Αντικείμενα σε τροχιά: το πρόβλημα των διαστημικών απορριμμάτων Understand article

Η ανθρώπινη δραστηριότητα στο διάστημα εδώ και πολλά χρόνια, έχει αφήσει πίσω της χιλιάδες αντικείμενα σε τροχιά γύρω από τη γη. Μάθετε περισσότερα για τους κινδύνους που ελλοχεύουν και τι μπορούμε να κάνουμε γι’ αυτό.

Ο πλανήτης μας περιτριγυρίζεται από δορυφόρους στους οποίους βασιζόμαστε καθημερινά για την επικοινωνία, τις υπηρεσίες πλοήγησης και την παρατήρηση της Γης. Για παράδειγμα, δεδομένα από τους δορυφόρους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υποστηριχθούν  επιχειρήσεις μετά από καταστροφές, να παρακολουθηθεί η κατάσταση μεγάλων κατασκευών, να μετρηθεί η μόλυνση του νερού και της ατμόσφαιρας και να μελετηθεί η κλιματική αλλαγή. Ενώ οι κοινωνίες μας εξαρτώνται ολοένα και περισσότερο από υπηρεσίες που παρέχονται από το διάστημα, οι δορυφόροι που χρησιμοποιούνται για αυτές τις υπηρεσίες, αλλά και οι ίδιοι οι αστροναύτες που βρίσκονται στους διαστημικούς σταθμούς, είναι εκτεθειμένοι σε μια ολοένα αυξανόμενη απειλή από κομμάτια από παροπλισμένους δορυφόρους και πυραύλους που έχουν μείνει σε τροχιά. Αυτά ονομάζονται απορρίμματα του διαστήματος. Θα εξετάσουμε τι είναι τα διαστημικά  απορρίμματα και από πού προέρχονται, τον κίνδυνο που ενέχουν για τους δορυφόρους στο διάστημα και τις μελλοντικές αποστολές και το τι μπορεί να γίνει για να περιοριστεί ο κίνδυνος.

Τι υπάρχει εκεί έξω;

Μετά από 60 χρόνια διαστημικής δραστηριότητας, περισσότερα από 1.000 αντικείμενα, μεγαλύτερα του 1 μέτρου, έχουν απομείνει στο διάστημα. Αυτά είναι μη λειτουργικοί δορυφόροι ή τμήματα των πυραύλων που χρησιμοποιήθηκαν για να τους θέσουν σε τροχιά. Τα αντικείμενα αυτά είναι συνήθως συγκεντρωμένα σε δυο συγκεκριμένες περιοχές του διαστήματος: στην αποκαλούμενη χαμηλή γήινη τροχιά (LEO) και στη γεωστατική τροχιά (GEO).

Τροχιές δορυφόρων

Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη τροχιάς, τα οποία έχουν  διαφορετικά χαρακτηριστικά και χρησιμεύουν για διαφορετικούς σκοπούς. Δυο πολύ συνηθισμένες επιλογές είναι η χαμηλή γήινη τροχιά (LEO) και η γεωστατική τροχιά (GEO).

LEO: αυτές οι τροχιές βρίσκονται συνηθέστερα σε υψόμετρα μικρότερα από 2.000 χλμ και μπορεί να είναι ακόμα και στα 160 χλμ τα περισσότερα εμπορικά αεροπλάνα δεν πετούν πάνω από τα 14 χλμ περίπου. Τα διαστημόπλοια σε τροχιά LEO μπορούν να κινούνται γύρω από τη Γη σε οποιαδήποτε θέση, από γύρω από τον Ισημερινό έως μεταξύ των Πόλων. Κινούνται με ταχύτητα περίπου 7,8 χλμ ανά δευτερόλεπτο και μπορούν να κάνουν τον γύρο της Γης σε περίπου 90 λεπτά.

GEO: πρόκειται για μια  τροχιά με μεγάλο υψόμετρο, 35.785 χλμ. Η ταχύτητα του διαστημόπλοιων σε αυτό το υψόμετρο είναι η απαιτούμενη, ώστε να ολοκληρωθεί μια πλήρης περιστροφή σε ακριβώς 24 ώρες. Επίσης, η τροχιά GEO κινείται γύρω από τον ισημερινό στην ίδια κατεύθυνση με την κίνηση της Γης γύρω από τον άξονά της. Αυτό σημαίνει ότι αυτά τα διαστημόπλοια πάντοτε παραμένουν πάνω από το ίδιο σημείο της επιφάνειας της Γης.

Αν λάβουμε υπόψη μας αντικείμενα μεγαλύτερα των 10 εκατοστών, τότε ο αριθμός των διαστημικών απορριμμάτων είναι μεγαλύτερος από 30.000,^[1] και αποτελείται κυρίως από θραύσματα που προκλήθηκαν από σχεδόν 650 εκρήξεις και συγκρούσεις στο διάστημα. Τα αντικείμενα που είναι μεγαλύτερα από 10 εκατοστά συνήθως μπορούν να παρατηρηθούν από τη Γη και έτσι μπορεί να δημιουργηθεί μία λίστα με τη θέση τους και την ταχύτητά τους, ώστε να είναι πιθανό να προβλεφθούν κατά προσέγγιση  οι μελλοντικές τους θέσεις (μπλε στο σχήμα 1). Αυτές οι πληροφορίες αξιοποιούνται από δορυφόρους εν λειτουργία για την εκτέλεση ελιγμών αποφυγής σύγκρουσης (CAMs), σε περίπτωση που κάποιο από αυτά τα αντικείμενα μπει στην πορεία τους.

Αν διερευνήσουμε ακόμα μικρότερες διαστάσεις, υπολογίζεται ότι υπάρχουν περίπου 1 εκατομμύριο αντικείμενα μεγέθους μεταξύ 1 και 10 εκατοστών (με κόκκινο στο σχήμα 1). Αυτά μερικές φορές αποκαλούνται με τον όρο «φονικά μη ανιχνεύσιμα» αντικείμενα, καθώς είναι πολύ μικρά για να εντοπιστούν από το έδαφος, αλλά αρκετά μεγάλα για να καταστρέψουν έναν δορυφόρο σε μια σύγκρουση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα αντικείμενα σε τροχιά γύρω από τη Γη έχουν πολύ μεγάλη ταχύτητα, της τάξης των 30.000 χλμ/ώρα στη LEO. Για να γίνει κατανοητό πόσο μεγάλη είναι αυτή η τιμή, μπορούμε να φανταστούμε ότι, αν μπορούσαμε να ταξιδέψουμε με αυτήν την ταχύτητα, θα πηγαίναμε από το Παρίσι στη Νέα Υόρκη σε περίπου 12 λεπτά. Καθώς η ενέργεια που απελευθερώνεται σε μια σύγκρουση είναι ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητας σύγκρουσης, ακόμα και μικρά αντικείμενα του 1 εκατοστού μπορούν να προκαλέσουν σημαντική ζημιά (Σχήμα 2). Για λόγους σύγκρισης, η ενέργεια που απελευθερώνεται σε μια σύγκρουση με ένα τέτοιο αντικείμενο μπορεί να συγκριθεί με εκείνη ενός μικρού αυτοκινήτου που προσκρούει σε τοίχο με ταχύτητα 40 χλμ/ώρα. 

Οι κίνδυνοι από τα διαστημικά απορρίμματα

Βραχυπρόθεσμα, τα διαστημικά απορρίμματα καθιστούν τη λειτουργία των δορυφόρων πιο περίπλοκη εξαιτίας της ανάγκης για παρακολούθηση αυτών των απορριμμάτων και τον σχεδιασμό ελιγμών αποφυγής τους. Ενώ αυτοί οι ελιγμοί είναι συνήθως σχετικά μικροί, μπορούν παρόλα αυτά να προκαλέσουν διακοπή των υπηρεσιών που παρέχονται από τον δορυφόρο, οπότε αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει πρόβλημα αν άρχισε να επηρεάζει ένα σημαντικό μέρος του χρόνου λειτουργίας του. Στις επιχειρήσεις της παρούσας φάσης στην ESA κάνουμε περίπου έναν ελιγμό κάθε τρεις μήνες για κάθε δορυφόρο του στόλου μας, αλλά τι θα συνέβαινε εάν χρειαζόταν να κάνουμε ελιγμούς κάθε μήνα ή κάθε βδομάδα;

Επιπλέον, δεν μπορούν να αποφευχθούν όλες οι συγκρούσεις. Αντικείμενα τα οποία δεν λειτουργούν πλέον ή δεν διαθέτουν σύστημα πρόωσης, δεν μπορούν να κάνουν ελιγμούς προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί ο κίνδυνος. Επίσης, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι περισσότεροι κίνδυνοι προέρχονται από αντικείμενα που δεν μπορούν να εντοπιστούν και κατά συνέπεια να αποφευχθούν. Για παράδειγμα, ένα ηλιακό πάνελ του δορυφόρου  Sentinel-1A συγκρούστηκε από ένα αντικείμενο μεγέθους μερικών χιλιοστών, δημιουργώντας έναν κρατήρα 30 εκατοστών και νέα θραύσματα (Σχήμα 3).

Αυτό είναι το βασικό ζήτημα με τα διαστημικά απορρίμματα. Οι συγκρούσεις μπορεί να προκαλέσουν νέα απορρίμματα, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν περαιτέρω συγκρούσεις και ούτω καθεξής, με την πιθανότητα να ακολουθήσει φαινόμενο ντόμινο, γνωστό με το όνομα Σύνδρομο Κέσλερ (Kessler’s syndrome).^[2] Σε αυτό το σενάριο, ο αριθμός των διαστημικών απορριμμάτων θα αυξηθεί τόσο γρήγορα, ώστε κάποιες περιοχές της τροχιάς να  καταστούν σχεδόν μη χρησιμοποιήσιμες εξαιτίας του υψηλού ρίσκου συγκρούσεων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν μακροπρόθεσμες προσομοιώσεις για να εκτιμηθεί το πόσο απέχουμε από μια τέτοια κατάσταση. Σε τέτοιου είδους προσομοιώσεις, η εξέλιξη του αριθμού των διαστημικών απορριμμάτων προβλέπεται με ορίζοντα 100 ή 200 ετών με τις υποθέσεις να βασίζονται στον αριθμό των μελλοντικών εκτοξεύσεων  και τον αριθμό των αντικειμένων που μένουν ανενεργά σε τροχιά.  Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η συνέχιση της τωρινής μας συμπεριφοράς και στο μέλλον, θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα ασταθές περιβάλλον με τον ρυθμό των συγκρούσεων  να αυξάνεται με γεωμετρική πρόοδο.^[3]

Τί μπορεί να γίνει;

Περισσότερα από 20 χρόνια πριν, η τεχνική κοινότητα έθεσε μια σειρά από κατευθυντήριες οδηγίες, κοινές σε διεθνές επίπεδο, που καλύπτουν διάφορα μέτρα άμβλυνσης της κατάστασης.^[4] Ένα από τα βασικά σημεία είναι ότι τα διαστημόπλοια θα πρέπει να εγκαταλείπουν την τροχιά τους μόλις ολοκληρωθεί η αποστολή τους. Για τα διαστημόπλοια στη LEO, αυτό που προτείνεται είναι η διασφάλιση ότι ο δορυφόρος θα επανέρχεται στην ατμόσφαιρα της Γης εντός 25 ετών, ενώ η διαδικασία αυτή παίρνει πολύ περισσότερο χρόνο αν ο δορυφόρος απλά παραμείνει στην τροχιά λειτουργίας του σε υψόμετρο πάνω από 600 χλμ (Σχήμα 4). Η ιδέα πίσω από αυτό είναι να εκμεταλλευτούμε την απομένουσα ατμόσφαιρα για την αποσύνθεση του διαστημοπλοίου (με άλλα λόγια, να μειωθεί το ύψος του) και να εισέλθει φλεγόμενο στην ατμόσφαιρα. Για την τροχιά GEO, όπου η επίδραση της ατμόσφαιρας είναι αμελητέα, η συνιστώμενη μέθοδος δράσης είναι να μετακινούνται τα διαστημόπλοια στην αποκαλούμενη τροχιά «νεκροταφείο», η οποία είναι αρκετά ψηλά, ώστε να διασφαλιστεί ότι εκείνα δεν θα προκαλούν προβλήματα στα λειτουργικά σκάφη για τουλάχιστον 100 χρόνια. Ωστόσο, αν και αυτές οι οδηγίες είναι ευρέως γνωστές, το επίπεδο υιοθέτησης τους είναι ακόμα ανεπαρκές,^[3] καθώς συνήθως γίνεται σε εθελοντική βάση. Πρόσφατα, έχουν προκύψει νέοι μηχανισμοί για την προώθηση της συμμόρφωσης με τα μέτρα αυτά, και τον Οκτώβριο του 2023, εκδόθηκε το πρώτο πρόστιμο στις Η.Π. για αποτυχημένη απομάκρυνση από τη  GEO.

Ένα ακόμα σημαντικό μέτρο μείωσης είναι η αποφυγή των εκρήξεων των διαστημοπλοίων στο διάστημα. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν το εναπομείναν καύσιμο δεν απομακρύνεται. Από τα σχεδόν 650 περιστατικά που σχετίζονται με τα διαστημικά απορρίμματα, εκείνα που σχετίζονται με τα συστήματα προώθησης έχουν δημιουργήσει τον μεγαλύτερο αριθμό απορριμμάτων (Σχήμα 5). Για τον λόγο αυτό, πολλές τεχνολογίες έχουν αναπτυχθεί για το άδειασμα των δεξαμενών καυσίμου στο τέλος της αποστολής, για παράδειγμα, βαλβίδες που μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα ακόμα και μετά από χρόνια στο διάστημα. Παρομοίως, αναπτύσσονται μέθοδοι για την αποφυγή εκρήξεων μπαταριών, με την αποτελεσματική απενεργοποίηση των συστημάτων ισχύος ενός δορυφόρου.

Ακόμα και αν σταματούσαμε όλες τις μελλοντικές εκτοξεύσεις, μακροπρόθεσμες προσομοιώσεις του περιβάλλοντος των απορριμμάτων^[3] δείχνουν ότι ο αριθμός τους θα συνέχιζε να αυξάνεται εξαιτίας εκρήξεων και συγκρούσεων με αντικείμενα που βρίσκονται ήδη σε τροχιά. Για τον λόγο αυτό, αποστολές απομάκρυνσης  ενεργών απορριμμάτων οργανώνονται παγκοσμίως. Ο σκοπός είναι να εκτοξευτεί ένας δορυφόρος εξοπλισμένος με ειδικά συστήματα συλλογής (π.χ.ρομποτικούς βραχίονες, καμάκια ή δίχτυα^[5]) για να απομακρύνει τα μη-λειτουργικά σκάφη από την τροχιά και να προωθήσει την επαναφορά τους. Ενώ κάποιες δοκιμαστικές αποστολές έχουν ήδη πραγματοποιηθεί,^[6] η πρώτη αποστολή για την απομάκρυνση απορριμμάτων από την τροχιά είναι προγραμματισμένη για το 2025.^[7] Μια καλλιτεχνική αναπαράσταση αυτής της αποστολής φαίνεται στο Σχήμα 6.

Συμπερασματικά, καθώς συνειδητοποιούμε περισσότερο τη βιωσιμότητα των δραστηριοτήτων μας στη Γη, το ίδιο συμβαίνει και στο διάστημα. Ο περιορισμός της παραγωγής διαστημικών απορριμμάτων και η διασφάλιση ότι οι διαστημικές αποστολές θα ακολουθούν τις οδηγίες για τον περιορισμό αυτών,  είναι ένα απαραίτητο βήμα που θα επιτρέψει στις μελλοντικές γενιές να έχουν πρόσβαση στο διάστημα και να καρπώνονται τα σημαντικά οφέλη από τους δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη.

References

[1] ESA, τα διαστημικά απορρίμματα σε αριθμούς: https://sdup.esoc.esa.int/discosweb/statistics/

[2] Kessler DJ, Cour-Palais BG (1978) Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt. Journal of Geophysical Research 83: 2637–2646.  doi: 10.1029/JA083iA06p02637

[3] Η Ετήσια Έκθεση της ESA για το Διαστημικό Περιβάλλον (2023): https://www.sdo.esoc.esa.int/environment_report/Space_Environment_Report_latest.pdf

[4] IADC Space Debris Mitigation Guidelines Rev. 3 (2021): https://www.iadc-home.org/documents_public/file_down/id/5251

[5] Biesbroek R et al. (2013). The e.Deorbit CDF Study: A Design Study For The Safe Removal Of A Large Space Debris. Proceedings of the 6^th European Conference on Space Debris:  https://conference.sdo.esoc.esa.int/proceedings/sdc6/paper/122/SDC6-paper122.pdf

[6] Aglietti GS et al. (2020). The active space debris removal mission RemoveDebris. Part 2: In orbit operations. Acta Astronautica 168 310–322. doi: 10.1016/j.actaastro.2019.09.001

[7] Biesbroek R et al. (2021) The ClearSpace-1 mission: ESA and ClearSpace team up to remove debris. Proceedings of the 8^th European Conference on Space Debris: https://conference.sdo.esoc.esa.int/proceedings/sdc8/paper/320/SDC8-paper320.pdf

Resources

• Παρακολουθήστε ένα σύντομο βίντεο σχετικά με το πρόβλημα των διαστημικών απορριμμάτων.
• Βρείτε ένα σχετικά πιο λεπτομερές βίντεο που περιλαμβάνει την κατάσταση, τις τάσεις και τις προσεγγίσεις εξομάλυνσης του προβλήματος.
• Παρακολουθήστε μια κινούμενη εικόνα που δείχνει την κατανομή των απορριμμάτων διαφόρων μεγεθών που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη γη.
• Ανακαλύψτε μια σειρά από πληροφοριογραφήματα και podcasts πάνω στο θέμα των διαστημικών απορριμμάτων.
• Διαβάστε ένα άρθρο σχετικά με το πώς μια ζημιά που προκλήθηκε από κάποιο διαστημικό απόρριμμα σε μια κάψουλα προσγείωσης άφησε πολλούς αστροναύτες αποκλεισμένους στο διάστημα για περισσότερο από έναν χρόνο.
• Παρακολουθήστε μια συνέντευξη με την αστροναύτη της ESA, Samantha Cristoforetti, σχετικά με τα διαστημικά απορρίμματα έξω από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS).
• Διαβάστε σχετικά με μια πρόσφατη υπόθεση, όπου ένα δορυφορικό δίκτυο, έλαβε πρόστιμο, γιατί δεν παρόπλισε με τον κατάλληλο τρόπο τους δορυφόρους του.
• Χρησιμοποιήστε το πρόγραμμα της ESA «teach with space» για να εμπνεύσετε τους μαθητές σας κατά τη διδασκαλία των επιστημών: Cardoso C (2023) Save the date for Back to School with ESA 2023–2024. Science in School 64.
• Μετατρέψτε μια κάμερα υπολογιστή σε κάμερα υπέρυθρων και δείτε τον κόσμο μέσα από υπέρυθρο φως: ESA Education (2022) Infrared webcam hack – using infrared light to observe the world in a new way. Science in School 56.
• Για περισσότερες διδακτικές δραστηριότητες σχετικές με το διάστημα και τη μηχανική, δείτε αυτήν τη δραστηριότητα από την ESA: ESA (2021) Landing on the Moon – planning and designing a lunar lander. Science in School 51.
• Ανακαλύψτε πώς οι αστρονόμοι μελετούν το παρελθόν του Γαλαξία μας και βλέπουν το μέλλον του: Forsberg R (2023) Galactic Archaeology: how we study our home galaxy.  Science in School 64.
• Μάθετε για τη ζωή στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό: ESA (2009) The International Space Station: life in space. Science in School 10.
• Διαβάστε για την ανακάλυψη ενός εντελώς καινούριου τύπου πλανήτη: ESA (2021) Hubble helps discover a new type of planet largely composed of water. Science in School 61.
• Διαβάστε για το πώς χρησιμοποιούνται οι δορυφόροι για την πρόγνωση του καιρού και για μετρήσεις της ποιότητας του αέρα: Rider H, Straume AG (2019) Forecasts from orbit. Science in School 46: 14–19.

 

Institutions

Author(s)

Η Francesca Letizia είναι μηχανικός για τον περιορισμό των διαστημικών απορριμμάτων και για την ασφαλή επιστροφή, στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA). Κατά την περίοδο συγγραφής του άρθρου, η Francesca ήταν μηχανικός Διαστημικών Απορριμμάτων στο αντίστοιχο γραφείο της ESA, δουλεύοντας πάνω στην εκτίμηση του βαθμού συμμόρφωσης της διεθνούς κοινότητας με τις  οδηγίες σχετικά με τον μετριασμό των διαστημικών απορριμμάτων. Επίσης, εργαζόταν πάνω στην ανάπτυξη νέων προσεγγίσεων για τη μοντελοποίηση των κινδύνων που σχετίζονται με τα διαστημικά απορρίμματα.

Review

Η εξέλιξη της επιστήμης έχει επίσης σημάνει την κατάκτηση του διαστήματος. Ο άνθρωπος στέλνει δορυφόρους στο διάστημα για να το εξερευνήσει, αλλά και για να τους αξιοποιήσει σε διάφορους τομείς, όπως παγκόσμιες επικοινωνίες, πρόβλεψη καιρού,  παρακολούθηση πυρκαγιών, πλημμύρες…Η εμφάνιση των διαστημικών απορριμμάτων δημιουργεί προβλήματα για το μέλλον. Γι΄ αυτό είναι τόσο σημαντικό να γνωρίζουμε πώς να περιορίσουμε την ανησυχητική αύξησή τους διαβάζοντας αυτό το άρθρο.

Corina Toma, Physics teacher, Romania

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF