Problem zanieczyszczenia przestrzeni kosmicznej jest przedmiotem troski całej społeczności lotniczej. Takie hipotetyczne wydarzenia na niskiej orbicie okołoziemskiej, takie jak syndrom Kesslera, który przewiduje powstawanie kosmicznych śmieci poza kontrolą, poruszyły nawet popularne media. Oczywiste jest, że potrzebne są badania podstawowe, aby zrozumieć, jakim niebezpieczeństwem jest nawet mały fragment, i obliczyć, ile jesteśmy gotowi zapłacić za oczyszczenie przestrzeni kosmicznej.
Dziś politycy, naukowcy, technicy i opinia publiczna są głęboko świadomi proliferacji kosmicznych śmieci. Dzięki fundamentalnej pracy J-K. Liouville i Nicholas Johnson, opublikowanym w 2006 roku, rozumiemy, że wskaźnik gruzu prawdopodobnie będzie nadal rósł w przyszłości, nawet jeśli wszystkie starty zostaną wstrzymane. Powodem tego trwałego wzrostu są kolizje, które, jak się oczekuje, wystąpią między satelitami a stopniami rakietowymi już na orbicie. Jest to bardzo niepokojące dla wielu operatorów satelitarnych, którzy są zmuszeni do podjęcia odpowiednich środków w celu ochrony swoich aktywów.
Niektórzy eksperci uważają, że te incydenty będą dopiero początkiem serii kolizji, które prawie uniemożliwią dostęp do niskiej orbity okołoziemskiej. Zjawisko to, po raz pierwszy szczegółowo opisane przez konsultanta NASA Donalda Kesslera, jest powszechnie określane jako zespół Kesslera. Ale rzeczywistość prawdopodobnie będzie bardzo różniła się od podobnych przewidywań lub wydarzeń przedstawionych w filmie fabularnym „Gravity”. Rzeczywiście, wyniki przedstawione Międzyagencyjnemu Komitetowi ds. Koordynacji Odpadów Kosmicznych (IADC) na szóstej europejskiej konferencji na ten temat wskazywały na oczekiwany wzrost ilości śmieci o zaledwie 30 procent w ciągu 200 lat przy ciągłych startach.
Kolizje będą nadal występować, ale rzeczywistość będzie daleka od katastrofalnego scenariusza, którego niektórzy się obawiają. Wzrost ilości kosmicznych śmieci można zredukować do dość skromnego poziomu. Propozycja IADC ma na celu szerokie rozpowszechnienie i ścisłe przestrzeganie wytycznych dotyczących minimalizacji śmieci kosmicznych, zwłaszcza w odniesieniu do neutralizacji źródeł energii, która powinna być w pełni rozwinięta do końca lotu, oraz utylizacji po jego zakończeniu. Niemniej jednak, z punktu widzenia IADC, oczekiwany wzrost ilości odpadów, pomimo podejmowanych wysiłków, nadal wymaga wprowadzenia dodatkowych działań zwalczających istniejące czynniki ryzyka.
Brak postępu?
Duże zainteresowanie rekultywacją środowiska kosmicznego odnotowano dziewięć lat po opublikowaniu pracy Liouville'a i Johnsona. W szczególności na całym świecie podjęto kroki w celu opracowania metod usuwania obiektów z niskiej orbity okołoziemskiej. Na przykład Europejska Agencja Kosmiczna ogłosiła niedawno zamiar zapewnienia wsparcia rządowego dla wystrzelenia europejskiego statku kosmicznego w następnej dekadzie. Agencja przeprowadziła liczne badania mające na celu określenie racjonalnych i rzetelnych sposobów osiągnięcia celu. Kluczowym elementem planowania były modele komputerowe przestrzeni szczątkowej, które wykazały, że wzrostowi szczątków można zapobiec, usuwając określone stopnie statku kosmicznego lub rakiety. W symulacjach komputerowych obiekty te identyfikowane są jako najbardziej podatne na kolizje, więc po ich usunięciu z orbity liczba kolizji powinna gwałtownie się zmniejszyć, co zapobiegnie pojawianiu się nowych odłamków w wyniku ich rozproszenia.
Od publikacji pracy Liouville'a i Johnsona minęło prawie dziesięć lat i jest zaskakujące, że na poziomie międzynarodowym czy krajowym nie ma zasad metodologicznych, które jasno określałyby środki eliminowania skutków zanieczyszczenia przestrzeni bliskiej Ziemi. Wydaje się, że istnieje pewna apatia wobec opracowania procedury usuwania odpadów, pomimo wezwań do działania. Ale czy tak jest naprawdę?
W rzeczywistości sytuacja nie jest tak prosta, jak się wydaje. Jeśli chodzi o procedurę usuwania śmieci kosmicznych, nadal należy odpowiedzieć na kilka podstawowych pytań. Szczególnie niepokojące są kwestie związane z własnością, odpowiedzialnością i przejrzystością. Na przykład wiele technologii oferowanych do usuwania gruzu można również wykorzystać do usunięcia lub unieruchomienia aktywnego statku kosmicznego. Dlatego można się spodziewać zarzutów, że te technologie są bronią. Pojawiają się również pytania dotyczące kosztów spójnego programu utylizacji śmieci. Niektórzy technicy oszacowali ją na dziesiątki bilionów dolarów.
Jednak być może najważniejszą przyczyną braku odpowiednich zasad metodologicznych jest to, że nie umiemy jeszcze przeprowadzić rekultywacji, przez co w praktyce rozumiemy oczyszczenie przestrzeni kosmicznej. Nie oznacza to jednak, że nie wiemy, jakich technologii potrzebujemy.
Algorytmy jednorazowego użytku zostały już praktycznie opracowane. Prawdziwy problem wynika z pozornie prostego zadania: określenia „właściwych” szczątków do usunięcia z orbity. I dopóki nie rozwiążemy tego problemu, wydaje się, że nie będziemy w stanie odzyskać przestrzeni.
Grając w wrak
Aby uświadomić sobie problematykę rozwiązywania tak pozornie prostego zadania, jakim jest identyfikacja śmieci do usunięcia, posługujemy się analogią do gry z talią 52 zwykłych kart do gry. W tej analogii każda mapa reprezentuje obiekt w przestrzeni kosmicznej, który możemy chcieć usunąć, aby zapobiec kolizji. Po rozdaniu kart kładziemy każdą kartę indywidualnie zakrytą na stole. Naszym celem jest teraz próba zidentyfikowania asów i usunięcia ich ze stołu, ponieważ te karty reprezentują satelity lub inne duże obiekty śmieci kosmicznych, które mogą stać się uczestnikami kolizji w pewnym momencie w przyszłości. Możemy usunąć ze stołu tyle kart, ile chcemy, ale za każdym razem, gdy usuwamy jedną kartę, musimy zapłacić 10 USD. Ponadto, oddalając się, nie mamy prawa patrzeć na mapę (jeśli satelita zostanie usunięty z orbity, nie możemy z całą pewnością stwierdzić, co dokładnie mogłoby stać się uczestnikiem kolizji). Na koniec musimy zapłacić 100 dolarów za każdego asa, który zostanie na stole, co reprezentuje potencjalne straty wynikające z kolizji z udziałem naszych satelitów (w rzeczywistości koszt wymiany satelity może wynosić od 100 000 do 2 miliardów dolarów).
Jak możemy rozwiązać ten problem? Na odwrocie wszystkie karty są takie same, więc nie ma sposobu, aby stwierdzić, gdzie są asy, a jedynym sposobem, aby upewnić się, że usunęliśmy wszystkie asy, jest usunięcie wszystkich kart ze stołu. W naszym przykładzie będzie to kosztować maksymalnie 520 USD. W kosmosie mamy ten sam problem: nie wiemy dokładnie, które obiekty mogą brać udział w kolizjach, ale usunięcie ich wszystkich jest zbyt drogie, więc musimy wybierać. Załóżmy, że dokonaliśmy wyboru: aby usunąć jedną kartę o wartości 10 $, jakie jest prawdopodobieństwo, że usunęliśmy asa? Cóż, prawdopodobieństwo, że karta jest asem, jest podzielne przez cztery przez 52, innymi słowy z grubsza 0, 08 lub 8 procent. Zatem prawdopodobieństwo, że karta nie jest asem, wynosi 92 procent. To jest prawdopodobieństwo, że zmarnowaliśmy nasze 10 dolarów.
Co się stanie, jeśli tym razem weźmiemy drugą kartę (która będzie nas kosztować kolejne 10 dolarów)? Prawdopodobieństwo, że druga karta jest asem, zależy od tego, czy pierwsza karta była asem. Gdyby tak było, prawdopodobieństwo, że druga karta jest również asem, wynosi trzy podzielone przez 51 (ponieważ teraz w talii są tylko trzy asy, które zmniejszyły się o jedną kartę). Jeśli pierwsza karta nie jest asem, prawdopodobieństwo, że druga karta jest asem, wynosi cztery podzielone przez 51 (ponieważ w mniejszej talii wciąż są cztery asy).
Możemy użyć tej metody do określenia prawdopodobieństwa, że usunęliśmy oba asy - po prostu mnożymy prawdopodobieństwa, aby znaleźć odpowiedź: 4/52 razy 3/51, co daje nam prawdopodobieństwo 0,0045 lub 0,45 procent warte 20 USD na dwie karty REMOVED. Niezbyt zachęcające.
Możemy jednak również określić prawdopodobieństwo usunięcia przynajmniej jednego asa. Po wylosowaniu dwóch kart istnieje 15-procentowa szansa, że udało nam się usunąć przynajmniej jeden z asów. Brzmi to bardziej obiecująco, ale szanse nie są teraz zbyt dobre.
Okazuje się, że aby zwiększyć szanse na wylosowanie chociaż jednego asa, musimy usunąć więcej niż dziewięć kart (o wartości 90 dolarów) lub więcej niż 22 karty (o wartości 220 dolarów), jeśli chcemy mieć 90 procent pewności że usunęliśmy jednego z asów. Nawet jeśli nam się uda, nadal na stole są trzy asy, więc w sumie nadal musimy zapłacić 520 $, co przypadkowo jest taką samą kwotą, jaką musielibyśmy zapłacić, gdybyśmy wybrali opcję z usunięciem wszystkich kart.
Gry się skończyły
Wracając z naszej analogii do rzeczywistego środowiska kosmicznego, sytuacja wydaje się być bardziej niepokojąca. Obecnie około 20 000 obiektów jest śledzonych na orbicie za pomocą amerykańskiej sieci kosmicznych stacji obserwacyjnych, przy czym około 6% tych obiektów waży więcej niż jedną tonę, które hipotetycznie mogłyby uczestniczyć w kolizji i które moglibyśmy chcieć usunąć… W analogii z kartami nasz problem polega na tym, że rewers wszystkich kart jest taki sam, a prawdopodobieństwo, że jedna jest asem pik, jest takie samo, jak prawdopodobieństwo, że druga jest również asem. Nie ma możliwości zidentyfikowania kart, które chcesz i usunięcia ich ze stołu. W rzeczywistości nasze szanse na uniknięcie kolizji są znacznie większe niż w grze karcianej, ponieważ na orbicie widzimy prawdopodobieństwo uczestniczenia w kolizji niektórych obiektów i możemy na nich skupić naszą uwagę. Na przykład obiekty, które znajdują się na gęsto zaludnionych orbitach, takich jak heliosynchroniczne na wysokości między 600 a 900 kilometrów, najprawdopodobniej uczestniczą w kolizjach z powodu zatłoczenia w tej strefie. Jeśli skupimy naszą uwagę na podobnych obiektach (a inne na podobnie zatłoczonych orbitach) i weźmiemy pod uwagę przewidywania możliwości ich zderzenia, to okaże się, że musimy usunąć około 50 obiektów, aby zmniejszyć oczekiwaną liczbę kolizji katastroficznych o tylko jedna jednostka, co wynika z wyników badań prowadzonych przez członków agencji kosmicznej IADC.
I okazuje się, że nawet jeśli kilka obiektów może zostać usuniętych przez jeden czystszy statek kosmiczny (a pięć celów wydaje się wszechstronną alternatywą), wiele lotów – często trudnych i ambitnych – trzeba wykonać tylko po to, aby zapobiec jednej kolizji.
Dlaczego nie jesteśmy w stanie dokładniej przewidzieć prawdopodobieństwa kolizji i usunąć tylko te obiekty, o których wiemy na pewno, że będą niebezpieczne? Istnieje wiele parametrów, które mogą wpływać na trajektorię satelity, w tym orientację satelity, czy jest to nieregularny ruch, czy pogoda kosmiczna (co może wpływać na opór satelitów). Nawet niewielkie błędy w wartościach początkowych mogą prowadzić do dużych rozbieżności w wynikach obliczania pozycji satelity w porównaniu z rzeczywistością i to po stosunkowo krótkim czasie. W rzeczywistości używamy tej samej techniki, co prognostycy: używamy modeli do generowania prawdopodobieństwa konkretnych wyników, ale nie faktu, że te wyniki kiedykolwiek zostaną uzyskane.
Mamy więc technologie, które mogą być używane okazjonalnie do usuwania kosmicznych śmieci. Takie stanowisko zajmuje Europejska Agencja Kosmiczna z planowaną misją e. Deorbit, ale wciąż istnieją problemy, które należy rozwiązać, aby zidentyfikować najbardziej odpowiednie obiekty do usunięcia. Problemy te muszą zostać rozwiązane, zanim niezbędne wytyczne i zasady metodologiczne zostaną udostępnione osobom zainteresowanym przygotowaniem długoterminowego programu usuwania śmieci kosmicznych, który jest niezbędny dla skutecznej remediacji środowiska.
Zasady metodologiczne w odniesieniu do konkretnych miejsc, ich liczby, wymagań i ograniczeń mają zasadnicze znaczenie dla zwiększenia prawdopodobieństwa, że wysiłki na rzecz rekultywacji środowiska będą skuteczne i opłacalne. Aby opracować takie zasady metodologiczne, musimy ponownie rozważyć nasze nieracjonalne oczekiwania co do korzystnego wyniku.
