Polski pomysł na kosmiczne śmieci

0
12

Od 1957 roku ludzkość umieściła na orbicie okołoziemskiej ok. 7000 satelitów, z czego tylko 1600 jest aktywnych współcześnie. Wszystkie niedziałające już satelity, części rakiet wielostopniowych, fragmenty z kolizji, nawet te niewielkich rozmiarów, jak odpryski farby, poruszając się z ogromnymi prędkościami rzędu 36 000 km/h, stanowią ogromne zagrożenie dla działających satelitów oraz misji załogowych. Każdy z takich obiektów musi być więc monitorowany, by można było go bezpiecznie ominąć. Najprostszym sposobem pozbywania się śmieci kosmicznych jest ich spalanie w atmosferze. Jednak z większością obiektów na orbicie okołoziemskiej nie jesteśmy w stanie nic zrobić. Pozostaje tylko czekać, aż pod wpływem szczątkowego oporu atmosferycznego i promieniowania słonecznego powoli obniżą one swoją orbitę i ostatecznie spalą się w atmosferze.
Studenci Politechniki Warszawskiej wierzą, że mają rozwiązanie tego problemu. Jak mówią, chcą zadbać o naszą przyszłość i dopilnować, aby kolejne wystrzeliwane na orbitę okołoziemską satelity były wyposażone w systemy deorbitacyjne, które przyspieszą proces spalania satelity po skończonym okresie jego użytkowania. Mogą być wyposażone na przykład w żagiel deorbitacyjny.

NIEZRAŻENI PORAŻKĄ

Ponad pięć lat temu – 13 lutego 2012 roku – na orbicie okołoziemskiej znalazł się pierwszy polski satelita PW-Sat, zbudowany przez członków Studenckiego Koła Astronautycznego. Wyposażono go w rozkładany ogon o długości 1 m, który miał zadziałać niczym „kosmiczny hamulec”, zwiększając powierzchnię i opór aerodynamiczny satelity, co przyśpieszyłoby proces deorbitacji. Na ogonie deorbitacyjnym zostały zamontowane elastyczne panele fotowoltaiczne. PW-Sat miał przetestować ich zastosowanie w przestrzeni kosmicznej. Polski zespół, wraz z sześcioma innymi z całej Europy, zdobył miejsce na rakiecie Vega w ramach konkursu Europejskiej Agencji Kosmicznej. Po pomyślnym przejściu wszystkich testów specjaliści z ESA dopuścili PW-Sata do lotu na nowej europejskiej rakiecie. Udany start, rozpoczęcie misji oraz utrzymanie stałego kontaktu z satelitą było dużym sukcesem.
Aktywny kontakt z satelitą trwał około pół roku, od momentu umieszczenia go na orbicie, po czym przeszedł w stan całkowitej hibernacji. Zawiódł wówczas system komunikacji, co uniemożliwiło odebranie przez satelitę komendy otwarcia ogona deorbitacyjnego. PW-Sat spłonął w wysokich warstwach atmosfery pod koniec października 2014 roku.
Projekt drugiego polskiego satelity studenckiego realizowany jest od 2013 roku także w Studenckim Kole Astronautycznym. Głównym celem jest przetestowanie specjalnego żagla deorbitacyjnego oraz kilku innych eksperymentów: czujnika Słońca, rozkładanych paneli słonecznych i kamer do obserwacji momentu otwarcia żagla. Wyniesienie PW-Sata2 na orbitę zaplanowano na początek 2018 roku – w październiku 2016 roku został podpisany kontrakt na start na rakiecie Falcon 9. Celem drugiego satelity zaprojektowanego przez członków Studenckiego Koła Astronautycznego, podobnie jak jego poprzednika, jest test innowacyjnej technologii deorbitacji. Zespół złożony z ponad 30 studentów różnych wydziałów Politechniki Warszawskiej, korzystając z doświadczenia swoich starszych kolegów, rozpoczął w 2013 roku prace nad dwukrotnie większym satelitą niż PW-Sat. Systemem deorbitującym PW-Sata2 (czyli powodującym spalenie w atmosferze Ziemi) jest kwadratowy żagiel, wykonany z wytrzymałej folii o powierzchni 4 m kw., zwinięty oraz umieszczony w cylindrze o średnicy 80 mm i wysokości 70 mm. Przymocowany do specjalnego trzpienia żagiel po przepaleniu linki Dyneema zostanie odblokowany, a następnie wysunięty na odległość kilkunastu cm od satelity i otwarty za pomocą czterech rozkręcających się sprężyn płaskich. W ten sposób znacznie zwiększy się opór aerodynamiczny satelity, co przyspieszy obniżanie się jego orbity. Według przeprowadzonych analiz przy optymalnych warunkach skróci to czas deorbitacji z ponad 20 lat nawet do 6-12 miesięcy. Jednym z atutów polskiego projektu jest prostota systemu zwalniania i rozwijania żagla: nie wymaga on silnika bądź ciągłego zużycia energii. Czyni to go znacznie mniejszym, tańszym i bardziej konkurencyjnym rozwiązaniem

PLAN MISJI

Z początkiem 2016 roku Ministerstwo Edukacji i Szkolnictwa Wyższego przekazało kwotę 180 000 euro na pokrycie kosztów wyniesienia PW-Sata2 w kosmos. Dofinansowanie to zostało zrealizowane w ramach programu Plan for European Cooperating State (PECS), który był pierwszym etapem przygotowań przyłączenia Polski do Europejskiej Agencji Kosmicznej.W październiku 2016 roku podpisano kontrakt na wyniesienie satelity. PW-Sat2 zostanie wystrzelony na pokładzie rakiety Falcon 9 firmy SpaceX z bazy Vandenberg w Stanach Zjednoczonych.Trafi na orbitę synchronizowaną słonecznie o wysokości ok. 575 km. Kilka sekund po separacji PW-Sata2 od rakiety włączy się system zasilania oraz komputer pokładowy. Ze względów bezpieczeństwa dopiero po 30 min nastąpi otwarcie anten i wejście w tryb odbioru. Chwilę później moduł komunikacji rozpocznie nadawanie aktualnego stanu satelity. Przez pierwszy tydzień misji przeprowadzane będą szczegółowe testy wszystkich podsystemów i nie będą uruchamiane żadne eksperymenty.

ZNACZENIE DLA ZWYKŁYCH LUDZI
O szczegóły misji i zadania, które ma wykonać polski satelita, “Nowy Dziennik” zapytał menedżerkę i koordynatorkę projektu Innę Uvarovą. “Nasz system ma się przyczynić do zapobiegania problemowi kosmicznych śmieci – wyjaśnia nasza rozmówczyni. – Każdy satelita znajdujący się na orbicie i wyposażony w nasz system na końcu swojej misji otworzy żagiel, dzięki któremu szybko obniży swoją orbitę, spali się w atmosferze i nie będzie zabierał cennego miejsca na orbicie, będąc kosmicznym śmieciem, ani nie będzie stwarzał zagrożenia dla innych satelitów czy też astronautów”.
Śmieci kosmicznych większych od 1 cm jest na orbicie ok. 750 000 (szacunki Europejskiej Agencji Kosmicznej na styczeń 2017). Obiekty w kosmosie poruszają się ekstremalnie szybko – ponad 7 km/s – więc przy czołowym zderzeniu dwóch takich obiektów względna prędkość może osiągnąć ponad 14 km/s (prędkość wylotowa pocisku z amerykańskiego karabinu M16 to niecały 1 km/s). „Satelity są bardzo delikatnymi obiektami – bo muszą być lekkie – także taki pocisk wielkości 1 cm może bez problemu zniszczyć lub poważnie uszkodzić nawet największe satelity” – twierdzi Inna Uvarova. Według niej możliwy jest scenariusz, który mogliśmy zobaczyć w filmie “Grawitacja”, kiedy to kosmonauci zostali zaatakowani przez kosmiczne śmieci. “’Grawitacja’ odwołuje się do tzw. syndromu Kesslera – w uproszczeniu chodzi o to, że jedna kolizja na orbicie powoduje powstanie tysięcy nowych odłamków, które stają się nowymi potencjalnymi pociskami mogącymi uszkodzić kolejne satelity. Tak więc liczba śmieci zaczyna wtedy narastać lawinowo – jak reakcja łańcuchowa w reaktorze – tłumaczy Uvarova. – Jest to zjawisko realne i według międzynarodowej agencji zajmującej się śmieciami kosmicznymi (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee – IADC) już teraz mamy pierwsze objawy tego efektu na orbicie. Oczywiście do celów filmowych dokonano znaczących uproszczeń – w filmie wszystko wydarzyło się w skali kilku godzin, a w rzeczywistości ten efekt będzie narastał raczej w latach. Dodatkowo ryzykiem objęte są satelity na najbardziej zatłoczonych orbitach, czyli niskiej orbicie oraz orbicie geostacjonarnej, ale śmieci z jednej nie mogą tak po prostu przeskoczyć na drugą. W uproszczeniu mówiąc, w przeciwieństwie do fabuły filmu, w rzeczywistości nie stracimy naraz satelitów obserwacyjnych (niska orbita), nawigacyjnych (średnia) i telekomunikacyjnych (geostacjonarna), jednak problem mimo to jest nadal palący” – podkreśla koordynatorka budowy polskiego satelity.
Zapytana o szczegóły startu PW-Sat2 informuje, że „miejsce na rakiecie Falcon zostało zaoferowane przez pośrednika, który wygrał w przetargu”. „Wybraliśmy tę opcję głównie ze względu na cenę wystrzelenia. Pieniądze na nie podarowało nam polskie Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, a samo wystrzelenie to usługa. Nie mieliśmy więc żadnej taryfy ulgowej czy zniżki studenckiej – musieliśmy zapłacić cenę rynkową” – mówi Inna Uvarova. Jak dodaje, „start rakiety z polskim satelitą nastąpi z bazy wojskowej Vandenberg Air Force Base w Kalifornii i raczej nie będziemy mieć tam wstępu”. „Osoby, które zdecydują się pojechać na miejsce, będą obserwowały start spoza bazy, z większej odległości. Z kolei druga część zespołu będzie czuwać w stacji naziemnej w Polsce i komunikować się z satelitą tuż po wystrzeleniu go na orbitę. Przy takim starcie procedura wygląda tak, że oddajemy naszego satelitę do pośrednika oferującego start na co najmniej 2 miesiące przed planowaną datą wystrzelenia. Dalej to już ta firma zajmuje się transportem naszego satelity na miejsce startu i umieszczeniem go na orbicie, my nie mamy już wtedy żadnego wypływu,ani żadnej roli do odegrania w tym procesie” – wyjaśnia koordynator projektu.
Na pytanie, czy polski satelita spowoduje jakieś zmiany w życiu przeciętnego człowieka na Ziemi, Uvarova odpowiada, że “problem kosmicznych śmieci dotyczy wszystkich ludzi, którzy korzystają z infrastruktury kosmicznej, czyli telewizji satelitarnej, telefonii satelitarnej, nawigacji czy też obrazów satelitarnych – a więc, w gruncie rzeczy, w wysoko rozwiniętych krajach są to właściwie wszyscy obywatele”. „Nawet jeśli ktoś nie korzysta samodzielnie z tych usług, to korzystają z nich sklepy, firmy transportowe czy wreszcie służby ratunkowe i służby bezpieczeństwa – wylicza nasza rozmówczyni – zatem komfort i bezpieczeństwo wszystkich obywateli zależy od satelitów, a bezpieczeństwo satelitów zależy od tego, czy uporamy się z narastającym problemem śmieci kosmicznych. To teraz zadanie dla PW-sata2”.

Autor: Przemek Cebula