Kosmiskie atkritumi: Pieaugošais drauds un orbitālās attīrīšanas tehnoloģijas

Mūsu kosmosa izpēte un izmantošana ir devusi milzīgu labumu cilvēcei, sākot no globālām komunikācijām un navigācijas līdz laika prognozēšanai un zinātniskiem atklājumiem. Tomēr gadu desmitiem ilgas kosmosa aktivitātes ir radījušas arī pieaugošu problēmu: kosmiskos atkritumus, kas pazīstami arī kā orbitālās atlūzas vai kosmosa lūžņi. Šie atkritumi rada ievērojamus draudus funkcionējošiem satelītiem, nākotnes kosmosa misijām un kosmosa aktivitāšu ilgtspējai.

Kas ir kosmiskie atkritumi?

Kosmiskie atkritumi ietver visus nefunkcionālos, cilvēka radītos objektus, kas atrodas orbītā ap Zemi. Tie ietver:

• Nefunkcionējoši satelīti: Satelīti, kas sasnieguši savu ekspluatācijas laika beigas, bet palikuši orbītā.
• Raķešu korpusi: Raķešu augšējās pakāpes, kas nogādāja satelītus orbītā.
• Fragmentācijas atlūzas: Satelītu un raķešu daļas, kas sadalījušās sprādzienu, sadursmju vai nolietošanās dēļ.
• Ar misiju saistīti atkritumi: Objekti, kas atdalījušies satelīta izvēršanas vai misijas operāciju laikā, piemēram, lēcu vāciņi vai adapteru gredzeni.
• Sīkas atlūzas: Pat sīki objekti, piemēram, krāsas pārslas vai cietās raķešdegvielas dzinēju izdedži, var radīt ievērojamus bojājumus to lielā ātruma dēļ.

Amerikas Savienoto Valstu Kosmosa novērošanas tīkls (SSN) izseko objektus, kas ir lielāki par 10 cm zemajā Zemes orbītā (LEO) un lielāki par 1 metru ģeostacionārajā orbītā (GEO). Tomēr ir miljoniem mazāku atlūzu, kas ir pārāk mazas, lai tās izsekotu, bet joprojām rada draudus.

Kosmisko atkritumu radītie draudi

Kosmisko atkritumu radītie draudi ir daudzšķautņaini:

Sadursmes risks

Pat nelielas atlūzas var radīt ievērojamus bojājumus funkcionējošiem satelītiem, jo tās orbītā pārvietojas ar milzīgu ātrumu (parasti ap 7-8 km/s LEO). Sadursme pat ar nelielu objektu var sabojāt vai iznīcināt satelītu, izraisot vērtīgu pakalpojumu zaudēšanu un vēl vairāk atkritumu rašanos.

Piemērs: 2009. gadā nefunkcionējošs Krievijas satelīts Cosmos 2251 sadūrās ar funkcionējošu Iridium sakaru satelītu, radot tūkstošiem jaunu atlūzu.

Keslera sindroms

Keslera sindroms, ko ierosināja NASA zinātnieks Donalds Keslers, apraksta scenāriju, kurā objektu blīvums LEO ir tik augsts, ka sadursmes starp objektiem var izraisīt kaskādes efektu, radot vēl vairāk atlūzu un padarot kosmosa aktivitātes arvien bīstamākas un nepraktiskākas. Šis nekontrolējamais process varētu padarīt noteiktus orbitālos reģionus nelietojamus vairākām paaudzēm.

Paaugstinātas misiju izmaksas

Satelītu operatoriem ir jātērē resursi atkritumu izsekošanai, sadursmju novēršanas manevru veikšanai un satelītu stiprināšanai pret triecieniem. Šīs darbības palielina misiju izmaksas un sarežģītību.

Draudi cilvēku lidojumiem kosmosā

Kosmiskie atkritumi rada tiešus draudus cilvēku lidojumiem kosmosā, tostarp Starptautiskajai kosmosa stacijai (SKS). SKS ir aprīkota ar aizsargiem pret mazām atlūzām, bet lielāku objektu gadījumā stacijai ir jāveic izvairīšanās manevri.

Pašreizējais kosmisko atkritumu stāvoklis

Pēdējo desmitgažu laikā kosmisko atkritumu daudzums ir nepārtraukti pieaudzis. Saskaņā ar Eiropas Kosmosa aģentūras (EKA) datiem 2023. gadā ir:

• Apmēram 36 500 izsekotu objektu, kas lielāki par 10 cm.
• Aptuveni 1 miljons objektu izmērā no 1 cm līdz 10 cm.
• Vairāk nekā 130 miljoni objektu, kas mazāki par 1 cm.

Lielākā daļa atkritumu ir koncentrēta LEO, kas ir arī visintensīvāk izmantotais orbitālais reģions Zemes novērošanai, komunikācijai un zinātniskajai pētniecībai.

Orbitālās attīrīšanas tehnoloģijas: problēmas risināšana

Kosmisko atkritumu problēmas risināšanai nepieciešama daudzpusīga pieeja, tostarp atkritumu rašanās mazināšana, kosmosa situācijas apzināšanās (SSA) un aktīvā atkritumu savākšana (ADR). Atkritumu mazināšana koncentrējas uz jaunu atkritumu radīšanas novēršanu, savukārt SSA ietver esošo atkritumu izsekošanu un uzraudzību. ADR, uz ko koncentrējas šis bloga ieraksts, ietver aktīvu atkritumu savākšanu no orbītas.

ADR vajadzībām tiek izstrādātas un pārbaudītas daudzas inovatīvas tehnoloģijas. Šīs tehnoloģijas var plaši iedalīt šādās kategorijās:

Satveršanas metodes

Satveršanas metodes tiek izmantotas, lai fiziski satvertu vai noturētu atlūzu, pirms to var novadīt no orbītas vai pārvietot uz drošāku orbītu. Tiek pētītas vairākas pieejas:

• Robotizētās rokas: Tie ir daudzpusīgi instrumenti, ko var izmantot atlūzu satveršanai un manipulēšanai. Tie bieži ir aprīkoti ar specializētiem gala efektoriem (satvērējiem), lai droši noturētu dažāda veida objektus.
• Tīkli: Var izmantot lielus tīklus, lai notvertu atlūzu objektus, īpaši tos, kas kūleņo vai ir neregulāras formas. Pēc notveršanas tīklu un atlūzas kopā var novadīt no orbītas.
• Harpūnas: Harpūnas tiek izmantotas, lai caurdurtu un nostiprinātu atlūzu objektus. Šī metode ir piemērota cietu objektu notveršanai, bet var nebūt piemērota trausliem vai bojātiem priekšmetiem.
• Troses: Elektrodinamiskās troses var izmantot, lai, izmantojot Zemes magnētisko lauku, izvilktu atlūzas no orbītas. Tās ir efektīvas lielu objektu novadīšanai no orbītas, bet prasa rūpīgu kontroli.
• Putu vai aerogēla satveršana: Lipīgu putu vai aerogēla mākoņa izmantošana, lai apņemtu un notvertu atlūzas. Šī pieeja vēl ir agrīnā izstrādes stadijā.

Novadīšanas metodes no orbītas

Kad atlūza ir notverta, tā ir jānovada no orbītas, tas ir, jānogādā atpakaļ Zemes atmosfērā, kur tā sadegs. Novadīšanai no orbītas tiek izmantotas vairākas metodes:

• Tieša novadīšana no orbītas: Dzinēju izmantošana, lai tieši pazeminātu atlūzas orbītu, līdz tā atkal ieiet atmosfērā. Šī ir visvienkāršākā metode, bet prasa ievērojamu daudzumu degvielas.
• Atmosfēras pretestības palielināšana: Lielas pretestības buras vai balona izvēršana, lai palielinātu atlūzas virsmas laukumu, tādējādi palielinot atmosfēras pretestību un paātrinot tās atgriešanos atmosfērā.
• Elektrodinamiskās troses: Kā minēts iepriekš, troses var izmantot arī novadīšanai no orbītas, radot pretestības spēku mijiedarbībā ar Zemes magnētisko lauku.

Metodes bez satveršanas

Dažas ADR tehnoloģijas neietver fizisku atlūzu satveršanu. Šīs metodes piedāvā potenciālas priekšrocības vienkāršības un mērogojamības ziņā:

• Lāzera ablācija: Lieljaudas lāzeru izmantošana, lai iztvaicētu atlūzu virsmu, radot vilci, kas pakāpeniski pazemina to orbītu.
• Jonu kūļa gans: Jonu kūļa izmantošana, lai atgrūstu atlūzas no funkcionējošiem satelītiem vai uz zemākām orbītām. Šī metode ir bezkontakta un novērš sadursmes risku satveršanas laikā.

Orbitālās attīrīšanas misiju un tehnoloģiju piemēri

Ir izstrādātas vairākas misijas un tehnoloģijas, lai demonstrētu ADR iespējamību:

• RemoveDEBRIS (Eiropas Kosmosa aģentūra): Šī misija demonstrēja vairākas ADR tehnoloģijas, tostarp tīklu, harpūnu un pretestības buru. Tā veiksmīgi notvēra simulētu atlūzu, izmantojot tīklu, un izvietoja pretestības buru, lai paātrinātu savu novadīšanu no orbītas.
• ELSA-d (Astroscale): Šī misija demonstrēja spēju notvert un novadīt no orbītas simulētu atlūzu, izmantojot magnētisko dokstaciju. Tā ietvēra apkalpojošo kosmosa kuģi un klienta kosmosa kuģi, kas attēloja atlūzu.
• ClearSpace-1 (Eiropas Kosmosa aģentūra): Šīs misijas, ko plānots palaist 2026. gadā, mērķis ir notvert un novadīt no orbītas Vespa (Vega Secondary Payload Adapter) augšējo pakāpi, atlūzu, kas palikusi orbītā pēc Vega raķetes starta. Tā izmantos robotizētu roku, lai notvertu Vespa.
• ADRAS-J (Astroscale): ADRAS-J misija ir paredzēta, lai satiktos ar esošu lielu atlūzu (Japānas raķetes augšējo pakāpi), lai raksturotu tās stāvokli un kustību. Šie dati būs būtiski nākotnes savākšanas misiju plānošanai.
• e.Deorbit (Eiropas Kosmosa aģentūra - priekšlikums): Plānota misija, lai notvertu un novadītu no orbītas lielu pamestu satelītu, izmantojot robotizētu roku. Misijas mērķis ir demonstrēt tehnisko iespējamību savākt lielus, sarežģītus atlūzu objektus.

Izaicinājumi un apsvērumi

Neskatoties uz progresu ADR tehnoloģijā, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi un apsvērumi:

Izmaksas

ADR misijas ir dārgi izstrādāt un īstenot. Kosmosa kuģa palaišanas un sarežģītu manevru veikšanas izmaksas orbītā var būt ievērojamas. Izmaksu ziņā efektīvu ADR risinājumu izstrāde ir izšķiroša, lai atkritumu savākšana būtu ekonomiski pamatota.

Tehnoloģiju attīstība

Daudzas ADR tehnoloģijas joprojām ir agrīnā izstrādes stadijā un prasa turpmāku testēšanu un pilnveidošanu. Uzticamu un efektīvu satveršanas un novadīšanas metožu izstrāde ir būtiska ADR misiju panākumiem.

Juridiskais un normatīvais regulējums

Juridiskais un normatīvais regulējums ADR jomā joprojām attīstās. Pastāv jautājumi par atbildību par bojājumiem, kas radušies atkritumu savākšanas laikā, par savākto atkritumu īpašumtiesībām un par ADR tehnoloģijas iespējamo izmantošanu uzbrukuma mērķiem. Starptautiskā sadarbība un skaidru juridisko vadlīniju izveide ir nepieciešama, lai nodrošinātu atbildīgas un ilgtspējīgas ADR darbības.

Mērķa izvēle

Pareizo atlūzu objektu izvēle savākšanai ir kritiski svarīga, lai maksimāli palielinātu ADR pasākumu efektivitāti. Prioritāte ir jāpiešķir lielu, augsta riska objektu savākšanai, kas rada vislielākos draudus funkcionējošiem satelītiem. Jāņem vērā tādi faktori kā objekta izmērs, masa, augstums un fragmentācijas potenciāls.

Politiskie un ētiskie apsvērumi

ADR rada politiskus un ētiskus apsvērumus, piemēram, iespēju, ka ADR tehnoloģija var tikt izmantota militāriem mērķiem vai lai negodīgi vērstos pret citu valstu satelītiem. Starptautiskā caurskatāmība un sadarbība ir izšķirošas, lai risinātu šīs bažas un nodrošinātu, ka ADR tiek izmantota visu labā.

Starptautiskie centieni un sadarbība

Atzīstot kosmisko atkritumu problēmas globālo raksturu, daudzas starptautiskas organizācijas un iniciatīvas strādā, lai risinātu šo jautājumu:

• Apvienoto Nāciju Organizācijas Kosmosa miermīlīgas izmantošanas komiteja (UN COPUOS): Šī komiteja nodrošina forumu starptautiskai sadarbībai ar kosmosu saistītos jautājumos, tostarp kosmisko atkritumu mazināšanā. Tā ir izstrādājusi vadlīnijas kosmisko atkritumu mazināšanai, kuras plaši pieņem kosmosa valstis.
• Starpaģentūru Kosmisko atkritumu koordinācijas komiteja (IADC): Šī komiteja ir forums kosmosa aģentūrām, lai apmainītos ar informāciju un koordinētu darbības saistībā ar kosmiskajiem atkritumiem. Tā izstrādā vienprātīgas vadlīnijas kosmisko atkritumu mazināšanai un veicina pētniecību ADR tehnoloģiju jomā.
• Kosmosa ilgtspējas reitings (SSR): Pasaules Ekonomikas foruma vadīta iniciatīva, lai veicinātu ilgtspējīgu praksi kosmosā. SSR novērtē kosmosa misiju ilgtspēju, pamatojoties uz tādiem faktoriem kā atkritumu mazināšanas pasākumi un sadursmju novēršanas spējas.

Šie starptautiskie centieni ir būtiski, lai veicinātu sadarbību, dalītos ar labāko praksi un izstrādātu kopīgas pieejas kosmisko atkritumu problēmas risināšanai.

Orbitālās attīrīšanas nākotne

Orbitālās attīrīšanas nākotne, visticamāk, ietvers tehnoloģisko sasniegumu, politikas izmaiņu un starptautiskās sadarbības kombināciju. Galvenās tendences un notikumi, kam sekot līdzi, ietver:

• Sasniegumi ADR tehnoloģijā: Turpināta pētniecība un efektīvāku un izmaksu ziņā lētāku ADR tehnoloģiju, piemēram, robotizēto roku, tīklu un lāzera ablācijas, izstrāde.
• Apkalpošanas spēju attīstība orbītā: Tādu kosmosa kuģu izstrāde, kas var veikt apkalpošanu orbītā, piemēram, degvielas uzpildi, remontu un satelītu pārvietošanu. Šīs spējas varētu izmantot arī atkritumu savākšanai.
• Stingrāku atkritumu mazināšanas pasākumu ieviešana: Stingrāku atkritumu mazināšanas pasākumu pieņemšana no kosmosa valstu un organizāciju puses, tostarp prasības par ekspluatācijas laika beigu novadīšanu no orbītas un satelītu pasivēšanu.
• Paaugstināta kosmosa situācijas apzināšanās: Uzlabota kosmisko atkritumu izsekošana un uzraudzība, lai labāk novērtētu sadursmju riskus un plānotu izvairīšanās manevrus.
• Visaptveroša juridiskā un normatīvā regulējuma izveide: Skaidru juridisko vadlīniju izstrāde ADR darbībām, risinot tādus jautājumus kā atbildība, īpašumtiesības un ADR tehnoloģijas izmantošana militāriem mērķiem.

Kosmisko atkritumu problēmas risināšana ir izšķiroša, lai nodrošinātu kosmosa darbību ilgtspēju un saglabātu labumus, ko kosmosa izpēte un izmantošana sniedz cilvēcei. Ieguldot ADR tehnoloģijā, ieviešot stingrākus atkritumu mazināšanas pasākumus un veicinot starptautisko sadarbību, mēs varam radīt drošāku un ilgtspējīgāku kosmosa vidi nākamajām paaudzēm.

Noslēgums

Kosmiskie atkritumi ir pieaugošs drauds mūsu kosmosa infrastruktūrai un kosmosa izpētes nākotnei. Orbitālās attīrīšanas tehnoloģiju izstrāde ir būtiska šī riska mazināšanai. Lai gan joprojām pastāv ievērojami izaicinājumi, notiekošā pētniecība, starptautiskā sadarbība un politikas uzlabojumi dod cerību uz tīrāku un drošāku orbitālo vidi. Valdību, kosmosa aģentūru un privāto uzņēmumu apņemšanās visā pasaulē ir izšķiroša, lai nodrošinātu kosmosa darbību ilgtspēju un nepārtrauktos labumus, ko kosmoss sniedz cilvēcei.