Kosmiczne śmieci - zagrożenie dla cywilizacji

 

Masa krytyczna - to pojęcie z fizyki jądrowej. Upraszczając -wyobraźmy sobie, że jądra ciężkich pierwiastków przypominają ogromne krople wody. Napięcie powierzchniowe trzyma kroplę razem, ale wystarczy drobne zaburzenie, by kropla rozpadła się na dwie mniejsze. Podobnie wygląda sytuacja z jądrami ciężkich pierwiastków - w typowym scenariuszu takie jądro, trafione neutronem, poruszającym się z odpowiednią prędkością, rozpada się na dwa lżejsze jądra, emitując dwa neutrony.

Jeśli atomów w zebranej masie jest zbyt mało, to te wyemitowane neutrony opuszczą masę, nie powodując dalszych reakcji. Im więcej atomów, im większa masa, tym większe prawdopodobieństwo, że wyemitowane neutrony napotkają inne ciężkie jądra, doprowadzając do ich rozpadu i emisji kolejnych neutronów, które powodują rozpady kolejnych jąder, i z każdą chwilą liczba swobodnych neutronów rośnie lawinowo - następuje błyskawiczny rozpad całej masy i wyzwolenie ogromnej energii. Masę, wystarczającą do zainicjowania lawinowego rozpadu materiału, nazywamy właśnie masą krytyczną, a sam proces - reakcją łańcuchową.

No i okazuje się, że i w astronautyce wisi nad nami niebezpieczeństwo reakcji łańcuchowej innej natury, ale również niosącej za sobą katastrofalne skutki.

W przestrzeni kosmicznej na tak zwanych niskich orbitach okołoziemskich (LEO - Low Earth Orbits) krąży coraz więcej satelitów. Liczba obiektów na tych orbitach sięga obecnie ok. 20 tys. Ich prędkości względem Ziemi wynoszą ok. 7 km/s, czyli ok. 25 tys. km/godz. Teoretycznie jest więc możliwe, że dwa takie obiekty mogą zderzyć się ze sobą z prędkością nawet 50 tys. km/godz. Energia takiego zderzenia byłaby ogromna, doprowadzając do rozpadu obu obiektów na wiele mniejszych, poruszających się w różnych kierunkach. Przy odpowiednim zagęszczeniu przestrzeni odłamki takiego zderzenia mogą doprowadzić do kolizji z innymi satelitami, produkując kolejne odłamki i tak dalej. W tym czarnym scenariuszu od chwili pierwszego takiego zdarzenia do zniszczenia okrążających Ziemię satelitów i zamiany ich w chmurę śmieci, wystarczająco gęstą, by uniemożliwić wynoszenie na wyższe orbity nowych obiektów, minęłyby raptem godziny.

Problem został podniesiony po raz pierwszy już w 1960 roku, jeszcze nie w tak katastrofalnym scenariuszu. Willy Ley, popularyzator nauki, zwrócił uwagę, że rosnąca liczba śmieci orbitalnych może w przyszłości stać się problemem, i że zajdzie konieczność ich usuwania. Amerykańskie Dowództwo Obrony Północnoamerykańskiej Przestrzeni Powietrznej i Kosmicznej (NORAD - North American Aerospace Defense Command) już w 1957 roku, po starcie pierwszego sztucznego satelity zaczęło prowadzić bazę obiektów na orbicie okołoziemskiej. Obejmuje ona nie tylko satelity, ale również wyniesione na orbitę kolejne stopnie rakiet nośnych czy osłony ładunków.

Już w latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku zaczęto prowadzić w przestrzeni kosmicznej testy broni, służących do rażenia i niszczenia wrogich satelitów, i tak do bazy obiektów NORAD dołączyły śmieci po rozwalonych satelitach.

Scenariusz lawinowego rozpadu satelitów na niskich orbitach został po raz pierwszy opisany w 1978 roku przez dwóch naukowców z NASA, Donalda Kesslera i Burtona Cour-Palais, i jest nazywany syndromem Kesslera.

Część obiektów, których perygeum, a więc punkt orbity, leżący najbliżej Ziemi, leży nisko, spłonie z czasem w atmosferze ziemskiej. Dla obiektów o wyższych perygeach czas potrzebny do spontanicznej deorbitacji może trwać już wiele lat czy wieków.

Niedawno na arxiv.org (https://arxiv.org/abs/2512.09643) ukazał się artykuł naukowy, analizujący zagrożenia związane ze zbliżeniami obiektów kosmicznych i proponujący wprowadzenie miary zagrożenia - zegara CRASH (Collision Realization and Significant Harm) jako wynikającego z rachunku prawdopodobieństwa średniego okresu pomiędzy przypadkowymi zderzeniami, jeśli nie interweniowałby czynnik ludzki. W 2018 roku ten okres wynosił 121 dni. Obecnie skrócił się do 2.8 dnia.

Podobnie jak w przypadku klimatu na Ziemi, przyszłość zależy od odpowiedzialności ludzkości jako całości. Nie ma obecnie prawa, które nakazywałoby takie projektowanie misji kosmicznych na niskie orbity, żeby satelity po zakończeniu misji ulegały kontrolowanej deorbitacji. Od czasu do czasu dochodzi do zdarzeń, sugerujących "gorące" testowanie broni antysatelitarnych, produkujących kolejne śmieci orbitalne. Spadające ceny wynoszenia ładunków w kosmos i komercjalizacja przestrzeni powoduje gwałtowny wzrost liczby obiektów orbitalnych i wzrost prawdopodobieństwa ziszczenia się opisanego scenariusza. Może być tak, że niedługo na skutek własnej bezmyślności odetniemy się na dłuższy czas od możliwości lotów kosmicznych.

Mecz Ziemianie-Mars

Każda próba lądowania na Marsie to ogromne wyzwanie dla technologii. Ze względu na odległość pomiędzy Marsem i Ziemią o żadnym nadzorowaniu nie może być mowy - sygnał będzie biegł przez kosmos przez 8 minut, więc możemy jedynie obserwować i zdać się na niezawodność wcześniej przygotowanych procedur. Jak w przypadku Marsa wygląda wynik tego meczu pomiędzy ludzką przemyślnością a chaosem?

Pierwszą próbę lądowania na Marsie podjęli Sowieci już w 1962 roku. Misja polegała na wysłaniu - w gruncie rzeczy - pocisku - w kierunku Marsa. Lądownik miał dotrzeć do Czerwonej Planety i rozbić się o jej powierzchnię - kontrolowane lądowanie było wtedy jeszcze nie do pomyślenia. Niestety, rakieta nośna zawiodła już na niskiej orbicie i lądownik nigdy nie opuścił pobliża Ziemi. 1:0 dla Marsa.

Kolejne próby to znowu Związek Radziecki. Tym razem przymierzano się już do kontrolowanego opuszczenia na powierzchnię Marsa. W 1971 roku wysłano dwie misje, Mars 2 i Mars 3, obie z lądownikami. Obie opuściły orbitę Ziemi i pomknęły w przestrzeń. Mars 2 doleciał do Marsa, jednak lądownik rozbił się o powierzchnię planety. Mars 3 również dotarł do celu. Jego lądownik zawierał mały łazik, który na nartach był w stanie poruszać się na kablu w bezpośredniej bliskości lądownika. Tym razem udało się wylądować, jednak 20 sekund po wylądowaniu transmisja się urwała z nieznanych przyczyn. Lądownik zdążył przekazać 70 linii pierwszego zdjęcia z powierzchni Marsa, jednak trudno powiedzieć, czy obraz przedstawia cokolwiek. Policzmy to lądowanie jako remis, mamy więc 2,5:0,5 dla Marsa.

Sowieci próbowali dalej. Dla czerwonego reżimu zdobycie Czerwonej Planety było swego rodzaju obsesją - przegrali wyścig na Księżyc, chcieli wygrać ten marsjański. W 1973 roku poleciały cztery misje, z których dwie miały w planach lądowanie. Obie dotarły na orbitę wokółmarsjańską. Z Marsem 6 utracono kontakt podczas próby lądowania, Mars 7 na skutek awarii jednego z silników w ogóle nie trafił w planetę. 4,5:0,5 dla Marsa.

Sowieci planowali kolejne ambitne misje, które nie doszły jednak do skutku. W 1973 miała wystartować misja z Marsochodem na pokładzie, na 1975 planowano misję z pobraniem próbek powierzchni i powrotem na Ziemię. Obie miały korzystać z superrakiety nośnej N1, której jednak nie udało się poprawnie skonstruować i misje odwołano.

Na scenę wkraczają Amerykanie. 20 lipca 1976 roku, w 8 lat po lądowaniu na Księżycu, Viking 1 stał się pierwszym lądownikiem, który dotarł na powierzchnię Marsa i wypełnił swoje zadanie. Po lądowaniu nadawał przez 2307 ziemskich dni. Wtedy po raz pierwszy w historii ujrzeliśmy czytelne zdjęcia, wykonane z powierzchni Czerwonej Planety. Jego bliźniak, Viking 2, wylądował 3 września 1976 roku i nadawał przez 1316 dni. 4,5:2,5 dla Marsa.

I znowu na scenę wkraczają Sowieci. W lipcu 1988 roku wysłano dwie misje, Fobos 1 i Fobos 2, które miały podjąć próby lądowania na jednym z księżyców Marsa, Fobosie. W momencie wysłania Fobos 1 był największym pojazdem międzyplanetarnym, wysłanym przez ludzkość. Podczas jego lotu przewidziano dwie korekty kursu. Podczas jednej z sesji łączności technik wprowadził błędne polecenie i w wyniku zbiegu kilku błędów stracono kontakt z misją. Fobos 2 był ostatnią sondą kosmiczną, wysłaną przez nieświętej pamięci Związek Radziecki. Wystartował kilka dni po Fobosie 1, bez przeszkód dotarł w pobliże Marsa, pokręcił się po jego podwórku, przekazując zdjęcia księżyca. Tuż przed próbą lądowania na księżycu - były dwa lądowniki, jeden stacjonarny i drugi, który miał skakać po powierzchni - utracono kontakt z sondą. 6,5:2,5 dla Marsa.

Związek Radziecki zniknął, na scenę wkracza Rosja. W 1996 roku wysyła misję Mars 96, która zawiera lądownik z wiertłem, które ma się zagłębić na 6 metrów. Wiele elementów misji wzorowano na programie Fobos. Znowu jest to największa sonda kosmiczna w historii. I znowu porażka, Zawiódł czwarty stopień rakiety nośnej, w rezultacie sonda oddzieliła się od statku na niewłaściwej orbicie, odpaliła swoje silniki i pomknęła - w kierunku Ziemi. W dużej mierze musiała spłonąć w atmosferze, jednak 200 gramów radioaktywnego plutonu 238 na pewno przetrwało i spadło na Ziemię, gdzieś na pustyniach Chile. Żadnych śladów jednak nie odnaleziono. 7,5: 2,5 dla Marsa.

Jakoś Rosjanom nie szło, a Amerykanom - i owszem :-). Tego samego roku w grudniu startuje misja Mars Pathfinder, która znajduje swoją drogę, dociera na miejsce, ląduje 4 lipca, w święto narodowe USA, otoczona piłeczkami poduszek powietrznych, i uwalnia łazik Sojourner, który przez kilkadziesiąt dni jeździ wte i wewte wokół lądownika. 6,5:3,5 dla Marsa.

Przychodzi czas na pierwszą amerykańską porażkę. Mars Polar Lander miał wylądować w pobliżu bieguna południowego planety. Oprócz instrumentów naukowych na pokładzie znajdowała się płytka CD z nazwiskami miliona dzieci z całej Ziemi. W grudniu 1999 roku silniki hamujące wyłączyły się zbyt szybko i sonda, wraz z milionem dziecięcych imion, zaryła z dużą prędkością w zmarzniętą powierzchnię Marsa. 7,5:3,5 dla Marsa.

Na naszej czerwonej od krwi robotów scenie pojawia się nowy gracz, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). Lądownik Beagle 2 (nazwany tak nie od rasy psa, lecz od statku, na którym Karol Darwin popłynął podglądać żółwie na wyspach Galapagos) był brytyjską konstrukcją, przyczepioną do europejskiego orbitera Mars Express. Kombo doleciało do Marsa, 19 grudnia 2003 roku Beagle 2 odłączył się od orbitera. Miał wylądować 25 grudnia, ale już nigdy się nie odezwał. Długo nie było wiadomo, co się stało, jednak w 2015 znaleziono lądownik na zdjęciach sondy Mars Reconaissance Orbiter, która wykonuje zdjęcia powierzchni planety. Analiza zdjęć sugeruje, że Beagle-2 wylądował poprawnie, jednak doszło do awarii podczas rozkładania paneli słonecznych. Policzę to jako połowiczny sukces. 7:4 dla Marsa.

No i dotarliśmy do największych osiągnięć ludzkości (czytaj: Amerykanów) w podboju Marsa. Rok 2004 i na Marsie lądują dwa łaziki: Spirit i Opportunity. Jeżdżą po planecie jak głupie: Spirit przez 2269 ziemskich dni, Opportunity przez ponad 5000 dni. W tym roku, w związku z dużymi burzami pyłowymi na powierzchni Marsa, 12 czerwca Opportunity przeszedł w stan hibernacji. Niestety, nie odzyskano już z nim łączności. 7:6 dla Marsa.

W 2008 roku amerykański Phoenix wylądował poprawnie, wyrównując mecz na 7:7. Było to pierwsze udane lądowanie w rejonie polarnym. Lądownik pracował przez 157 marsjańskich dni, dopóki nie pokonała go zima. Po raz pierwszy remis, 7:7!

Pamiętacie jeszcze Rosjan? Znowu wkraczają do gry. W listopadzie 2011 roku startuje misja Fobos-Grunt, której celem jest lądowanie na Fobosie i powrót z próbkami. Trudno powiedzieć, co dokładnie poszło źle, sonda opuściła Ziemię, ale nie doszło do odpalenia silników, które miały skierować ją w głąb kosmosu. Po wielu próbach komunikacji sonda spadła do Pacyfiku. Rosjanie pierwotnie sugerowali, że niepowodzenie misji było spowodowane sabotażem państw zachodnich, ostatecznie zrzucono winę na błąd w oprogramowaniu. Prawdopodobnie jednak przyczyną był splot typowych dla Rosjan czynników: słabej kontroli jakości, niedostatecznych procedur testujących, wszechobecnej korupcji. Mars ponownie wychodzi na prowadzenie - 8:7.

No i czas na kolejny ogromny sukces, 2012 rok i lądowanie łazika Curiosity. Łazik działa do dziś, po powierzchni Marsa przejechał już prawie 20 km. Jest znowu remis, 8:8.

Rok 2016 i druga przymiarka Europy. Skonstruowany głównie przez Włochów lądownik Schiaparelli podjął próbę lądowania w październiku 2016 roku. Przez jakiś czas wszystko szło gładko, aż zawiódł jeden z czujników, który zaraportował, że lądownik znajduje się pod powierzchnią Marsa. Nastąpiło odpalenie spadochronu i silników hamujących już w sekwencji przyziemienia, zamiast spowolnienia opadania na powierzchnię. Następnie silniki wyłączyły się w przekonaniu, że zakończono pomyślnie manewr lądowania. Lądownik spadł z wysokości prawie 4 km, rozbijając się o powierzchnię z prędkością ponad 500 km/h. 9:8 dla Marsa.
No i jutro, znowu NASA. Wyrównamy? Ciekaw jestem, czy ktokolwiek przeczyta to do końca :-)