Jest granica, po której satelity robią się niebezpieczne. Część już ją przekracza

Okazuje się, iż nie chodzi tylko o samą liczbę satelitów. Znaczenie mają również wysokość orbity, masa, powierzchnia, czas pracy, silniki i sposób schodzenia z orbity.

Satelita sam w sobie może być zaprojektowany naprawdę porządnie. Ma silniki, plan zejścia z orbity, system unikania kolizji i deklarację, iż po zakończeniu pracy nie zostanie kosmicznym śmieciem. Duży problem zaczyna się jednak wtedy, gdy takich satelitów ma być nie 100, ale 10 tys., 100 tys. albo milion. Nowy model pokazuje nam, iż dla każdej konstelacji istnieje granica, po której system zaczyna produkować odłamki szybciej, niż orbita potrafi się z nich oczyszczać.

To nie jest jedna liczba dla całego kosmosu

Granica opisana w nowym badaniu nie jest limitem w stylu: 5000 satelitów i koniec, na głowę będzie nam spadać kosmiczny słom. Wszystko tak naprawdę rozbija się o to, gdzie te satelity latają i jak są zbudowane. Znaczenie ma m.in. wysokość lotu, powierzchnia satelity, masa, czas życia, tempo wymiany na nowe egzemplarze, skuteczność manewrów unikowych i to, co dzieje się z urządzeniem po zakończeniu misji. Satelita na niskiej orbicie, który po awarii stosunkowo gwałtownie spłonie w atmosferze, jest czymś innym, niż obiekt na większej wysokości, gdzie odłamki mogą krążyć przez dekady albo może i dłużej.

Hugh Lewis z University of Birmingham zaproponował model, który patrzy nie tylko na pojedynczego satelitę, ale na całą konstelację. To szalenie istotne, ponieważ dzisiejsze oceny ryzyka często rozbijają problem na małe kawałki: czy jeden satelita spełnia wymagania, czy potrafi zejść z orbity, czy ma plan unikania kolizji. Tymczasem konstelacja działa jak system. o ile ma tysiące obiektów, każdy przelot, każda awaria i każda wymiana starego satelity na nowy dokładają się do wspólnego ryzyka.

Lewis przeanalizował w sumie 16 konstelacji: już częściowo działających, planowanych albo zgłoszonych regulatorom. Łącznie obejmują niemal 1,7 mln satelitów. Wynik nie jest dla nas za ciekawy. Według modelu 6 konstelacji może przekraczać próg środowiska runaway, czyli takiego, w którym odłamków zaczyna przybywać bez kontroli. Chodzi o Guowang, Stampede, Project Sunrise, Starcloud, połączone konstelacje E-Space Cinnamon i Semaphore oraz Starmind, czyli projekt orbitalnych centrów danych SpaceX.

Trzy kolejne konstelacje mają przekraczać próg środowiska niestabilnego. To Eutelsat OneWeb, Eutelsat Next i Starlink Generation 3. W takim wariancie populacja odłamków nie musi rosnąć bez końca, ale może dojść do wysokiego poziomu równowagi, który przez cały czas zwiększa zagrożenie dla działających statków.Siedem analizowanych systemów znalazło się poniżej obu progów. To m.in. AST SpaceMobile, Telesat Lightspeed, Lynk, Amazon Leo, Blue Origin TeraWave i Starlink Mobile Satellite Service. Najważniejsze jest jednak to, iż nie zawsze największe konstelacje wypadały najgorzej.

Mała konstelacja też może być zła

Bardzo często wydaje się nam, iż ryzyko rośnie po prostu z liczbą satelitów. To prawda, ale tylko połowiczna. W jednej z analizowanych konstelacji liczącej zaledwie kilkaset satelitów problemem okazała się wysokość i układ orbit. W innym przypadku niewielkie satelity wpadły w bardzo zły scenariusz, ponieważ przyjęto brak własnego napędu do manewrów unikowych i kontrolowanego zejścia z orbity. Duży system może być zaprojektowany ostrożniej, a mniejszy może trafić w fatalne miejsce, gdzie atmosferyczne sprzątanie działa zbyt wolno, a ryzyko kolizji rośnie szybciej.

W samym badaniu szczególnie mocno wybrzmiewa też kwestia wymiany satelitów. Konstelacje na niskiej orbicie nie są instalacją budowaną raz na 30 lat. To raczej stale odnawiana flota. Stare satelity trzeba sprowadzać niżej, nowe wynosić na miejsce, a część po drodze może odmówić posłuszeństwa. Każdy taki ruch przecina inne orbity i dokłada kolejne okazje do spotkań z obiektami, które już tam są.

Nawet dobre praktyki mogą nie wystarczyć

Sam model zakładał bardzo korzystne warunki: skuteczne manewry unikania kolizji, wysoki poziom powodzenia procedur końca misji i rozpatrywanie każdej konstelacji osobno, bez całego obecnego bałaganu orbitalnego. Innymi słowy, to nie była czarna wizja z maksymalnie pesymistycznymi założeniami.

Autor wprost pisze, iż taki sposób liczenia daje nam raczej optymistyczny obraz. Gdyby uwzględnić istniejące śmieci, inne satelity, zużyte stopnie rakiet i równoczesne działanie kilku konstelacji, granice krytyczne byłyby niższe, a więcej projektów mogłoby je przekroczyć.

To niezwykle istotne, bo dzisiejsza orbita jest po prostu zaśmiecona. Ludzkość wysłała już w kosmos blisko 30 tys. satelitów, a sieci nadzoru śledzą dziesiątki tysięcy obiektów. Do tego dochodzą także miliony mniejszych fragmentów, których nie da się regularnie katalogować, ale które przy prędkościach orbitalnych mogą zniszczyć sprzęt.

Jak pisaliśmy w tekście: Kosmiczne śmieci nad Polską. Można je wypatrzyć, problem nie dotyczy tylko spektakularnych kawałków rakiet widocznych na niebie. Najgroźniejszy jest tłok, którego zwykły człowiek nie widzi, czyli aktywne satelity, martwe satelity, stopnie rakiet i odłamki po dawnych eksplozjach.

Orbita nie wybacza efektu domina

Najgorszy scenariusz znany jest jako syndrom Kesslera. Chodzi o reakcję łańcuchową: jeden obiekt zderza się z drugim, powstaje chmura odłamków, część z nich uderza w kolejne satelity, a te produkują jeszcze więcej fragmentów.

Nowe badanie nie mówi nam oczywiście, iż taka katastrofa rozpocznie się zaraz. Pokazuje jednak, iż część planowanych konstelacji może sama z siebie znaleźć się powyżej progu, przy którym rozbite fragmenty nie będą już tylko jednorazowym problemem po pechowej kolizji. Zaczną zmieniać całe środowisko orbitalne.

Jak pisaliśmy w tekście: SpaceX z decyzją bez precedensu. Tysiące satelitów do przeprowadzki, wysokość orbity ma naprawdę ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa. Niżej opór atmosfery szybciej ściąga martwe obiekty ku Ziemi. Wyżej śmieci zostają z nami znacznie dłużej.

Lewis wskazuje, iż część ryzyka można ograniczyć stosunkowo prostymi zmianami: zwiększeniem oporu aerodynamicznego po zakończeniu misji, skróceniem czasu schodzenia z orbity, wydłużeniem życia satelitów, a więc rzadszą wymianą całych flot, albo poprawą umiejętności manewrowania aż do samego wejścia w atmosferę.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI