Lżejsze rakiety, cięższy problem. Kosmiczne śmieci spadają coraz częściej

Podczas startów rakiet odrzucane są elementy, które mają zmniejszyć masę statku kosmicznego. Na Ziemię wracają również satelity kończące swoją pracę na orbicie. W teorii powinny całkowicie spłonąć podczas kontrolowanego wejścia w atmosferę. Coraz częściej jednak tak się nie dzieje

Fragmenty częściowo spalonych satelitów i rakiet mogą stanowić zagrożenie zarówno dla ludzi, jak i dla infrastruktury. Problem narasta wraz z gwałtownym wzrostem liczby startów kosmicznych, napędzanym głównie przez prywatne firmy takie jak SpaceX.

Naukowcy analizują materiały wykorzystywane do budowy współczesnych statków kosmicznych i próbują znaleźć sposoby na zmianę ich właściwości tak, aby podczas wejścia w atmosferę spalały się bezpieczniej.

Od 2021 r. szczątki kosmicznych śmieci wielokrotnie spadały na prywatne posesje i obiekty publiczne na całym świecie. Jedne z najbardziej znanych przypadków dotyczą elementów kapsuł SpaceX Dragon. Chodzi przede wszystkim o duże moduły transportowe wykonane z włókna węglowego, które pozostają połączone z kapsułą niemal do momentu wejścia w atmosferę. Konstrukcje te są większe niż 15-osobowy bus i służą do przewożenia sprzętu.

Szczątki modułu z misji Crew-7 na Międzynarodową Stację Kosmiczną odnaleziono w Karolinie Północnej. Fragmenty z misji Crew-1 spadły z kolei w australijskim stanie Nowa Południowa Walia. Podobne znaleziska odnotowano również w kanadyjskiej prowincji Saskatchewan.

Regularnie odnajdywane są także zbiorniki i elementy wykonane z włókna węglowego, wykorzystywane do przechowywania sprężonych gazów potrzebnych do sterowania położeniem statków kosmicznych. Takie fragmenty znajdowano ostatnio m.in. w Australii, Argentynie i Polsce.

Większość obiektów rzeczywiście spala się podczas wejścia w atmosferę. Dlaczego więc część szczątków dociera aż do powierzchni Ziemi?

Satelity takie jak Starlink krążą zwykle na wysokości od 300 do 2000 km nad Ziemią i poruszają się z prędkością około 27 tys. km na godzinę. Kiedy zaczynają obniżać orbitę i wchodzą w kontakt z górnymi warstwami atmosfery, zderzają się z cząsteczkami powietrza, co prowadzi do gwałtownego wzrostu temperatury. W normalnych warunkach taka energia powinna stopić i spalić większość materiałów. Temperatury podczas wejścia w atmosferę mogą przekraczać 1600 st. Celsjusza.

Przez dekady problem pozostawał ograniczony, ponieważ liczba startów była stosunkowo niewielka. Od lat 60. do około 2016 r. w kosmos trafiało rocznie około stu obiektów. Potem nastąpił gwałtowny wzrost. W 2016 r. wystrzelono około 200 obiektów, a w 2025 r. już 4500. Oznacza to, że jedna piąta wszystkich obiektów wysłanych w kosmos od lat 50. została wystrzelona właśnie w ubiegłym roku.

Większość startów realizowały prywatne firmy ze Stanów Zjednoczonych, przede wszystkim SpaceX i Rocket Lab. Jednocześnie przedsiębiorstwa planują budowę gigantycznych sieci satelitów liczących setki tysięcy, a nawet milion urządzeń. Im więcej obiektów trafia na orbitę, tym więcej będzie ich później wracało na Ziemię.

Operatorzy satelitów są zobowiązani do usuwania nieaktywnych urządzeń z orbity w ciągu 25 lat. Organizacje regulacyjne, w tym amerykańska Federal Communications Commission, naciskają jednak na skrócenie tego okresu do pięciu lat.

Pełna skala problemu może stać się widoczna dopiero za dekadę lub później, bo dzisiejsze decyzje dotyczące projektowania satelitów i polityki kosmicznej będą wpływać na bezpieczeństwo przez wiele lat. 

Kluczowe znaczenie ma rozwój nowych materiałów. Współczesne satelity i statki kosmiczne są coraz lżejsze, bardziej wytrzymałe i odporniejsze na wysokie temperatury dzięki wykorzystaniu materiałów wzmacnianych włóknem węglowym.

Włókno węglowe, kiedyś stosowane niemal wyłącznie w przemyśle kosmicznym, dziś wykorzystywane jest także w rowerach czy samochodach wyścigowych. Nadal pozostaje jednak jednym z podstawowych materiałów używanych przy budowie rakiet, osłon między ich częściami oraz zbiorników pracujących pod bardzo wysokim ciśnieniem.

Klasyczne metale, takie jak aluminium czy stal, podczas wejścia w atmosferę zwykle topią się i spalają w przewidywalny sposób. Materiały z włókna węglowego zachowują się inaczej. Mogą rozpadać się nieregularnie i częściowo chronić cięższe elementy przed wysoką temperaturą, działając jak niezamierzona osłona termiczna. Od początku XXI w. większość odzyskanych kosmicznych śmieci zawierała właśnie fragmenty materiałów z włókna węglowego albo metalowe elementy nimi pokryte.

Europejska Agencja Kosmiczna przewiduje, że wraz ze wzrostem liczby startów szczątki mogą w przyszłości spadać praktycznie w dowolnym miejscu na świecie. Dlatego coraz większym zainteresowaniem cieszy się projektowanie statków kosmicznych w taki sposób, aby całkowicie rozpadały się podczas wejścia w atmosferę.

Może to oznaczać stosowanie materiałów bardziej podatnych na wysoką temperaturę, przenoszenie najbardziej odpornych elementów w miejsca silniej nagrzewające się podczas wejścia w atmosferę albo projektowanie połączeń, które rozpadają się pod wpływem wysokiej temperatury i rozbijają konstrukcję na mniejsze fragmenty.

Przez dekady inżynierowie koncentrowali się przede wszystkim na tym, aby materiały były jak najlżejsze, najmocniejsze i najbardziej odporne. Dziś coraz częściej muszą myśleć także o tym, jak sprawić, by po zakończeniu misji były bezpieczne dla ludzi na Ziemi.

Autorzy

Matthew Ray jest profesorem chemii na University of Wisconsin-Stout. 

Reese Hufnagel pracuje tam jako asystent badawczy w Department of Chemistry and Physics.

Tekst powstał na podstawie artykułu Falling space debris poses an escalating risk as spacecraft get stronger and more heat resistant, który został opublikowany w serwisie The Conversation.

• Nauki techniczne