W 1957 r. Związek Radziecki wystrzelił w kosmos pierwszego sztucznego satelitę Ziemi, otwierając w ten sposób nową erę w historii ludzkości - erę eksploracji kosmosu. Od tamtej pory w ciągu ostatnich 50 lat człowiek wysłał w kosmos ogromną różnorodność satelitów, rakiet, stacji naukowych. Wszystko to doprowadziło do systematycznego zanieczyszczenia przestrzeni kosmicznej wokół naszej planety. Według informacji NASA, według stanu na lipiec 2011, wokół Ziemi „krążyło” 16 094 obiektów sztucznego pochodzenia, w tym 3 396 funkcjonujących i nieudanych już satelitów, a także 12 698 bloków startowych, zużytych etapów rakiet nośnych i ich szczątków. W przedstawionym dokumencie stwierdzono, że pod względem liczby obiektów sztucznego pochodzenia na niskiej orbicie okołoziemskiej na pierwszym miejscu znajduje się Rosja – 6075 obiektów, z czego 4667 to śmieci kosmiczne, a następnie Stany Zjednoczone, Chiny, Francja, Indie i Japonia.
Rozmiar szczątków znajdujących się na niskiej orbicie okołoziemskiej jest dość zróżnicowany, od mikrocząstek do rozmiaru szkolnego autobusu. To samo można powiedzieć o masie tych śmieci. Duże fragmenty mogą ważyć do 6 ton, podczas gdy małe cząstki ważą zaledwie kilka gramów. Wszystkie te obiekty poruszają się w przestrzeni po różnych orbitach iz różnymi prędkościami: od 10 tys. km/h do 25 tys. km/h. Co więcej, w przypadku zderzenia takich kawałków kosmicznych śmieci ze sobą lub z dowolnym satelitą poruszającym się w przeciwnych kierunkach, ich prędkość może osiągnąć 50 tys. km/h.
Według Aleksandra Bagrowa, starszego naukowca w Instytucie Badań Astronomii Rosyjskiej Akademii Nauk, pojawia się dziś paradoksalna sytuacja. Im więcej pojazdów ludzkość wystrzeliwuje w kosmos, tym mniej nadaje się do użytku. Statki kosmiczne zawodzą co roku z godną pozazdroszczenia regularnością, w wyniku czego ilość szczątków na orbicie Ziemi wzrasta o 4% rocznie. Obecnie po orbicie ziemskiej krąży do 150 tys. różnych obiektów o rozmiarach od 1 do 10 cm, a cząstki, których średnica jest mniejsza niż 1 cm, to po prostu miliony. Jednocześnie, jeśli na niskich orbitach do 400 km śmieci kosmiczne są spowalniane przez górne warstwy atmosfery planety i po pewnym czasie opadają na Ziemię, to mogą znajdować się na orbitach geostacjonarnych przez nieskończenie długą ilość czas.
Dopalacze rakietowe, które są wykorzystywane do wystrzeliwania satelitów na orbitę Ziemi, przyczyniają się do wzrostu ilości śmieci kosmicznych. W ich zbiornikach pozostaje około 5-10% paliwa, które jest bardzo lotne i łatwo zamienia się w parę, co często prowadzi do dość potężnych eksplozji. Po wielu latach w kosmosie stopnie rakietowe, które służyły swoim czasom, eksplodują na kawałki, rozrzucając wokół siebie rodzaj „szrapnela” małych fragmentów. W ciągu ostatnich kilku lat w kosmosie blisko Ziemi zarejestrowano około 182 takich eksplozji. Tak więc tylko jedna eksplozja stopnia indyjskiej rakiety spowodowała uformowanie się jednocześnie 300 dużych odłamków, a także niezliczonych ilości mniejszych, ale nie mniej niebezpiecznych obiektów kosmicznych. Dziś świat ma już pierwsze ofiary kosmicznych śmieci.
Tak więc w lipcu 1996 roku na wysokości około 660 km. francuski satelita zderzył się z fragmentem 3. etapu francuskiej rakiety arian, która została wystrzelona w kosmos znacznie wcześniej. Prędkość względna w momencie zderzenia wynosiła około 15 km/s lub 50 tys. km/h. Nie trzeba dodawać, że francuscy eksperci, którzy przegapili podejście do własnego dużego obiektu, długo gryzą się w łokcie po tej historii. Incydent ten nie przerodził się w wielki międzynarodowy skandal, ponieważ oba zderzające się w kosmosie obiekty były pochodzenia francuskiego.
Dlatego problem dzisiejszych śmieci kosmicznych nie wymaga dodatkowej przesady. Trzeba tylko pamiętać, że przy obecnym tempie, w niedalekiej przyszłości znaczna część orbity Ziemi nie będzie najbezpieczniejszym miejscem dla statków kosmicznych. Zdając sobie z tego sprawę, badacz Jonathan Missel z Texas Agricultural University uważa, że wszystkie istniejące metody usuwania śmieci kosmicznych mają co najmniej jedną z dwóch powszechnych chorób. Obejmują one albo przeprowadzanie misji „Jeden kawałek kosmicznego śmiecia – jeden śmieciarz” (co jest bardzo drogie), albo zakładają tworzenie technologii, których dopracowanie zajmie ponad dekadę. Tymczasem liczba ofiar kosmicznych śmieci rośnie.
Zdając sobie z tego sprawę, Jonathan Missel proponuje ulepszyć koncepcję One Piece of Space Junk - One Scavenger do wielokrotnego użytku. Zamiatarka kosmiczna TAMU z satelitą Sling-Sat, którą opracowali wraz z kolegami, jest wyposażona w specjalne, konfigurowalne „ramiona”. Taki satelita, po zbliżeniu się do kosmicznych śmieci, przechwytuje go specjalnym manipulatorem. W tym samym czasie, dzięki różnym wektorom ruchu, Sling-Sat zaczyna się obracać, ale dzięki regulowanemu pochyleniu i długości „ramion” manewr ten jest całkowicie kontrolowany, co pozwala na znaczące obracanie się jak piłka nożna zmienić własną trajektorię, wysyłając „satelitę procy” w kierunku kolejnych kawałków kosmicznych śmieci.
W momencie, gdy satelita znajduje się na trajektorii w kierunku drugiego obiektu kosmicznego, podczas obrotu zostaje przez niego wypuszczony pierwszy element kosmicznych śmieci. Co więcej, stanie się to pod takim kątem, że próbka kosmicznych śmieci na pewno zderzy się z atmosferą naszej planety, płonąc w niej. Po dotarciu do drugiego obiektu kosmicznych śmieci satelita ten powtórzy wykonaną operację i będzie to robił za każdym razem, otrzymując dodatkowy ładunek energii kinetycznej z kosmicznych śmieci i jednocześnie wysyłając go z powrotem na Ziemię na planetę, która dała podnieś się do tego.
Warto zauważyć, że ta koncepcja przypomina nieco metodę starożytnych greckich skoczków w dal, którzy robili to z upuszczaniem hantli (dla dodatkowego przyspieszenia). To prawda, że w tym konkretnym przypadku śmieci kosmiczne będą musiały być łapane i rzucane w locie, czy TAMU Space Sweeper sobie z tym poradzi, jest kwestią otwartą.
Zamiatarka kosmiczna TAMU
Z przeprowadzonej symulacji komputerowej wynika, że proponowany schemat charakteryzuje się wysoką teoretyczną efektywnością paliwową. I to jest zrozumiałe: w przypadku „satelity procy” energia ma być pobierana z kawałków satelitów i rakiet rozpędzonych już do 1. prędkości kosmicznej, a nie z paliwa, które musiałoby być dostarczone do naszych śmieci. zbieracz z Ziemi.
Oczywiście koncepcja przedstawiona przez Missel ma pewne wąskie gardła. Warto zauważyć, że żaden z kawałków kosmicznych śmieci nie nadaje się oczywiście na pułapkę manipulatora i, co najważniejsze, do dużych przyspieszeń podczas intensywnego obrotu. W przypadku, gdy kawałek jest zbyt duży i ciężki, jego energia podczas obrotu może być wystarczająca do zniszczenia samego siebie, a także manipulatora. Jednocześnie stworzenie dużej liczby innych zamiast jednego obiektu kosmicznych śmieci raczej nie doprowadzi do poprawy sytuacji w kosmosie na niskich orbitach Ziemi. Jednocześnie oczywiście pomysł jest postrzegany jako ciekawy, a w przypadku odpowiedniej realizacji technicznej – skuteczny.
