Tempo zapełniania orbity znacznie przyspieszyło. "Jej sprzątanie to działanie prewencyjne"

Mgr inż. Jędrzej Baran jest inżynierem systemów w Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie. Specjalizuje się w mechatronice, inżynierii systemowej i zarządzaniu projektami.

Dlaczego orbitę trzeba sprzątać? Przecież to ogromna przestrzeń.

Jędrzej Baran: Kiedy w roku 1957 wystrzelono pierwszego satelitę, wykorzystanie kosmosu w porównaniu z obecnym tempem przyrostu liczby satelitów postępowało wolno i nikt nie przejmował się tym, że na orbicie mogą pozostać różne niepotrzebne obiekty. Zgodnie z prawami fizyki, bez hamującego działania atmosfery, ciała te mogą okrążać Ziemię praktycznie bez końca – zwłaszcza na wyższych orbitach. Jednak wraz z rozwojem technologii kosmicznych, tempo zapełniania orbity znacznie przyspieszyło. Doszło już nawet do kilku poważnych zderzeń w kosmosie. Co gorsza, każda taka kolizja generuje masę odłamków, które mogą uderzać w kolejne orbitalne obiekty, a to w końcu może doprowadzić nawet do swoistej reakcji łańcuchowej. Sprzątanie orbity to zatem działanie prewencyjne, prowadzone z myślą o uniknięciu sytuacji, w której przestrzeń kosmiczna jest tak zaśmiecona odpadami, iż bezpieczne z niej korzystanie jest mocno utrudnione.

Współpracują Państwo ze szwajcarską firmą ClearSpace przy budowie takiej kosmicznej „śmieciarki”. Jak ona ma działać?

 ClearSpace to start-up utworzony przy Politechnice Federalnej w Lozannie, który w misji ClearSpace-1 pod opieką Europejskiej Agencji Kosmicznej zamierza usunąć z orbity wyższy stopień rakiety Vespa (typ Vega). To stożek o ok. 2-metrowej podstawie i wysokości ok. 1,5 metra. Nie stanowi on obecnie żadnego zagrożenia, ale to dobry cel dla zademonstrowania technologii. Każda taka misja usunięcia kosmicznego obiektu wymaga po pierwsze odpowiedniego zbliżenia. Satelita ścigający - tzw. chaser - przybliża się do ciała, które chcemy złapać. Potem musi go w jakiś sposób chwycić. W przypadku planowanej misji chaser będzie wyposażony w mechaniczny chwytak złożony z czterech ramion, których zadaniem jest objęcie całego obiektu. Potem silniki chasera wyhamują całość, a to spowoduje jego spadek do atmosfery razem ze schwytaną częścią rakiety. Będzie to zatem misja typu kamikadze, w której zniszczeniu ulegnie zarówno cel, jak i sama kosmiczna śmieciarka.

Czy to nie jest marnotrawstwo? Czy taki sprzątający satelita nie mógłby usuwać wielu śmieci, zmieniając swoją orbitę?

Prowadzono analizy różnych podjeść. Każda zmiana orbity - czy to jej obniżenie czy podwyższenie - wymaga zużycia dużych ilości paliwa. Trzeba użyć silników, aby przyspieszyć lub wyhamować. Okazuje się, że bardziej opłaca się wysyłać do konkretnych obiektów sprzątające satelity jednorazowego użytku, niż wynosić w przestrzeń paliwo do zmiany orbit. Być może w przyszłości na skutek rozwoju technologicznego się to zmieni, ale dziś tak się ta sytuacja kształtuje.

Czy do każdego obiektu sprzątający satelita będzie musiał być jakoś specjalnie dopasowywany, na przykład pod względem kształtu czy wielkości chwytaka?

Satelita ma działać tak, aby móc złapać każdy obiekt, który zmieści się wewnątrz elementu chwytającego. Jest on zatem w dużej mierze uniwersalny. Tak jak wspominałem, misja ta ma charakter demonstracyjny, ale firma ClearSpace planuje docelowo świadczyć usługę deorbitacji satelitów w ramach swojej działalności komercyjnej. Podejrzewam, że w planach tego dalszego, biznesowego etapu wykorzystania opracowanej technologii, firma ClearSpace stworzy typoszereg kilku różnych rozmiarów dla kilku klas obiektów. Firma zamierza bowiem oferować komercyjne usługi usuwania różnych kosmicznych śmieci.

Na jakich orbitach będzie mogła działać śmieciarka projektowana przez ClearSpace?

Właściwie w tym względzie nie ma ograniczeń. Satelita będzie mógł pracować na różnych orbitach.

Nad jakim elementem misji Państwo pracują?

Uczestniczymy w ziemskich testach projektowanej przez Szwajcarów technologii. Na Ziemi nie da się odtworzyć pełnych warunków kosmicznych, a przynajmniej nie wszystkich równocześnie. Dlatego przeprowadza się się testy częściowe sprawdzające zachowanie projektowanego urządzenia pod wpływem konkretnego aspektu środowiska kosmicznego - na przykład w komorze termiczno-próżniowej czy w warunkach spadku swobodnego. W Laboratorium Mechatroniki i Robotyki Satelitarnej w Centrum Badań Kosmicznych od wielu lat rozwijamy technologię testowania układów robotycznych w symulowanej mikrograwitacji.

Jak można to zrobić?

Jak wiadomo, w przestrzeni kosmicznej obiekty poruszają się w stanie nieważkości, czyli masa projektowanych struktur ma mniejsze znaczenie niż na Ziemi. Orbitalne elementy mogą być w związku z tym dużo lżejsze, bardziej filigranowe, podczas gdy na Ziemi większość takich kosmicznych konstrukcji mogłaby nawet zapaść się pod własnym ciężarem. Aby odtworzyć kosmiczną mikrograwitację, stosujemy specjalne urządzenie, które nazywamy stołem granitowym. To obiekt o bardzo płaskiej i precyzyjnie zmierzonej powierzchni, na której możemy przeprowadzać testy z wykorzystaniem tzw. łożysk powietrznych. Są to małe powietrzne poduszeczki, które utrzymują testowaną konstrukcję.

Poprzez zastosowanie poduszek powietrznych niwelujemy praktycznie do zera wpływ tarcia - badany element porusza się całkowicie swobodnie, czyli tak, jakby nie działała na niego ziemska grawitacja. Możemy zatem na potrzeby naszych eksperymentów przyjąć, iż porusza się on w nieważkości - tak jak w przestrzeni kosmicznej.

Stworzyliśmy dokładny, odpowiednio pomniejszony model satelity chwytającego i satelity chwytanego i testowaliśmy je na stole granitowym.

W ramach naszego zaangażowania w misję musieliśmy zaprojektować cały przeskalowany system obydwu satelitów – satelity chwytającego i satelity chwytanego tak, aby zmieściły się one w całości na naszym stole granitowym. Dzięki temu mogliśmy za pomocą specjalnych sterowanych platform przeprowadzać manewry przechwytywania, które docelowo zostaną wykonane na orbicie w docelowej misji.

Co było najtrudniejsze?

Kiedy maleją rozmiary modelu, wszystko się zmienia. Na przykład zmniejszenie długości o jakiś faktor powoduje, że powierzchnie zmniejszą się o kwadrat tego czynnika, a objętości o sześcian. Sytuacja się jednak jeszcze bardziej komplikuje. Jeśli jakiś element stanie się krótszy np. 3 razy, to nie znaczy, że na działanie jakichś sił jest 3 razy mniej podatny. W takim przypadku skalowanie jest mniej oczywiste. Aby zatem skutecznie przeanalizować zachowanie naszego zredukowanego układu, musieliśmy więc wykonać złożone obliczenia i analizy, aby być w stanie prawidłowo zinterpretować otrzymane dane eksperymentalne z naszych testów na stole granitowym.

A czym teraz się Państwo zajmują?

Nasze pierwotne zadanie w projekcie z powodzeniem wykonaliśmy. System, w który byliśmy zaangażowani, to tylko jeden z bardzo wielu, jakie musiała zaprojektować firma ClearSpace, aby uzyskać akceptację ESA na obecnym etapie misji. Ok. dwa tygodnie temu ClearSpace uzyskał od ESA aprobatę dostarczonych od wszystkich wykonawców rezultatów projektu. Ta akceptacja umożliwia dalsze prowadzenie prac projektowych.

Teraz czekamy na rozpoczęcie dalszych zadań. Tak naprawdę w projekcie kosmicznym zakres prac nieustannie ewoluuje, dlatego spodziewamy się, iż mimo ustalonego zakresu projektu, zostaną one dokładnie zdefiniowane dopiero wkrótce. Z całą pewnością będą one dotyczyły dalszych badań z wykorzystaniem zaprojektowanego przez nas układu z pewnymi zmianami. Możliwe też, iż wykonamy dodatkowe urządzenia, które umożliwią badania sprawności układu chwytającego już w pełnej skali, ale w tej chwili nie mamy jeszcze konkretnych informacji na ten temat.

Kiedy satelita ma szansę polecieć w kosmos?

Misja demonstracyjna zaplanowana jest na 2025 rok. Firma miała pewne, około półroczne opóźnienie, ale w przypadku przedsięwzięć kosmicznych to całkowicie normalne. Nie wiem, czy data startu uległa przesunięciu, więc trzymamy się oficjalnie ogłoszonych założeń czasowych.

Załóżmy, że misja demo się uda. Od czego zależy, czy satelita zacznie regularnie czyścić orbitę?

Już samo dopuszczenie przez ESA misji do realizacji wymaga spełnienia mnóstwa jakościowych kryteriów i wymagań technicznych. Wysyłane urządzenie ma działać, choćby jego różnorodne systemy uległy uszkodzeniu, nawet gdy częściowo straci się nad nim kontrolę. Na przykład w tej misji wadliwe zbliżenie do chwytanego obiektu mogłoby zakończyć się kolizją i dodatkowym zwiększeniem liczby odłamków. Jest też wiele spraw formalnych. Cała misja jest jednak niesamowicie ekscytująca m.in. dlatego, że ESA, ogłaszając konkurs na deorbitację, wybrała ClearSpace, czyli stosunkowo mały wówczas startup, a nie którąś z dużych europejskich firm z sektora kosmicznego.

Kiedy więc śmieciarki ClearSpace mogą zacząć sprzątać?

Wiele zależy od tego, jaki będzie panował duch w różnych organizacjach, takich jak Komisja Europejska czy właśnie ESA. Nieoficjalnie mogę powiedzieć, że panuje pewnego rodzaju moda na sprzątanie orbity. Powstało wiele firm, które się tym tematem zajmują. Interesują się nim agencje kosmiczne. Co więcej, ClearSpace1 to misja typu ADRIOS. Pierwszy człon skrótu oznacza active debris removal - aktywne usuwanie odpadków, a drugi - in orbit servicing, czyli orbitalne operacje. Tworzona technologia może więc mieć więcej zastosowań niż tylko sprowadzanie niepożądanych obiektów z orbity. Być może uda się ją wykorzystać np. do tankowania satelitów, albo nawet ich zrobotyzowanych napraw. Myślę, że jeszcze w tej dekadzie zobaczymy wzrost aktywności wszystkich głównych graczy na tym polu.

A co z dalszym zaśmiecaniem orbity? Przecież tempo jej zapełniania cały czas rośnie.

Aktywne usuwanie satelitów z orbity to tylko jedna część rozwiązania problemów, istotna zwłaszcza tam, gdzie inne są niemożliwe. Docelowo działania agencji kosmicznych i podmiotów rządowych prowadzą do tego, aby już na etapie projektowania nowych misji, uwzględnić także ich kontrolowany koniec. Obecne rekomendacje są takie, iż maksymalnie 25 lat po planowanym końcu misji danego satelity, powinien on albo - jeśli jest na niższych orbitach - dokonać kontrolowanej deorbitacji (używając swoich własnych silników) albo przesunąć się na tzw. orbitę cmentarną. Ma to zapewnić przeciwdziałanie powstawaniu nowych śmieci kosmicznych. Jest to związane z tzw. Clean Space, czyli czystą przestrzenią kosmiczną.