Ostatnie chwile satelity

Wystrzelenie w kosmos satelity jest niemałym osiągnięciem. Ale wbrew pozorom na wystrzeleniu praca się nie kończy – bezpieczne sprowadzenie satelity na Ziemię może sprawiać ogromne problemy.

Artystyczna wizja spalającego się w atmosferze satelity. Rys. ESA

Obiekty umieszczone na orbicie okołoziemskiej nie pozostają na niej na zawsze. Jeśli statek kosmiczny lub satelita wyczerpie zapasy paliwa, to prędzej czy później wytraci energię i zacznie spadać w kierunku Ziemi. Na szczęście od deszczu nieaktywnych satelitów chroni nas gęsta – w porównaniu z próżnią kosmiczną – atmosfera. Obiekt wchodzący w atmosferę nagrzewa się i spala po drodze na powierzchnię planety. Zdarza się jednak, że niektóre części takiego statku nie rozpadają się całkowicie i gwałtownie zderzają się z powierzchnią Ziemi. Wraz z rosnącą liczbą satelitów krążących wokół Ziemi przypadki takie będą coraz częstsze. ESA oraz niezależne zespoły badawcze pracują nad technologiami, które pozwolą na bezpieczne ponowne wejście w atmosferę (ang. „re-entry”).

Powrót do atmosfery po zakończeniu misji może wyglądać tak, jak na tym filmie. ATV Jules Verne, czyli bezzałogowy pojazd dostawczy, współpracujący z Międzynarodową Stacją Kosmiczną, spłonął w atmosferze 29 września 2008 roku.

Trudny powrót do domu

Ponad 2/3 powierzchni naszej planety pokryte jest wodą, dlatego większość kosmicznych szczątków tonie na dnie oceanu, nie powodując żadnych szkód. Nie odnotowano jak dotąd również żadnego incydentu, w którym poszkodowany zostałby człowiek. Rozwiązania takiego hipotetycznego problemu lepiej jest jednak szukać już teraz. Ale sama budowa i przeznaczenie satelity powoduje tutaj problemy. Niektóre części satelity muszą być w stanie wytrzymywać ekstremalnie wysokie temperatury, aby prawidłowo spełniać swoje zadanie, wobec czego nie jest możliwe ich spalenie w atmosferze.

Głównym rozwiązaniem problemu ponownego wejścia w atmosferę była jak dotąd kontrola obszaru na Ziemi, na który spadną szczątki statku lub satelity. Najczęściej jest to niezamieszkany obszar Południowego Pacyfiku, znany też jako „cmentarz kosmiczny”. Kontrolowane ponowne wejście w atmosferę skraca również czas, potrzebny na powrót kosmicznych szczątków na Ziemię, do zaledwie kilku dni. To ogromna różnica w porównaniu do nawet 25 lat potrzebnych w sytuacji naturalnego lub niekontrolowanego ponownego wejścia w atmosferę. Kontrolowane ponowne wejście ma niestety wady w postaci wysokich kosztów. Sprowadzenie na Ziemię dużego obiektu albo statku załogowego uzasadnia wyższe koszty paliwa oraz konstrukcji. Jednak w przypadku mniejszych statków lub satelitów poszukujemy mniej kosztownych rozwiązań.

Poza kontrolą

W najnowszym badaniu koncern Airbus przeanalizował możliwości, które pozwolą bezpiecznie wprowadzić w atmosferę mały statek kosmiczny lub satelitę, zmniejszając zarówno ryzyko, jak i koszty. Nowa opcja, tzn. częściowo kontrolowany powrót, jest bezpieczniejsza od niekontrolowanego powrotu, ale znacznie tańsza od powrotu w pełni kontrolowanego.

Podczas częściowo kontrolowanego ponownego wejścia statek kosmiczny, który wprowadzamy do atmosfery, wykonuje ściśle określoną liczbę okrążeń wokół Ziemi. W ten sposób operatorzy na powierzchni planety mogą przewidzieć, gdzie spadną jego części. Pierwsze i ostatnie okrążenie odbyłoby się w sposób niekontrolowany, ale wszystkie okrążenia pomiędzy nimi byłyby w pełni pod kontrolą. Proces ten wymaga 1000 razy mniejszej mocy – a zatem znacznie mniej paliwa – niż kontrolowany powrót, ale jest znacznie mniej ryzykowny, niż niekontrolowany powrót.

Trzy etapy częściowo kontrolowanego powrotu. Rys. ESA

Zespół Airbusa zbadał, w jaki sposób częściowo kontrolowane ponowne wejście wpłynęłoby na ogólny projekt statku kosmicznego. Przy znacznie zmniejszonej ilości niezbędnego paliwa, satelity mogłyby używać elektrycznych układów napędowych zamiast silniejszych, chemicznych silników, których wymaga w pełni kontrolowany powrót. Systemy elektryczne są znacznie tańsze i bardziej energooszczędne.

Polskie rozwiązanie

Inną metodę zminimalizowania zagrożenia oraz kosztów zaproponowali studenci z polskiego Studenckiego Koła Astronautycznego przy Politechnice Warszawskiej. Grupa studentów miała już na koncie projekt i umieszczenie na orbicie pierwszego polskiego sztucznego satelity PW-Sat. Idąc krok dalej, opracowali innowacyjny pomysł żagla, który pozwoliłby na łagodną deorbitację małego satelity.

Satelita PW-Sat2 został zaopatrzony, oprócz instrumentów pomiarowych, w przypominającą żagiel konstrukcję, wykonaną ze sprężyn płaskich oraz folii mylarowej. Po otrzymaniu odpowiedniej komendy z Ziemi żagiel miał się wysunąć na ok. 20 cm za satelitę i otworzyć. Żagiel w tym satelicie działa tak samo, jak zwyczajne żagle: zwiększa powierzchnię satelity i pozwala skuteczniej go wyhamować.

Wizualizacja PW-Sat2 z otwartym żaglem. Fot. http://pw-sat.pl/do-pobrania/

PW-Sat2 został wyniesiony na orbitę 3 grudnia 2018 roku przez komercyjną rakietę Falcon 9. Czas, który miał być potrzebny na wykonanie eksperymentów i pomiarów, miał sięgnąć ok. 40 dni. Jednak dzięki korzystnym warunkom, już 29 grudnia 2018 satelita otrzymał polecenie otwarcia żagla. Początkowo wszystko przebiegało prawidłowo, jednak niestety na powierzchni żagla pojawiły się rozdarcia, które zmniejszyły jego skuteczność. Mimo to, projekt PW-Sat2 można uznać za ogromny sukces polskiej astronautyki.

Co poza tym?

Oprócz badań prowadzonych we współpracy z Airbusem, ESA podejmuje też inne działania, które uczynią przestrzeń kosmiczną bezpieczniejszą i bardziej zrównoważoną. W ramach programu Clean Space agencja zajmuje się wpływem misji kosmicznych na środowisko, promując zielone technologie, minimalizując produkcję odpadów kosmicznych i badając obsługę statków kosmicznych na orbicie.