Kosminės šiukšlės: auganti grėsmė ir orbitos valymo technologijos

Mūsų kosmoso tyrinėjimai ir naudojimas suteikė žmonijai milžiniškos naudos – nuo pasaulinio ryšio ir navigacijos iki orų prognozavimo ir mokslinių atradimų. Tačiau dešimtmečius trunkanti kosminė veikla taip pat sukėlė augančią problemą: kosmines šiukšles, dar vadinamas orbitinėmis šiukšlėmis arba kosminiu šlamštu. Šios šiukšlės kelia didelę grėsmę veikiantiems palydovams, ateities kosminėms misijoms ir ilgalaikiam kosminės veiklos tvarumui.

Kas yra kosminės šiukšlės?

Kosminės šiukšlės apima visus nebeveikiančius, žmogaus sukurtus objektus, skriejančius orbitoje aplink Žemę. Tai apima:

• Nebeveikiantys palydovai: Palydovai, kurie baigė savo eksploatavimo laiką, bet liko orbitoje.
• Raketų korpusai: Viršutinės raketų pakopos, kurios iškėlė palydovus į orbitą.
• Fragmentacijos šiukšlės: Palydovų ir raketų dalys, subyrėjusios dėl sprogimų, susidūrimų ar irimo.
• Su misija susijusios šiukšlės: Objektai, paleisti diegiant palydovus ar vykdant misijos operacijas, pavyzdžiui, objektyvų dangteliai ar adapterių žiedai.
• Smulkios šiukšlės: Net ir labai maži objektai, pavyzdžiui, dažų atplaišos ar kietojo kuro raketų variklių šlakas, dėl didelio greičio gali padaryti didelę žalą.

Jungtinių Valstijų Kosmoso stebėjimo tinklas (SSN) seka objektus, didesnius nei 10 cm žemoje Žemės orbitoje (LEO) ir didesnius nei 1 metras geostacionarioje orbitoje (GEO). Tačiau yra milijonai mažesnių šiukšlių, kurios yra per mažos, kad būtų sekamos, bet vis tiek kelia grėsmę.

Kosminių šiukšlių keliami pavojai

Kosminių šiukšlių keliami pavojai yra įvairiapusiai:

Susidūrimo rizika

Net mažos šiukšlės gali padaryti didelę žalą veikiantiems palydovams dėl didelio greičio, kuriuo jos skrieja orbitoje (paprastai apie 7-8 km/s LEO). Susidūrimas net su mažu objektu gali išvesti iš rikiuotės arba sunaikinti palydovą, dėl ko prarandamos vertingos paslaugos ir sukuriama dar daugiau šiukšlių.

Pavyzdys: 2009 m. nebeveikiantis Rusijos palydovas „Cosmos 2251“ susidūrė su veikiančiu „Iridium“ ryšių palydovu, sukeldamas tūkstančius naujų šiukšlių.

Kesslerio sindromas

Kesslerio sindromas, kurį pasiūlė NASA mokslininkas Donaldas Kessleris, apibūdina scenarijų, kai objektų tankis LEO yra pakankamai didelis, kad susidūrimai tarp objektų sukeltų grandininę reakciją, sukuriančią dar daugiau šiukšlių ir darančią kosminę veiklą vis pavojingesne ir nepraktiškesne. Šis nevaldomas procesas galėtų tam tikrus orbitos regionus paversti netinkamais naudoti ištisoms kartoms.

Padidėjusios misijų išlaidos

Palydovų operatoriai turi skirti išteklių šiukšlių sekimui, susidūrimo vengimo manevrams ir palydovų apsaugai nuo smūgių. Šios veiklos didina misijų išlaidas ir sudėtingumą.

Grėsmė pilotuojamiems kosminiams skrydžiams

Kosminės šiukšlės kelia tiesioginę grėsmę pilotuojamiems kosminiams skrydžiams, įskaitant Tarptautinę kosminę stotį (TKS). TKS turi apsaugą nuo mažų šiukšlių, tačiau dėl didesnių objektų stočiai tenka atlikti vengimo manevrus.

Dabartinė kosminių šiukšlių būklė

Kosminių šiukšlių kiekis nuolat didėjo per pastaruosius kelis dešimtmečius. Pasak Europos kosmoso agentūros (ESA), 2023 m. duomenimis, yra:

• Apie 36 500 sekamų objektų, didesnių nei 10 cm.
• Apskaičiuota, kad yra 1 milijonas objektų nuo 1 cm iki 10 cm.
• Daugiau nei 130 milijonų objektų, mažesnių nei 1 cm.

Didžioji dalis šiukšlių yra susitelkusi LEO, kuri taip pat yra labiausiai naudojamas orbitos regionas Žemės stebėjimui, ryšiams ir moksliniams tyrimams.

Orbitos valymo technologijos: problemos sprendimas

Norint išspręsti kosminių šiukšlių problemą, reikalingas daugialypis požiūris, apimantis šiukšlių mažinimą, kosminės situacijos stebėjimą (KSS) ir aktyvų šiukšlių šalinimą (AŠŠ). Šiukšlių mažinimas skirtas naujų šiukšlių susidarymo prevencijai, o KSS apima esamų šiukšlių sekimą ir stebėjimą. AŠŠ, kuriam skirtas šis tinklaraščio įrašas, apima aktyvų šiukšlių pašalinimą iš orbitos.

AŠŠ tikslams kuriamos ir bandomos daugybė inovatyvių technologijų. Šias technologijas galima plačiai suskirstyti į šias kategorijas:

Sugavimo metodai

Sugavimo metodai naudojami fiziškai sugriebti ar sulaikyti šiukšlę, prieš ją nuleidžiant iš orbitos ar perkeliant į saugesnę orbitą. Tiriamos kelios koncepcijos:

• Robotinės rankos: Tai universalūs įrankiai, kuriais galima sugriebti ir manipuliuoti šiukšlėmis. Jos dažnai aprūpintos specializuotais galiniais griebtuvais, kad būtų galima saugiai laikyti įvairių tipų objektus.
• Tinklai: Dideli tinklai gali būti išskleisti, siekiant sugauti šiukšles, ypač tas, kurios vartosi ar yra netaisyklingos formos. Po sugavimo tinklas su šiukšlėmis gali būti kartu nuleistas iš orbitos.
• Harpūnai: Harpūnai naudojami pradurti ir pritvirtinti šiukšles. Šis metodas tinka kietiems objektams gaudyti, bet gali būti netinkamas trapiems ar pažeistiems daiktams.
• Lynai: Elektrodinaminiai lynai gali būti naudojami nutempti šiukšles iš orbitos, naudojant Žemės magnetinį lauką. Jie veiksmingi dideliems objektams nuleisti iš orbitos, tačiau reikalauja kruopštaus valdymo.
• Putos arba aerogelio sugavimas: Naudojant lipnių putų ar aerogelio debesį, apgaubiantį ir sugaunantį šiukšles. Šis metodas vis dar yra ankstyvoje kūrimo stadijoje.

Nuleidimo iš orbitos metodai

Kai šiukšlė yra sugauta, ją reikia nuleisti iš orbitos, t. y. grąžinti į Žemės atmosferą, kur ji sudegs. Nuleidimui iš orbitos naudojami keli metodai:

• Tiesioginis nuleidimas iš orbitos: Naudojant variklius tiesiogiai žeminti šiukšlės orbitą, kol ji vėl pateks į atmosferą. Tai paprasčiausias metodas, tačiau reikalauja daug degalų.
• Atmosferos pasipriešinimo didinimas: Išskleidžiant didelę stabdymo burę ar balioną, siekiant padidinti šiukšlės paviršiaus plotą, taip padidinant atmosferos pasipriešinimą ir pagreitinant jos grįžimą į atmosferą.
• Elektrodinaminiai lynai: Kaip minėta anksčiau, lynai taip pat gali būti naudojami nuleidimui iš orbitos, generuojant pasipriešinimo jėgą sąveikaujant su Žemės magnetiniu lauku.

Nekontaktiniai metodai

Kai kurios AŠŠ technologijos neapima fizinio šiukšlių sugavimo. Šie metodai gali turėti privalumų dėl paprastumo ir mastelio keitimo:

• Lazerinė abliacija: Naudojant galingus lazerius paviršiui išgarinti nuo šiukšlių, sukuriant trauką, kuri palaipsniui žemina jų orbitą.
• Jonų pluošto piemuo: Naudojant jonų pluoštą stumti šiukšles toliau nuo veikiančių palydovų arba į žemesnes orbitas. Šis metodas yra nekontaktinis ir išvengia susidūrimo rizikos gaudymo metu.

Orbitos valymo misijų ir technologijų pavyzdžiai

Keletas misijų ir technologijų buvo sukurtos siekiant pademonstruoti AŠŠ galimybes:

• RemoveDEBRIS (Europos kosmoso agentūra): Ši misija pademonstravo keletą AŠŠ technologijų, įskaitant tinklą, harpūną ir stabdymo burę. Ji sėkmingai sugavo imituotą šiukšlę naudojant tinklą ir išskleidė stabdymo burę, kad pagreitintų savo pačios nuleidimą iš orbitos.
• ELSA-d (Astroscale): Ši misija pademonstravo gebėjimą sugauti ir nuleisti iš orbitos imituotą šiukšlę naudojant magnetinę susijungimo sistemą. Ją sudarė aptarnaujantis erdvėlaivis ir kliento erdvėlaivis, kuris atstovavo šiukšlę.
• ClearSpace-1 (Europos kosmoso agentūra): Ši misija, planuojama paleisti 2026 m., siekia sugauti ir nuleisti iš orbitos Vespa (Vega antrinio krovinio adapterio) viršutinę pakopą – šiukšlę, likusią orbitoje po Vega raketos paleidimo. Ji naudos robotinę ranką Vespos sugavimui.
• ADRAS-J (Astroscale): ADRAS-J misija skirta susitikti su esama didele šiukšle (Japonijos raketos viršutine pakopa), siekiant apibūdinti jos būklę ir judėjimą. Šie duomenys bus labai svarbūs planuojant ateities šalinimo misijas.
• e.Deorbit (Europos kosmoso agentūra - siūloma): Planuojama misija, skirta sugauti ir nuleisti iš orbitos didelį apleistą palydovą naudojant robotinę ranką. Misijos tikslas – pademonstruoti techninę galimybę pašalinti didelius, sudėtingus šiukšlių objektus.

Iššūkiai ir svarstymai

Nepaisant pažangos AŠŠ technologijų srityje, išlieka keletas iššūkių ir svarstymų:

Kaina

AŠŠ misijas yra brangu kurti ir vykdyti. Erdvėlaivio paleidimo ir sudėtingų manevrų orbitoje kaina gali būti didelė. Kuriant ekonomiškai efektyvius AŠŠ sprendimus, labai svarbu, kad šiukšlių šalinimas taptų ekonomiškai perspektyvus.

Technologijų plėtra

Daugelis AŠŠ technologijų vis dar yra ankstyvoje kūrimo stadijoje ir reikalauja tolesnių bandymų bei tobulinimo. Patikimų ir efektyvių sugavimo bei nuleidimo iš orbitos metodų sukūrimas yra būtinas AŠŠ misijų sėkmei.

Teisinė ir reguliavimo sistema

Teisinė ir reguliavimo sistema, skirta AŠŠ, vis dar vystosi. Kyla klausimų dėl atsakomybės už žalą, padarytą šalinant šiukšles, pašalintų šiukšlių nuosavybės ir galimybės AŠŠ technologijas naudoti puolimo tikslais. Tarptautinis bendradarbiavimas ir aiškių teisinių gairių nustatymas yra būtini siekiant užtikrinti atsakingą ir tvarią AŠŠ veiklą.

Taikinių parinkimas

Tinkamų šiukšlių objektų parinkimas yra labai svarbus siekiant maksimaliai padidinti AŠŠ pastangų efektyvumą. Būtina teikti pirmenybę didelių, didelės rizikos objektų, keliančių didžiausią grėsmę veikiantiems palydovams, šalinimui. Reikėtų atsižvelgti į tokius veiksnius kaip objekto dydis, masė, aukštis ir fragmentacijos potencialas.

Politiniai ir etiniai svarstymai

AŠŠ kelia politinius ir etinius svarstymus, pavyzdžiui, galimybę AŠŠ technologiją naudoti kariniais tikslais arba nesąžiningai nusitaikyti į kitų šalių palydovus. Tarptautinis skaidrumas ir bendradarbiavimas yra labai svarbūs sprendžiant šias problemas ir užtikrinant, kad AŠŠ būtų naudojamas visų labui.

Tarptautinės pastangos ir bendradarbiavimas

Pripažįstant pasaulinį kosminių šiukšlių problemos pobūdį, daugybė tarptautinių organizacijų ir iniciatyvų stengiasi spręsti šią problemą:

• Jungtinių Tautų Kosmoso taikaus naudojimo komitetas (UN COPUOS): Šis komitetas yra tarptautinio bendradarbiavimo forumas kosmoso klausimais, įskaitant kosminių šiukšlių mažinimą. Jis parengė kosminių šiukšlių mažinimo gaires, kurias plačiai taiko kosmoso valstybės.
• Taržinybinis kosminių šiukšlių koordinavimo komitetas (IADC): Šis komitetas yra kosmoso agentūrų forumas, kuriame keičiamasi informacija ir koordinuojama veikla, susijusi su kosminėmis šiukšlėmis. Jis rengia bendras gaires dėl kosminių šiukšlių mažinimo ir skatina AŠŠ technologijų tyrimus.
• Kosmoso tvarumo reitingas (SSR): Pasaulio ekonomikos forumo vadovaujama iniciatyva, skirta skatinti tvarią praktiką kosmose. SSR vertina kosminių misijų tvarumą atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip šiukšlių mažinimo priemonės ir susidūrimo vengimo galimybės.

Šios tarptautinės pastangos yra būtinos skatinant bendradarbiavimą, dalijantis geriausiomis praktikomis ir kuriant bendrus požiūrius į kosminių šiukšlių problemos sprendimą.

Orbitos valymo ateitis

Orbitos valymo ateitis greičiausiai apims technologijų pažangos, politikos pokyčių ir tarptautinio bendradarbiavimo derinį. Pagrindinės tendencijos ir pokyčiai, kuriuos verta stebėti, yra šie:

• AŠŠ technologijų pažanga: Tolesni tyrimai ir efektyvesnių bei ekonomiškesnių AŠŠ technologijų, tokių kaip robotinės rankos, tinklai ir lazerinė abliacija, kūrimas.
• Aptarnavimo orbitoje galimybių plėtra: Erdvėlaivių, galinčių atlikti aptarnavimą orbitoje, pavyzdžiui, degalų papildymą, remontą ir palydovų perkėlimą, kūrimas. Šios galimybės taip pat galėtų būti naudojamos šiukšlių šalinimui.
• Griežtesnių šiukšlių mažinimo priemonių įgyvendinimas: Griežtesnių šiukšlių mažinimo priemonių, įskaitant reikalavimus dėl palydovų nuleidimo iš orbitos pasibaigus eksploatavimo laikui ir pasyvavimo, priėmimas kosmoso valstybėse ir organizacijose.
• Didesnis kosminės situacijos stebėjimas: Pagerintas kosminių šiukšlių sekimas ir stebėjimas, siekiant geriau įvertinti susidūrimo riziką ir planuoti vengimo manevrus.
• Išsamios teisinės ir reguliavimo sistemos sukūrimas: Aiškių teisinių gairių, skirtų AŠŠ veiklai, kūrimas, sprendžiant tokius klausimus kaip atsakomybė, nuosavybė ir AŠŠ technologijų naudojimas kariniais tikslais.

Kosminių šiukšlių problemos sprendimas yra labai svarbus siekiant užtikrinti ilgalaikį kosminės veiklos tvarumą ir išsaugoti naudą, kurią kosmoso tyrinėjimai ir naudojimas teikia žmonijai. Investuodami į AŠŠ technologijas, įgyvendindami griežtesnes šiukšlių mažinimo priemones ir skatindami tarptautinį bendradarbiavimą, galime sukurti saugesnę ir tvaresnę kosmoso aplinką ateities kartoms.

Išvada

Kosminės šiukšlės yra auganti grėsmė mūsų kosmoso infrastruktūrai ir kosmoso tyrinėjimų ateičiai. Orbitos valymo technologijų kūrimas yra būtinas siekiant sušvelninti šią riziką. Nors išlieka didelių iššūkių, nuolatiniai tyrimai, tarptautinis bendradarbiavimas ir politikos pažanga teikia vilties dėl švaresnės ir saugesnės orbitos aplinkos. Vyriausybių, kosmoso agentūrų ir privačių bendrovių visame pasaulyje įsipareigojimas yra labai svarbus siekiant užtikrinti ilgalaikį kosminės veiklos tvarumą ir nuolatinę naudą, kurią kosmosas teikia žmonijai.