SVEMIRSKI OTPAD
Dr Vladica Božić
Ugrožena Zemlja
Čišćenje vasione, iznad svega
U svemiru se, uglavnom u Zemljinoj orbiti, pored satelita i drugih letelica nalaze brojni objekti koje je ostavio čovek - a više nemaju korisnu funkciju pa predstavljaju svemirski otpad (eng. space debris). Svi objekti, uključujući i najmanje fragmente, zbog velike brzine kretanja predstavljaju opasnost za aktivne svemirske letelice jer ihmogu oštetiti pri sudaru i na taj način ugroziti njihov rad.Zbog složenosti i dinamike kretanja ovog otpada, mnoge države i zajednice, kao što su SAD, Evropska unija, Rusija i Kina, razvile su sopstvene sisteme praćenje situacije u svemiru (Space Situational Awareness - SSA).
Umetnički prikaz svemirskog otpada |
Svest o situaciji u svemiru je sveobuhvatan sistem znanja koji uključuje identifikaciju, karakterizaciju i praćenje prirodnih i veštačkih objekata u svemiru sa posebnim naglaskom na objekte u orbiti Zemlje, kako bi se izbegle potencijalne pretnje i osigurala bezbednost aktivnih satelita, misija i infrastrukture. Ovaj sistem obuhvata korišćenje zemaljskih radara i teleskopa za kontinuirano praćenje satelita i svemirskog otpada u orbiti, analizu putanje objekata radi identifikacije potencijalno opasnih približavanja i izbegavanja sudara, predviđanje kada i gde će svemirski otpad ponovo ući u Zemljinu atmosferu ali i praćenje asteroida i kometa koji predstavljaju prirodnu opasnost za Zemlju. Iako SSA podaci omogućavaju operaterima satelita da preduzmu manevre za izbegavanje i očuvanje funkcionisanja GPS navigacije, telekomunikacije i meteoroloških usluga, taj otpad predstavlja stalnu opasnost za svemirsku ekonomiju.
Zbog toga je uklanjanje svemirskog otpada (space debris removal ili space debris mitigation/removal) danas jedno od najvažnijih tehničkih i bezbednosnih pitanja u oblasti svemirskih tehnologija. Pošto problem svemirskog otpada ne može rešiti jedna zemlja jer se radi o zajedničkom prostoru, naučnici i inženjeri širom sveta razvijaju različite metode za čišćenje svemira od otpada.
Umetnički prikaz sagorevanja satelita posle ulaska u Zemljinu atmosferu |
Kako se čovečanstvo bori
Prema načinu uklanjanja svemirskog otpada, postoje pasivne i aktivne metode. Najjednostavniji način da se smanji problem svemirskog otpada je da se on više ne stvara, pa pasivne mere sprečavaju nastanak novog otpada (prevencija) dok aktivne mere čine tehnike koje omogućavaju čišćenje postojećeg otpada. Pasivne mere se mogu primeniti na nove satelite koji bi morali imati ugrađene sisteme za kontrolisano deorbitiranje, što znači da se, nakon završetka misije, pomoću njih spuštaju u nižu Zemljinu orbitu sa gušćom atmosferom, gde ih otpor vremenom usporava i dovodi do njihovog sagorevanja i uništavanja. Pomeranje satelita se može postići korišćenjem sledećih tehničkih rešenja: deorbitirajući sistemi, sistemi za propulzivno samouništavanje, konstrukcije za deorbitaciju i projektovanje putanje satelita.
ADEO jedro |
Deorbitirajući sistemi čine uređaji ugrađeni na satelitima kao što su mreže, baloni koji se naduvaju ili jedra koja se otvaraju. Ovi uređaji se aktiviraju na kraju misije i povećavaju površinu satelita, a to istovremeno povećava i njegov otpor. To usporava njegovo kretanje, čime se ubrzava pad satelita u atmosferu gde sagori, često skraćujući spuštanje sa nekoliko desetina na samo nekoliko godina. Postoje i magnetni sistemi (dugački provodni kablovi) koji koriste Zemljino magnetno polje za stvaranje otpora (Lorencova sila) ili jonosferski plazma sistemi koji usporavaju kretanja svemirskih letelica i spuštaju ih u nižu orbitu. Кrajem decembra 2022. godine, Evropska svemirska agencija (European Space Agency-ESA) je uspešno izvela demonstraciju satelitskog deorbitera zasnovanog na jedrima (membrane premazane aluminijumom koje se rasklapaju i povećavaju površinu satelita) ADEO, što ga čini idealnim za uklanjanje malih satelita (CubeSat) koji nemaju sopstveni pogon. I Kina je 2021. godine testirala sistem sa vučnim jedrima postavljanim na satelit kako bi povećala njegov otpor nakon završetka misije.
Umetnički prikaz magnetne trake za usporavanje kretanja satelita |
Sistemi za propulzivno samouništavanječine mali pogonski uređaji (deorbitirajući motori) koji nakon završetka misije vraćaju satelit u atmosferu. U ovo spadaju i stepeni raketa ili sateliti sa dovoljno goriva koji mogu napraviti direktnu, kontrolisanu deorbitu u atmosferu. Ovo je urađeno sa francuskim satelitom Spot-1 lansiranim 1986. godine, čija je polarna orbita na visini od 830 km smanjena na oko 550 km, 2003. godine, pa je on postepeno gubio visinu i konačno pao na Zemlju.
Konstrukcije za deorbitaciju predviđaju korišćenje materijala za izradu satelita koji brzo sagore pri ulasku u atmosferu, kao što su drvene komponente umesto metalnih. To omogućava smanjenje količine metala koji ostaje da lebdi u svemiru i zagađuje ga.
Projektovanje putanje satelita omogućava da se on, u početku, lansira u eliptičnu geocentričnu orbitu sa niskim perigejem (unutar Zemljine atmosphere), čime se obezbeđuje brzo orbitalno raspadanje, jer će sateliti biti uništeni po ponovnom ulasku u atmosferu. Kod geostacionarnih satelita to se izvodi pomeranjem u „orbitu skladištenja” na kraju svog životnog veka, tj. u jednu od četiri izabrane orbitalne oblasti.
Promena putanje satelita posle aktiviranja deorbitirajućeg motora |
Harpunom i “rukama”
Mnogo veći problem je kako ukloniti svemirski otpad koji već postoji jer takva tehnička rešenja moraju da prevaziđu ogromne izazove: objekte koji se kreću brzinama i do 28.000 km/h, pri čemu često nekontrolisano rotiraju i nemaju tačke za standardno pristajanje. Za to se koriste aktivne metode čišćenja svemirskog otpada kao što su: hvatanje mrežom, harpunsko hvatanje, lasersko uklanjanje, magnetno hvatanje i jonski ili plazma sistemi.
Metoda hvatanja pomoću mreže je idealna za uklanjanje objekata u svemiru koji su nepravilnog oblika ili se brzo okreću, jer ne zahteva precizno „fizičko” spajanje. Servisna letelica ispaljuje mrežu opremljenu tegovima na krajevima koji pomažu da se mreža obmota oko mete, odnosno otpada koji se uklanja. Kada mreža obuhvati taj objekat, aktivira se sistem namotavanja užeta koji steže obod mreže kako bi se osiguralo da objekat ne ispadne.
Harpunsko hvatanje se koristi za uklanjanje većih objekata u svemiru tako što se servisna letelica približi meti u orbiti i izbacuje harpun velikom brzinom. Harpun probija i hvata objekat a zatim ga, pomoću sistema kablova i potisnika, usporava i usmerava na sagorevanje u Zemljinoj atmosferi. Iako je harpun izuzetno precizan i efikasan za hvatanje otpada koji se nekontrolisano okreće ( detumbling) ili kreće orbitom, nedostatak je što se udarcem stvara kinetička energija koja može da promeni ugaonu brzinu otpada.
Hvatanje otpada pomoću mreže |
Sistem robotskih ruku koristi fizički zahvat pomoću nekog mehanizma kako bi uhvatio otpad (kao što su neispravni sateliti ili stepeni raketa) koji se posle toga deorbitira. Mehanizmi koji se postavljaju na servisne satelite-lovce mogu biti meke robotske hvataljke, višekrake mehaničke kandže ili sistemi sa dve ruke. Sistem koristi vizuelnu navigaciju zasnovanu na veštačkoj inteligenciji i radare kako bi se brzina servisne letelice savršeno uskladila sa rotacijom otpada pre nego što ga uhvati. Posle toga servisna letelica koristi neki od ovih mehanizama tako što ih prvo postavi oko objekta bez dodirivanja, a zatim sklapa i čvrsto stežu metu.
Model deorbitirajućeg sistema sa 3 meke robotske ruke |
Magnetno hvatanje je efikasan sistem za uklanjanje satelita ili delova koji imaju feromagnetne materijale (najčešće u niskoj orbiti), koji omogućava „vuču” svemirskog otpada pomoću elektromagnetnih sila. Servisni satelit koristi snažne magnete koji privlače čelične delove na objektu koji se uklanja. Ova tehnika je omogućila „meko” višestruko privlačenje i otpuštanje delove tokom testiranja, ali je neupotrebljiva za aluminijumske ili plastične delove bez čeličnih dodataka.
Metoda laserskog uklanjanja koristi zemaljski ili orbitalni visokoenergetski laser za smanjenje orbitalne brzine i putanje manjih svemirskih fragmenata. Oni mogu usmeriti energiju na površinu otpada i izazvati ablaciju - pretvaranje tankog sloja materijala u plazmu. Ovaj mlaz plazme deluje kao mali raketni motor koji stvara potisak koji uspori deo i pomeri u niže orbite da konačno izgori u atmosferi. Iako je ovaj metod pogodan jer deluje sa distance i ne zahteva fizički kontakt, postoji mogućnost degradacije materijala što može da stvori dodatne krhotine. Laseri se takođu mogu koristiti i za precizno gađanje ivica rotirajućeg svemirskog objekta kako bi se zaustavilo njegovo nekontrolisano okretanje pre robotskog hvatanja.
Deorbitirajući sistem sa 2 ruke |
Jonski ili plazma sistem se zasniva na korišćenju mlazeve jona ili plazme koji potiskuju otpad iz orbite u Zemljinu atmosferu u kojoj sagoreva. Sistem predviđa korišćenje svemirske letelice opremljene jonskim motorom, koji bi usmerio visoko kolimisani snop jona (plazmu) ka svemirskom otpadu. Prenošenjem momenta sa jona na otpad menja se putanja objekta i on se gura ka atmosferi ili „orbiti skladištenja”. Proces bi se izvodio sa bezbedne udaljenosti od nekoliko metara čime se eliminiše rizik od sudara sa objektima koji se nekontrolisano okreću jer nema fizičkog kontakta.
Umetnički prikaz orbitalnog lasera za uklanjanje svemiskog otpada |
Zanimljiva ideja je da se otpad u svemiru ne mora uništiti već reciklirati. Neke kompanije predlažu da se stari sateliti prikupljaju i njihovi materijali ponovo koriste za topljenje i pretvaranje u žicu, lim i metalno gorivo ili 3D štampanje delova direktno u svemiru. Na taj način, buduće orbitalne stanice ili solarne elektrane mogle bi se graditi od već postojećeg materijala. Drugi koncept je orbitalni servisni satelit - „kosmički mehaničar” koji bi mogao da popravi, dopuni gorivom ili bezbedno spusti stare satelite. Time bi se njihov rad produžio, a broj novih lansiranja smanjio.
Umetnički prikaz kako je trebalo da izgleda kabl posle razmotavanja saletelice Кounotori 6 |
Primeri misija
Misije za uklanjanje otpada u svemiru postaju ključne za održavanje bezbedne orbite oko Zemlje, s obzirom na to da oko nje sada kruži preko 13.000 tona krhotina. Projekti Aktivnog uklanjanje otpada (Active Debris Removal-ADR) podrazumevaju slanje svemirskih letelica koje će „uhvatiti” stari satelit ili deo rakete i povući ga u atmosferu da izgori. Evo pregleda realizovanih ili planiranih projekata i korišćenih metoda:
- Magnetno hvatanje je pokušala da testira Japanska agencija za istraživanje svemira (JAXA), kada je u decembru 2016. zemlja pomoću letelice Kounotori 6 na Međunarodnu svemirsku stanicu (ISS) pored redovnih zaliha poslala i elektrodinamički sakupljač svemirskog otpada. To je bio provodni kabl ukupne dužine 700 m sa masom od 20 kg na kraju, koji je trebalo da se razmota i da se električni potencijal nastao kretanjem kroz magnetno polje Zemlje koristi za uklanjanje svemirskog otpada iz niske Zemljine orbite. Međutim, eksperiment nije uspeo jer se kabl nije razmotao pre nego što je letelica izgorela u Zemljinoj atmosferi, početkom 2017. godine.
Lansiranje harpuna za hvatanje ploče-mete na satelitu RemoveDEBRIS |
- Metoda hvatanja pomoću mreže, harpunski sistem i jedro kao deorbitirajući sistem su uspešno testirani u ESA misiji RemoveDEBRIS u septembru 2018. godine. Ekperimentalni satelit raspoređen na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) uspešno je lansirao mrežu dužine 5 m kojom je uhvatio simulirani komad otpada, a zatim ga poslao u Zemljinu atmosferu da sagori. U okviru misije je testiran i harpunski sistem, tako što je harpun povezan užetom sa satelitom uspešno ispaljen na ploču pričvršćenu za sam satelit koja je služila kao meta radi njenog hvatanja. Na kraju misije, korišćeno je jedro koje je povećalo otpor i omogućilo ubrzavanje ulaska satelita u atmosferu, gde je izgoreo, čime je dokazano da se ni sam satelit neće pretvoriti u otpad.
Umetnički iprikaz kako ClearSpace-1 treba da uhvati satelit pomoću 4 robotske ruke |
- ESA od 2018. godine razvija misiju ClearSpace-1 čiji je cilj da fizički uhvati i ukloni konkretni komad otpada iz orbite, satelit Proba-1 mase 94 kg koji je lansiran još 2001. godine. Servisna letelica u misiji ClearSpace-1 će koristiti četiri robotske ruke koje treba da se prvo postave oko otpada bez dodirivanja, kreirajući svojevrsni kavez. Kada je objekat unutar „kaveza”, ruke se sinhronizovano sklapaju i čvrsto ga stežu. Nakon hvatanja, spojene letelice će izvršiti kontrolisani povratak u Zemljinu atmosferu, gde će obe zajedno sagoreti. Iako je prvobitno planirano ranije, lansiranje je predviđeno za 2029. godinu.
Izgled satelita ELSA-d, servisnog i manjeg koji je predstavljao otpad |
- Japanska privatna kompanija Astroscale razvija sopstvene projekte za uklanjanje orbitalnog otpada. Pionirski projekat bio je ELSA-d (skraćenica od eng. End-of-Life Service by Astroscale-demonstration) iz 2021. godine, koji je pokazao tehnologije potrebne za bezbedno pronalaženje, hvatanje i uklanjanje nefunkcionalnih satelita i drugog otpada iz Zemljine orbite. Misija se sastojala od dva zajedno lansirana satelita: servisnog koji je bio težak oko 175 kg, opremljen naprednim navigacionim senzorima i magnetnim mehanizmom za hvatanje i manjeg satelita teškog 17 kg koji je predstavljao svemirski otpad. Sateliti su izvodili seriju manevara, gde se servisni odvajao od manjeg da bi ga uz pomoć magnetnog sistema uspešno pronalazio i hvatao. Time je dokazana sposobnost sistema za uklanjanja otpada koji se nekontrolisano kreće ili rotira u orbiti i njegovog kontrolisanog spuštanje, što je ključno za čišćenje orbite.
Umetnički prikaz prilaska satelita ADRAS-J svemirskom otpada |
Drugi uspešan projekat ove kompanije bio je ADRAS-J iz 2024. godine, u kome je letelica uspešno prišla i snimila neaktivni objekat u orbiti kao prvi korak ka njegovom hvatanju, čime je demonstriran bliski prilaz takvom objektu. Druga faza ove misije je letelica ADRAS-J2 koja će biti opremljena robotskim rukama koje će otpad fizički uhvatiti i bezbedno deorbitirati (usmeriti ga ka Zemljinoj atmosferi gde će izgoreti). Astroscale planira da započne operacije prikupljanja otpada do marta 2029. godine, što bi predstavljalo značajan korak ka uspostavljanju komercijalnog tržište za uklanjanje svemirskog otpada u orbiti.
Snimci kruženja satelita ADRAS-Jokosvemirskog otpada |
Dr Vladica Božić
Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"
|
