosmosu?

Mówiliśmy już o dynamicznym przyroście obiektów wysyłanych w kosmos, co obecnie nadal jest niemałym zagrożeniem. Gra ciągle toczy się o to, by ludzkość z czasem całkowicie nie pozbawiła się ogromnej korzyści, jaką jest możliwość wysyłania urządzeń na orbitę.

Jeśli kosmicznych odpadów będzie zbyt dużo, a ich przyrost nie będzie kontrolowany – możemy bowiem skończyć z „zatrutą” orbitą, której nie będzie można w żaden sposób wykorzystać przez niezliczone niebezpieczne odłamki.

Zawsze lepiej jest zapobiegać, niż leczyć. Już teraz instytucje międzynarodowe zobowiązują podmioty do utrzymywania swoich obiektów w kosmosie nie dłużej niż 25 lat. Oznacza to, że każdy podmiot musi mieć plan, jak pozbyć się z orbity urządzeń, które w przyszłości wyśle w kosmos.

Sprzątanie śmieci kosmicznych zawsze borykało się z problemem opłacalności. Przez wiele lat maksymalnie wydłużano aktywne misje satelitów i nie przejmowano się tym, co stanie się po zakończeniu ich służby. Jednak im gęściej robi się w kosmosie, tym większa szansa, że nowiutki satelita, będący niemałą inwestycją, uderzy w odłamek i ogromne środki pójdą na marne. Może to przekonać firmy, że w dłuższej perspektywie „sprzątanie po sobie” się opłaca.

Osobiście oceniam, że pierwsze misje sprzątania kosmosu odbędą się w przeciągu najbliższych pięciu lat. Przed nami jeszcze niemało eksperymentów, testów i demonstrowania technologii. Gdy jednak ustalimy, co działa najlepiej, inicjatywy oczyszczania mogą nabrać tempa.

Nauka to polska specjalność
Wielkie postacie polskiej nauki

Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce



Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Społeczna Odpowiedzialność Nauki”