Na syberyjskim półwyspie Tajmyr zbliżała się północ, kiedy na wysokości 789 kilometrów doszło do katastrofy na niespotykaną dotychczas skalę. Był wtorek, 10 lutego 2009 roku. Tor ruchu amerykańskiego satelity komunikacyjnego Iridium 33 przeciął się wówczas z torem ruchu nieczynnego rosyjskiego satelity Kosmos 2251. Rezultatem było zderzenie, które w ułamku sekundy doprowadziło do zniszczenia obydwu satelitów. Przeprowadzone w następnych dniach analizy pokazały, iż energia kinetyczna satelity uczestniczącego w tym orbitalnym zderzeniu była olbrzymia: 30 tysięcy razy większa, niż energia kinetyczna samochodu jadącego z prędkością 100 km/h i zderzającego się czołowo z innym samochodem jadącym z taką samą prędkością. Jeśli kogoś dziwi tak wielka różnica, to warto przypomnieć sobie, że energia kinetyczna zależy od kwadratu prędkości, a prędkość względna tych dwóch satelitów w chwili zderzenia wynosiła aż 42 tys. km/h. Efekty zderzenia? Ponad tysiąc odłamków o wielkości powyżej 10 cm, ponad 150 tys. mniejszych. Dziesiątki tysięcy tych odłamków pozostały na orbicie do dnia dzisiejszego.

Przywykliśmy do tego, że zderzenia samochodów czasem się zdarzają. Można się spodziewać, że satelity też co jakiś czas będą się zderzały, ale co nas to właściwie obchodzi? Czy takie wypadki mają jakiekolwiek znaczenie dla naszego życia? Dokładnie tego samego dnia, kiedy Iridium 33 i Kosmos 2251 zderzyły się nad Syberią, zajęty byłem zupełnie innymi sprawami. Właśnie odebrałem wiadomość z Europejskiej Agencji Kosmicznej: studencki eksperyment SCOPE, w którym uczestniczyłem, będąc wówczas na ostatnim roku studiów na Politechnice Warszawskiej, został zakwalifikowany do realizacji podczas lotu na balonie stratosferycznym w ramach programu BEXUS. Moja przygoda z nauką właśnie się zaczynała. Trzy tygodnie później rozpocząłem pracę w Centrum Badań Kosmicznych PAN. Wówczas nie wiedziałem jeszcze, że moja praca związana będzie z technologiami potrzebnymi do zapobiegania kolizjom satelitów. Zanim jednak zastanowimy się nad tym, jak uniknąć podobnych kolizji, przyjrzyjmy się najpierw bliżej konsekwencjom orbitalnych zderzeń.

Syndrom Kesslera

Obecnie wokół Ziemi krąży niemal 1500 aktywnych satelitów (w grudniu 2016 roku było ich dokładnie 1459). Satelity realizują bardzo różne zadania: badawcze (np. astronomiczne), teledetekcyjne, szpiegowskie oraz komunikacyjne. Te ostatnie realizuje aż 38% satelitów umieszczonych na niskiej orbicie wokółziemskiej, a zatem poruszających się na wysokości poniżej 2000 km. Wydaje się, iż utrata jednego satelity, nawet takiego, który dostarcza istotne usługi, to dla końcowych odbiorców tych usług tylko chwilowy kłopot. Inne satelity przejmą rolę tego, który został zniszczony, a za kilka lat umieści się na orbicie nowego. Jaka jest zresztą szansa na to, że dwa satelity zderzą się ze sobą? Jednak na orbicie wokółziemskiej, oprócz obecnie używanych satelitów, znajdują się również kosmiczne śmieci. To obiekty umieszczone na orbicie przez człowieka, ale niewykonujące już żadnych funkcji. Do śmieci kosmicznych zaliczamy nieaktywne satelity, ostatnie stopnie rakiet nośnych, które też pozostały na orbicie, a także fragmenty satelitów powstałe w efekcie kolizji takich jak ta, która wydarzyła się nad półwyspem Tajmyr. Ile śmieci kosmicznych krąży nad naszymi głowami? Dużo. Obecnie skatalogowanych jest około 29 tys. obiektów o rozmiarach większych od 10 cm. Ocenia się także, że krąży nad nami około 670 tys. obiektów o rozmiarach w przedziale 1 cm – 10 cm oraz około 170 milionów obiektów o mniejszych rozmiarach (tak, to nie pomyłka – mowa jest o 170 milionach!). Ze względu na olbrzymie prędkości nawet zderzenie z obiektem o niewielkich rozmiarach może się zakończyć całkowitym zniszczeniem satelity.

Aby zrozumieć, jakie mogą być długofalowe skutki problemu śmieci kosmicznych, przenieśmy się na chwilę do roku 1978, w którym ich liczba na niskiej orbicie wokółziemskiej była ponad trzykrotnie mniejsza niż dzisiaj. Był to rok obfitujący w wiele ważnych zdarzeń: Karol Wojtyła został wybrany na papieża, inny Polak, Mirosław Hermaszewski, poleciał w kosmos, a radziecki satelita Kosmos 954 spadł z orbity w niekontrolowany sposób, rozsypując swoje radioaktywne szczątki nad północnym terytorium Kanady (na pokładzie tego satelity znajdował się reaktor jądrowy). Dla naszych rozważań istotne jest to, iż w 1978 roku Donald J. Kessler, naukowiec pracujący dla NASA, szukał odpowiedzi na pytanie, do czego może doprowadzić wzrost liczby obiektów znajdujących się na orbicie wokółziemskiej. Kessler doszedł do wniosku (popartego solidną analizą), że jeśli gęstość obiektów na niskiej orbicie wokółziemskiej będzie odpowiednio wysoka, to kolizje między tymi obiektami mogą wywołać efekt kaskadowy. Odłamki powstałe z jednej kolizji znacząco zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia następnej. Kolejne kolizje będą następowały coraz częściej. W rezultacie orbity charakteryzujące się największą gęstością kosmicznych śmieci mogą się stać zupełnie nieużyteczne, ponieważ ryzyko kolizji będzie na nich zbyt duże. Dostęp do pewnych usług satelitarnych może zostać odcięty. Wizja kaskady kolizji wydaje się naprawdę przerażająca. Jak taki scenariusz mógłby wyglądać, mogliśmy się przekonać, oglądając film Grawitacja w reżyserii Alfonso Cuaróna. Warto przypomnieć sobie przerażenie w oczach Sandry Bullock, kiedy grana przez nią astronautka na własnej skórze doświadczyła skutków kaskady kolizji.

Czas zacząć sprzątać

Co można zrobić? Przede wszystkim każdy satelita po zakończeniu misji powinien być usunięty z orbity: po upływie zaplanowanego czasu misji należy wykorzystać rezerwę paliwa do uruchomienia silników hamujących. Wiele państw wprowadziło już przepisy, które to nakazują. Satelity czasem jednak ulegają niespodziewanym awariom, więc w niektórych przypadkach takiego kontrolowanego usunięcia z orbity na pewno nie uda się przeprowadzić. Powiedzmy zatem, że od dzisiaj nie wyślemy już żadnego nowego satelity na orbitę. Czy wówczas uda się uniknąć scenariusza przedstawionego przez Donalda Kesslera? Symulacje numeryczne pokazują, że nie. Gęstość śmieci kosmicznych na niektórych orbitach jest już zbyt duża. Oczywiście wydarzenia nie potoczą się tak szybko, jak w filmie Grawitacja, ale wszystko wskazuje na to, że liczba obiektów na niskiej orbicie będzie w najbliższych latach rosła samoczynnie na skutek występujących coraz częściej zderzeń. Z analiz wynika, że aby zapobiec takiemu rozwojowi wydarzeń, konieczne jest usunięcie z orbity dużych obiektów, które już tam się znajdują. Mówiąc wprost – musimy posprzątać orbitę.

Nad tym, jak usunąć z orbity obiekt, nad którym nie mamy żadnej kontroli, inżynierowie i naukowcy zastanawiają się od wielu lat. Wizje wielkiego kosmicznego odkurzacza możemy jednak włożyć między bajki. Wydaje się, że do sprzątania orbity wykorzystane zostaną małe bezzałogowe satelity. Po umieszczeniu na orbicie satelita taki miałby za zadanie połączyć się z wybranym śmieciem kosmicznym, a następnie, dzięki użyciu silników hamujących, miałby doprowadzić do obniżenia orbity. W rezultacie satelita oraz przechwycony przez niego obiekt uległyby spaleniu w atmosferze. Taka operacja byłaby przeprowadzana nad obszarem niezamieszkałym, aby uniknąć ryzyka, że fragmenty satelity, które ewentualnie przetrwają wejście w atmosferę, spowodują straty na Ziemi. Tutaj dochodzimy do drugiego problemu: śmieci kosmiczne nie tylko zagrażają aktywnym satelitom, lecz stanowią także zagrożenie dla ludzi. Oczywiście ryzyko śmierci w wyniku uderzenia w głowę fragmentem kosmicznego śmiecia jest, przynajmniej na razie, wielokrotnie mniejsze od szansy trafienia szóstki w lotto. Niekontrolowane wejścia kosmicznych śmieci w atmosferę Ziemi mogą jednak spowodować realne straty finansowe: za sprzątanie radioaktywnych pozostałości po satelicie Kosmos 954 Związek Radziecki musiał zapłacić 3 miliony dolarów kanadyjskich.

Jak złapać kosmiczne śmieci?

Przechwycenie niekontrolowanego obiektu przez bezzałogowego satelitę nie jest zadaniem łatwym. Rozważane są różne możliwości: śmieć kosmiczny mógłby zostać złapany w sieć wystrzeliwaną z satelity przechwytującego lub mógłby zostać uchwycony za pomocą manipulatora, czyli ramienia robotycznego wyposażonego w chwytak. W Centrum Badań Kosmicznych PAN zbudowaliśmy prototyp takiego ramienia, a ja zajmuję się opracowywaniem odpowiedniego układu sterowania. Sterowanie manipulatorem umieszczonym na satelicie różni się znacząco od sterowania manipulatorem stojącym w hali fabrycznej i służącym na przykład do montażu samochodów. Podstawowym problemem jest to, że okrążające Ziemię satelity znajdują się w stanie mikrograwitacji. Ruch manipulatora umieszczonego na satelicie wpływa na pozycję i orientację tego satelity, ponieważ satelita nie ma żadnego podparcia. Zakłócenia wywołane ruchem manipulatora mogą być na tyle duże, że ich kompensowanie przez układ sterowania satelity będzie niemożliwe. Drugim problemem jest brak dokładnych informacji o stanie przechwytywanego obiektu, który może się obracać. Kolejny problem stanowi zagadnienie kontaktu: uderzenie chwytakiem może spowodować oddalenie się przechwytywanego obiektu. Ponadto, ze względu na krótki czas trwania manewru przechwycenia, satelita przechwytujący musi działać autonomicznie, tzn. układ sterownia musi pozwolić na realizację manewru bez udziału operatora znajdującego się na Ziemi.

W ramach prac nad rozprawą doktorską zaproponowałem innowacyjny układ sterowania do manipulatora umieszczonego na satelicie. W układzie tym zastosowałem sterowanie predykcyjne, które wykorzystuje dokładny model matematyczny układu satelita-manipulator, aby przewidywać jego zachowanie w odpowiedzi na sygnały sterujące. Zaproponowałem także metodę optymalnego planowania trajektorii manipulatora, która może posłużyć do zminimalizowania wpływu ruchu manipulatora na zmiany pozycji i orientacji satelity. Moje prace miały nie tylko charakter teoretyczny. Poprawność przyjętego podejścia do planowania trajektorii miałem okazję zweryfikować nie tylko za pomocą symulacji numerycznych, lecz także podczas eksperymentów przeprowadzonych na stanowisku testowym wykorzystującym płaskie łożyska powietrzne do symulowania warunków mikrograwitacji.

Misja e.Deorbit

Europejska Agencja Kosmiczna przygotowuje obecnie misję kosmiczną, która ma zademonstrować możliwość usunięcia z orbity kosmicznego śmiecia. Misja ta, o nazwie e.Deorbit, będzie miała na celu przechwycenie z użyciem manipulatora, a następnie usunięcie z orbity satelity Envisat. To satelita o masie ponad 8 ton, który służył do obserwacji Ziemi. Przestał działać w 2012 roku i stał się wówczas jednym z największym kosmicznych śmieci. Ocenia się, że Envisat samoczynnie spadnie z orbity dopiero za 180 lat, zaś ryzyko, że w tym czasie zostanie rozbity na setki tysięcy kawałków na skutek kolizji z innym śmieciem kosmicznym wynosi aż 18%. Przy czym nawet jeżeli Envisat nie zostanie zniszczony na orbicie, to ryzyko, iż na skutek niekontrolowanego upadku spowoduje ofiary śmiertelne jest pięciokrotnie większe niż dopuszczane przy planowanych deorbitacjach.

Czy polscy naukowcy też mogą brać udział w usuwaniu śmieci kosmicznych? Tak. Polska jest członkiem Europejskiej Agencji Kosmicznej od 2012 roku. W ramach składki członkowskiej opłacamy udział w programie opcjonalnym ogólnego wsparcia technologii. To w ramach tego programu prowadzone są obecnie prace nad misją e.Deorbit, a ponieważ zasada jest taka, że znaczna część składki członkowskiej wraca do naszego kraju w ramach kontraktów, które przydzielane są polskim firmom i instytucjom naukowym, to już teraz polscy naukowcy i inżynierowie uczestniczą w przygotowaniach misji. W pracach bierze udział także Centrum Badań Kosmicznych PAN, ja zaś kontynuuję swoje badania nad sterowaniem manipulatorem satelitarnym w ramach stażu podoktorskiego na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej.