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.
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.
