A tágabb környezet védelmében – Szemét Földön-égen

Minden olyan általunk a világűrbe juttatott tárgy vagy anyag, mely már haszontalanná vált számunkra, űrszemétnek tekinthető. Ilyenek lehetnek a meghibásodott, vagy az üzemanyag kiürülése miatt irányíthatatlanná vált műholdak, rakétafokozatok, balesetek vagy katonai kísérletek során keletkezett törmelékdarabok, kiszivárgott vagy szándékosan kiengedett folyadékok, gázok.

A világ első űrszemétdarabja 1957. október 4-én kelet­kezett, ugyanis a Szputnyik-1-et pályára állító módosított R-7 rakéta kiürült második fokozata a műholddal azonos pályára állt, és december 2-ig keringett felettünk. (Az első műhold akkumulátorai október 26-án merültek le, és 1958. január 4-én égett el az atmoszférába süllyedve.)

Az ENSZ adatbázisa szerint 2022 végéig 14644 űresz­közt bocsátottak pályára, s újévkor 8840 működő és 2325 meghibásodott szerkezet keringett bolygónk körül. Ha éves bontásban vizsgáljuk a számokat, lát­hatjuk, hogy az utóbbi időben – főleg az internetszol­gáltató „özönműholdak”-nak köszönhetően jelentős forgalomnövekedés tapasztalható az űrben. (A statisz­tikában szerepel további 1167 geostacionárius műhold is, de arról nincs információ, hogy ezek közül mennyi működik még.) 1395 szabályosan visszatért (leszállt), míg 459 megsemmisült a légkörben. (Csupán né­hány tucat hagyta el bolygónk térségét, ezek több­sége már szintén nem működik.) Egyben biztosak lehetünk: a most még működő berendezések is be­végzik egyszer.

Elég nagy a világűr, hogy mindez kényelmesen elfér­jen benne – mondhatnánk – csakhogy a „szemetelés” leginkább alacsony Föld körüli pályára koncentráló­dik, innen pedig a feljuttatott javak előbb vagy utóbb visszahullnak bolygónkra. De a még keringő törmelék is sok fejtörést okoz az űrkutatási szakemberek számá­ra. Számoljunk egy cseppet!

A föld körül körpályán mozgó testre ható centripe­tális erő,

ahol m a test tömege, vk a keringési sebesség és r a pálya sugara. A testet a rá ható gravitációs erő

(itt M a Föld tömege, G pedig a gravitációs állandó) tartja pályáján, vagyis FCP=FG. Ezekből vk-t kifejezve:

A felszín közelében túl sűrű a légkör, ha ide kerül a tárgy, legfeljebb néhány keringésen belül lefékeződik és lezuhan. Számoljunk 6800 km-es pályasugárral (nagy­jából itt kering a Nemzetközi Űrállomás is); ebben a ma­gasságban már évtizedekig képes pályán maradni a test. Behelyettesítve 7657 m/s keringési sebességet kapunk. Mozogjon ezen a pályán egy csupán 1 cm3 térfogatú, vas­ból készült alkatrész! Tömege: 7,87 g. Mozgási energiája:

230 kJ. (Összehasonlításul: egy M16 gépkarabély löve­dékének csőtorkolati energiája az 5 kJ-t sem éri el.) Ha a test éppen azonos pályán, de ellenkező irányban kering az űrállomással, és karamboloznak, relatív se­bességük duplája lesz a keringési sebességnek.

Ha ugyanebben a magasságban egyre nagyobb kezdő­sebességgel indítjuk útjára a testet, egyre elnyúltabb el­lipszispályán fog a Föld körül keringeni, 10,83 km/s sebes­ségnél ( ) pedig végképp elhagyja bolygónk térségét (vagyis ebben a magasságban ez a szökési sebesség), tehát ennél gyorsabb űrszemétdarabokra már nem kell számítanunk ezen a pályán.

A rakétaindításnál minden gramm teher számít, ezért az űrhajók nem készülnek golyóálló páncélzattal. Az uta­sok testi épségének védelmére fel kell deríteni és nyilván kell tartani a rájuk leselkedő veszélyforrásokat! A műkö­dő műholdakkal rádión tartjuk a kapcsolatot, pályájuk és aktuális pozíciójuk ismert. Az űrszemét követése bonyo­lultabb dolog. Bár a világűr határát 100 km környékén szokás definiálni (markáns határvonalat nem találunk, ezért inkább megállapodás kérdése), a levegő itt nem fogy el teljesen, ráadásul a naptevékenység hatására folyama­tosan és előre kiszámíthatatlanul változik is a ritka felső légkör alakja és sűrűsége. A közegellenállásból adódó pá­lyaváltozásokra így csupán becslések adhatók. A nagyobb darabok vizuálisan is követhetők, erről egy derült éjszakán a városi fényektől eltávolodva személyesen is meggyőződ­hetünk. Az „aprólék” nyilvántartása radarral lehetséges. Az Egyesült Államokban a US Space Surveillance Network, míg Oroszországban a Krona, illetve a tádzsik területen lévő Akno rendszer látja el ezt a feladatot. Az óceánon túli berendezéssel 10 cm körüli mérethatárig vehetők észre testek (magasabb pályákon bizonyára romlik az érzékenység). Mint láttuk ennél lényegesen kisebb tár­gyak is végzetesek lehetnek. A közkedvelt Flightradarhoz hasonlóan – ami a légi járművek mozgását mutatja – az AstriaGraph webes alkalmazás segítségével magunk is nyomon követhetjük a térség űr-forgalmát.

Kessler-szindróma

2005 januárjában a USSSN munkatársai „élő adásban” nézték végig, ahogy egy 31 éves amerikai rakéta marad­ványai ütköztek frontálisan egy 2000-ben felbocsátott kínai rakéta harmadik fokozatával. Az eredmény számtalan szétrepülő törmelékdarab lett. Ezek újabb veszélyforrást jelentenek. Minél több van belőlük, an­nál gyakrabban okoznak bajt, és minél gyakrabban tör­ténik ütközés, annál gyorsabban nő az űrszemét men­nyisége, míg végül teljesen ellepi a térséget ellehetet­lenítve bármiféle űrtevékenységet. Ennek kockázatára Donald J. Kessler, a NASA munkatársa hívta fel a figyel­met még 1978-ban, így róla nevezték el a jelenséget. Szerencsére kevés űrkarambolt rögzítettek a radarok, de amikor egy műhold váratlanul elhallgat, a lehet­séges hibaokok közül az űrszeméttel való találkozást sem szabad kihagyni. A mesterséges égitestek „termé­szetes szaporulata” mellett sajnos a szándékos rom­bolás is megjelent: 2007. január 11-én Kína egy földről indított rakétával szétlőtte egy saját – már haszná­laton kívüli – műholdját. A cél: erődemonstráció, az eredmény: ~150 000 törmelékdarab. Alig egy évvel ké­sőbb az USA – bizonyítva, hogy ők sem rosszabbak (és bizonyítva, hogy ők sem jobbak) – megismételte a produkciót. Az ESA múlt évi űrkörnyezeti jelentésében az 1 centiméternél nagyobb szemétdarabok számát egymilliónál is többre becsülik.

A légkörbe lépve

A visszahulló darabok is hordoznak kockázatot. A sű­rűbb légkörbe lépve az űrszemét nagy része elég. De nem minden. A nagyobb alkatrészek pusztán mechanikai energiájukkal is okozhatnak galibát. Leegyszerűsítve: a fejünkre eshetnek. Szerencsére a mai műholdakat már úgy gyártják, hogy feladatuk végez­tével önerőből el tudják hagyni pályájukat. Az alacso­nyan keringőket a légkörbe irányítják, ahol gyorsan lefékeződnek és elégnek. A nagyobbak esetén arra is ügyelnek, hogy a pálya valamelyik óceánban érjen vé­get, és a kritikus időpontban a hajóforgalmat is kor­látozzák a környéken. A magasabb pályák esetén más megoldást alkalmaznak. A geoszinkron objektumok (ezek keringési ideje éppen egy nap) pályamagassága 35 790 km, de például a GPS-holdak is 20 000 km körül mozognak. Innen rengeteg üzemanyagot igényelne a légkörbe süllyesztés, ezért inkább megemelik az élet­ciklusuk végét közelítő űreszközöket, úgynevezett te­metői pályára állítva őket. Itt már valóban annyira cse­kély a közegellenállás, hogy hosszú évezredekig sem térnek vissza eredeti útvonalukra. A hordozóeszközöket is úgy méretezik, hogy ma­radjon némi üzemanyag-tartalék a végfokozatban, így miután pályára állította hasznos terhét, visszatérhet a légkörbe.

A jövő üzemanyagtöltő állomása (Grafika: Orbit Fab)

Az Intelsat–10–02 műhold az őt megközelítő MEV–2 felvételén (Kép: Northrop Grumman)

Mit hoz a jövő?

A jelenleg folyó kísérletek a Föld körül keringő űr­szemét összegyűjtésére irányulnak. Ha egy – erre a célra fejlesztett – műhold a hibás eszközzel vagy törmelékdarabbal azonos pályára tud állni, befoghatja azt, majd visszatérhet és (az összeszedett hulladékkal együtt) eléghet a légkörben. De lehetnek a fedélzeten mérgező, radioaktív, vagy egyéb környezeti kockáza­tot jelentő anyagok is, ezek mennyisége azzal csök­kenthető, ha kevesebb műhold megy tönkre, vagyis ha sikerül megnövelnünk azok élettartamát. Erre is vannak elképzelések, sőt, készülnek a prototípusok is. A magukra hagyott űreszközök lassan (de bizto­san) elhagyják pályájukat. A visszatéréshez korrekci­ós hajtóműveket használnak. Ezek az apró rakéták persze valamiféle üzemanyagot (általában hidrazint) használnak. Ha a tartály kiürül, a berendezés irányít­hatatlanná válik. Múlt nyáron jelentette be az Orbit Fab cég, hogy hamarosan üzemanyagtöltő állomást juttat Föld körüli pályára. Persze az űr-utántöltéshez a felbocsátandó műholdakat is el kell látni megfelelő dokkolóegységgel. Az Orbital ATK komplett hajtómű­egységeket szállítana és rögzítene a meghibásodott stabilizáló rendszerű eszközökhöz megnövelve ezzel élettartamukat. MEV–1 és –2 műholdjaik már bizo­nyították a technológiában lévő lehetőségeket. (Ezek még nem végeztek javítást, „csupán” megragadták célpontjukat és visszavontatták az eredeti pályára.) A következő lépés a modul-rendszerűen megépí­tett műholdak helyszíni javítása lehet. A Szerviz-jármű egy robotkarral elfogja az űreszközt, majd a hi­bás részegység cseréjét követően ismét útjára bocsátja. Ezt követően – és innen a történet már sci-fi határát súrolja – az elromlott darabokkal egy szerviz-űrállo­máshoz manőverez, ahol aztán az űr-karbantartók feltárják és kijavítják a hibát. Az eredmény: kevesebb hulladék keletkezik, és kevesebb rakétát kell indítani a kieső szolgáltatások pótlására. Ha ez megvalósul egyszer, az az űrben is hatalmas lépésnek számítana a körforgásos gazdaság irányába.

J. S. A.

Nyitóképünk: Űrkarambol (Grafika: ESA)

A KEHOP-3.1.5-21-2021-00003. sz. projektet
támogatta Magyarország Kormánya
és az Európai Unió.

Természet Világa