Kosmoseprügi: kasvav oht ja orbitaalkoristustehnoloogiad

Meie kosmoseuuringud ja selle kasutamine on toonud inimkonnale tohutut kasu, alates globaalsest kommunikatsioonist ja navigatsioonist kuni ilmaprognooside ja teaduslike avastusteni. Kuid aastakümnete pikkune kosmosetegevus on tekitanud ka kasvava probleemi: kosmoseprügi, tuntud ka kui orbitaalprügi või kosmosepraht. See praht kujutab endast olulist ohtu töötavatele satelliitidele, tulevastele kosmosemissioonidele ja kosmosetegevuse pikaajalisele jätkusuutlikkusele.

Mis on kosmoseprügi?

Kosmoseprügi hõlmab kõiki mittefunktsionaalseid, inimtekkelisi objekte Maa orbiidil. See sisaldab:

• Töö lõpetanud satelliidid: Satelliidid, mis on jõudnud oma tööea lõppu, kuid on jäänud orbiidile.
• Raketikered: Kanderakettide ülemised astmed, mis viisid satelliidid orbiidile.
• Fragmentatsioonipraht: Satelliitide ja rakettide tükid, mis on plahvatuste, kokkupõrgete või lagunemise tõttu purunenud.
• Missiooniga seotud praht: Objektid, mis on vabanenud satelliidi orbiidile paigutamise või missioonioperatsioonide käigus, näiteks objektiivikatted või adapterrõngad.
• Väike praht: Isegi pisikesed objektid, nagu värvikillud või tahkekütusrakettide mootori räbu, võivad oma suure kiiruse tõttu põhjustada olulist kahju.

Ameerika Ühendriikide Kosmosejälgimisvõrgustik (SSN) jälgib Maa-lähedasel orbiidil (LEO) objekte, mis on suuremad kui 10 cm, ja geostatsionaarsel orbiidil (GEO) objekte, mis on suuremad kui 1 meeter. Siiski on miljoneid väiksemaid prügitükke, mis on jälgimiseks liiga väikesed, kuid kujutavad siiski ohtu.

Kosmoseprügi ohud

Kosmoseprügist tulenevad ohud on mitmetahulised:

Kokkupõrkeoht

Isegi väikesed prügitükid võivad tekitada töötavatele satelliitidele märkimisväärset kahju nende suure kiiruse tõttu, millega nad orbiidil liiguvad (tavaliselt umbes 7-8 km/s LEO-l). Kokkupõrge isegi väikese objektiga võib satelliidi rivist välja lüüa või hävitada, mis toob kaasa väärtuslike teenuste kaotuse ja veelgi suurema prügi tekke.

Näide: 2009. aastal põrkas töö lõpetanud Vene satelliit Kosmos 2251 kokku töötava Iridiumi sidesatelliidiga, tekitades tuhandeid uusi prügitükke.

Kessleri sündroom

Kessleri sündroom, mille pakkus välja NASA teadlane Donald Kessler, kirjeldab stsenaariumi, kus objektide tihedus LEO-l on nii suur, et objektide vahelised kokkupõrked võivad põhjustada ahelreaktsiooni, tekitades veelgi rohkem prahti ning muutes kosmosetegevuse üha ohtlikumaks ja ebapraktilisemaks. See kontrollimatu protsess võib muuta teatud orbitaalpiirkonnad põlvkondadeks kasutuskõlbmatuks.

Suurenenud missioonikulud

Satelliidioperaatorid peavad kulutama ressursse prügi jälgimisele, kokkupõrgete vältimise manöövrite sooritamisele ja satelliitide tugevdamisele kokkupõrgete vastu. Need tegevused suurendavad missioonide kulusid ja keerukust.

Oht mehitatud kosmoselendudele

Kosmoseprügi kujutab endast otsest ohtu mehitatud kosmoselendudele, sealhulgas Rahvusvahelisele Kosmosejaamale (ISS). ISS-il on kaitsekilbid väikese prahi vastu, kuid suuremad objektid nõuavad jaamalt vältimismanöövrite sooritamist.

Kosmoseprügi hetkeseis

Kosmoseprügi hulk on viimastel aastakümnetel pidevalt kasvanud. Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) andmetel oli 2023. aasta seisuga:

• Umbes 36 500 jälgitavat objekti, mis on suuremad kui 10 cm.
• Hinnanguliselt 1 miljon objekti suuruses 1 cm kuni 10 cm.
• Üle 130 miljoni objekti, mis on väiksemad kui 1 cm.

Suurem osa prahist on koondunud LEO-le, mis on ka kõige enam kasutatav orbitaalpiirkond Maa vaatluseks, kommunikatsiooniks ja teadusuuringuteks.

Orbitaalkoristustehnoloogiad: probleemi lahendamine

Kosmoseprügi probleemi lahendamine nõuab mitmetahulist lähenemist, sealhulgas prügi leevendamist, kosmoseolukorra teadlikkust (SSA) ja aktiivset prügi eemaldamist (ADR). Prügi leevendamine keskendub uue prahi tekke vältimisele, samas kui SSA hõlmab olemasoleva prahi jälgimist ja monitoorimist. ADR, millele see blogipostitus keskendub, hõlmab prahi aktiivset eemaldamist orbiidilt.

ADR-i jaoks arendatakse ja katsetatakse arvukalt uuenduslikke tehnoloogiaid. Need tehnoloogiad võib laias laastus jagada järgmistesse kategooriatesse:

Püüdmismeetodid

Püüdmismeetodeid kasutatakse prügitüki füüsiliseks haaramiseks või kinnitamiseks, enne kui seda saab deorbiteerida või turvalisemale orbiidile viia. Uuritakse mitmeid lähenemisviise:

• Robotkäed: Need on mitmekülgsed tööriistad, mida saab kasutada prahi haaramiseks ja manipuleerimiseks. Sageli on need varustatud spetsiaalsete haaratsitega, et kindlalt hoida erinevat tüüpi objekte.
• Võrgud: Suuri võrke saab kasutada prügiobjektide püüdmiseks, eriti nende, mis on pöörlevad või ebakorrapärase kujuga. Pärast püüdmist saab võrgu ja prahi koos deorbiteerida.
• Harpuunid: Harpuune kasutatakse prügiobjektide läbistamiseks ja kinnitamiseks. See meetod sobib tahkete objektide püüdmiseks, kuid ei pruugi sobida habraste või kahjustatud esemete jaoks.
• Lõastusköied: Elektrodünaamilisi lõastusköisi saab kasutada prahi orbiidilt välja tõmbamiseks, kasutades Maa magnetvälja. Need on tõhusad suurte objektide deorbiteerimiseks, kuid nõuavad hoolikat kontrolli.
• Vahu või aerogeeliga püüdmine: Kleepuva vahu või aerogeeli pilve kasutamine prahi ümbritsemiseks ja püüdmiseks. See lähenemisviis on alles arendamise algusjärgus.

Deorbiteerimismeetodid

Kui prügitükk on kinni püütud, tuleb see deorbiteerida, mis tähendab selle tagasi toomist Maa atmosfääri, kus see ära põleb. Deorbiteerimiseks kasutatakse mitmeid meetodeid:

• Otsene deorbiteerimine: Tõukurite kasutamine prahi orbiidi otseseks langetamiseks, kuni see siseneb uuesti atmosfääri. See on kõige otsekohesem meetod, kuid nõuab märkimisväärses koguses kütust.
• Atmosfääri takistuse suurendamine: Suure takistuspurje või õhupalli kasutuselevõtt prahi pindala suurendamiseks, suurendades seeläbi atmosfääri takistust ja kiirendades selle taassisenemist.
• Elektrodünaamilised lõastusköied: Nagu eespool mainitud, saab lõastusköisi kasutada ka deorbiteerimiseks, tekitades takistusjõu läbi vastastikmõju Maa magnetväljaga.

Mittepüüdmismeetodid

Mõned ADR-tehnoloogiad ei hõlma prahi füüsilist püüdmist. Need meetodid pakuvad potentsiaalseid eeliseid lihtsuse ja skaleeritavuse osas:

• Laserablatsioon: Suure võimsusega laserite kasutamine prügiobjektide pinna aurustamiseks, tekitades tõukejõu, mis järk-järgult langetab nende orbiiti.
• Ioonkiire karjus: Ioonkiire kasutamine prügiobjektide eemale tõukamiseks töötavatest satelliitidest või madalamatele orbiitidele. See meetod on kontaktivaba ja väldib püüdmisel tekkivat kokkupõrkeohtu.

Orbitaalkoristuse missioonide ja tehnoloogiate näited

ADR-i teostatavuse demonstreerimiseks on välja töötatud mitmeid missioone ja tehnoloogiaid:

• RemoveDEBRIS (Euroopa Kosmoseagentuur): See missioon demonstreeris mitmeid ADR-tehnoloogiaid, sealhulgas võrku, harpuuni ja takistuspurje. See püüdis edukalt võrguga simuleeritud prügiobjekti ja paigaldas takistuspurje oma deorbiteerimise kiirendamiseks.
• ELSA-d (Astroscale): See missioon demonstreeris võimekust püüda ja deorbiteerida simuleeritud prügiobjekti magnetilise dokkimissüsteemi abil. See hõlmas teenindavat kosmoselaeva ja klienti esindavat kosmoselaeva, mis kujutas prahti.
• ClearSpace-1 (Euroopa Kosmoseagentuur): See missioon, mis plaanitakse käivitada 2026. aastal, eesmärgiga püüda ja deorbiteerida Vespa (Vega Secondary Payload Adapter) ülemine aste, mis on pärast Vega raketi starti orbiidile jäänud prahitükk. See kasutab Vespa püüdmiseks robotkätt.
• ADRAS-J (Astroscale): ADRAS-J missioon on kavandatud kohtuma olemasoleva suure prahitükiga (Jaapani raketi ülemine aste), et iseloomustada selle seisundit ja liikumist. Need andmed on tulevaste eemaldamismissioonide planeerimisel üliolulised.
• e.Deorbit (Euroopa Kosmoseagentuur - ettepanek): Planeeritud missioon suure mahajäetud satelliidi püüdmiseks ja deorbiteerimiseks robotkäe abil. Missiooni eesmärk on demonstreerida suurte ja keerukate prügiobjektide eemaldamise tehnilist teostatavust.

Väljakutsed ja kaalutlused

Vaatamata edusammudele ADR-tehnoloogias on endiselt mitmeid väljakutseid ja kaalutlusi:

Maksumus

ADR-missioonide arendamine ja elluviimine on kulukas. Kosmoselaeva startimise ja keerukate manöövrite sooritamine orbiidil võib olla märkimisväärne. Kulutõhusate ADR-lahenduste väljatöötamine on prügi eemaldamise majanduslikult tasuvaks muutmiseks ülioluline.

Tehnoloogia arendamine

Paljud ADR-tehnoloogiad on alles arendamise algusjärgus ning vajavad täiendavat testimist ja täiustamist. Usaldusväärsete ja tõhusate püüdmis- ja deorbiteerimismeetodite väljatöötamine on ADR-missioonide õnnestumiseks hädavajalik.

Õiguslik ja regulatiivne raamistik

ADR-i õiguslik ja regulatiivne raamistik on alles kujunemas. On küsimusi vastutuse kohta prügi eemaldamisel tekitatud kahju eest, eemaldatud prügi omandiõiguse ja ADR-tehnoloogia võimaliku kasutamise kohta ründeeesmärkidel. Rahvusvaheline koostöö ja selgete õiguslike suuniste kehtestamine on vajalikud, et tagada vastutustundlik ja jätkusuutlik ADR-tegevus.

Sihtmärgi valik

Õigete prügiobjektide valimine eemaldamiseks on ADR-i jõupingutuste tõhususe maksimeerimiseks kriitilise tähtsusega. Oluline on eelistada suurte ja kõrge riskiga objektide eemaldamist, mis kujutavad endast suurimat ohtu töötavatele satelliitidele. Arvesse tuleks võtta selliseid tegureid nagu objekti suurus, mass, kõrgus ja fragmentatsioonipotentsiaal.

Poliitilised ja eetilised kaalutlused

ADR tekitab poliitilisi ja eetilisi kaalutlusi, näiteks ADR-tehnoloogia võimalikku kasutamist sõjalistel eesmärkidel või teiste riikide satelliitide ebaõiglaseks sihtimiseks. Rahvusvaheline läbipaistvus ja koostöö on nende murede lahendamiseks ja tagamiseks, et ADR-i kasutatakse kõigi hüvanguks, üliolulised.

Rahvusvahelised jõupingutused ja koostöö

Tunnistades kosmoseprügi probleemi globaalset olemust, tegelevad selle küsimusega arvukad rahvusvahelised organisatsioonid ja algatused:

• ÜRO Kosmose rahumeelse kasutamise komitee (UN COPUOS): See komitee pakub foorumit rahvusvaheliseks koostööks kosmosega seotud küsimustes, sealhulgas kosmoseprügi leevendamisel. See on välja töötanud suunised kosmoseprügi leevendamiseks, mida kosmosevõimekusega riigid laialdaselt kasutavad.
• Agentuuridevaheline kosmoseprügi koordineerimiskomitee (IADC): See komitee on foorum kosmoseagentuuridele teabe vahetamiseks ja kosmoseprügiga seotud tegevuste koordineerimiseks. See töötab välja konsensuslikke suuniseid kosmoseprügi leevendamiseks ja edendab ADR-tehnoloogiate uurimist.
• Kosmose jätkusuutlikkuse reiting (SSR): Maailma Majandusfoorumi juhitud algatus jätkusuutlike tavade edendamiseks kosmoses. SSR hindab kosmosemissioonide jätkusuutlikkust selliste tegurite alusel nagu prügi leevendamise meetmed ja kokkupõrgete vältimise võimekus.

Need rahvusvahelised jõupingutused on olulised koostöö edendamiseks, parimate tavade jagamiseks ja ühiste lähenemisviiside väljatöötamiseks kosmoseprügi probleemiga tegelemisel.

Orbitaalkoristuse tulevik

Orbitaalkoristuse tulevik hõlmab tõenäoliselt tehnoloogiliste edusammude, poliitiliste muudatuste ja rahvusvahelise koostöö kombinatsiooni. Peamised suundumused ja arengud, mida jälgida, hõlmavad:

• Edusammud ADR-tehnoloogias: Jätkuv uurimis- ja arendustegevus tõhusamate ja kulutõhusamate ADR-tehnoloogiate, näiteks robotkäte, võrkude ja laserablatsiooni, valdkonnas.
• Orbiidil teenindamise võimekuse arendamine: Kosmoselaevade arendamine, mis suudavad teostada orbiidil teenindust, näiteks tankimist, remonti ja satelliitide ümberpaigutamist. Neid võimekusi saaks kasutada ka prügi eemaldamiseks.
• Rangemate prügi leevendamise meetmete rakendamine: Rangemate prügi leevendamise meetmete vastuvõtmine kosmosevõimekusega riikide ja organisatsioonide poolt, sealhulgas nõuded satelliitide eluea lõpu deorbiteerimiseks ja passiveerimiseks.
• Suurenenud kosmoseolukorra teadlikkus: Kosmoseprügi parem jälgimine ja monitoorimine kokkupõrkeriskide paremaks hindamiseks ja vältimismanöövrite planeerimiseks.
• Põhjaliku õigusliku ja regulatiivse raamistiku loomine: Selgete õiguslike suuniste väljatöötamine ADR-tegevuste jaoks, käsitledes selliseid küsimusi nagu vastutus, omandiõigus ja ADR-tehnoloogia kasutamine sõjalistel eesmärkidel.

Kosmoseprügi probleemiga tegelemine on ülioluline kosmosetegevuse pikaajalise jätkusuutlikkuse tagamiseks ja nende hüvede säilitamiseks, mida kosmoseuuringud ja -kasutus inimkonnale pakuvad. Investeerides ADR-tehnoloogiasse, rakendades rangemaid prügi leevendamise meetmeid ja edendades rahvusvahelist koostööd, saame luua tulevastele põlvkondadele turvalisema ja jätkusuutlikuma kosmosekeskkonna.

Kokkuvõte

Kosmoseprügi on kasvav oht meie kosmoseinfrastruktuurile ja kosmoseuuringute tulevikule. Orbitaalkoristustehnoloogiate arendamine on selle riski leevendamiseks hädavajalik. Kuigi olulised väljakutsed püsivad, pakuvad käimasolevad uuringud, rahvusvaheline koostöö ja poliitilised edusammud lootust puhtamale ja turvalisemale orbitaalkeskkonnale. Valitsuste, kosmoseagentuuride ja eraettevõtete pühendumus kogu maailmas on ülioluline, et tagada kosmosetegevuse pikaajaline jätkusuutlikkus ja jätkuv kasu, mida kosmos inimkonnale pakub.