Kosmiczny złom puchnie na orbicie

Gwałtowna ekspansja ludzkiej aktywności w przestrzeni kosmicznej zapełniła orbitę Ziemi najrozmaitszymi szczątkami, od nieczynnych satelitów po zużyte elementy rakiet. Obszar wokółziemski jest już tak zatłoczony, że funkcjonujące aktualnie satelity narażone są na ryzyko zderzenia ze szczątkami pochodzącymi z poprzednich generacji statków kosmicznych. Nawet Międzynarodowa Stacja Kosmiczna często musi korygować swoją orbitę, aby uniknąć takich zderzeń.

Obecnie na orbicie okołoziemskiej znajduje się ponad 25 tys. wytworzonych przez człowieka obiektów o średnicy powyżej 10 cm. Im więcej ich tam umieścimy, tym większe ryzyko, że szczątki te (poruszające się z prędkością nawet 15 razy większą niż pocisk) uderzą w krążący statek kosmiczny, co grozi wytworzeniem jeszcze bardziej niebezpiecznych odłamków. Przykładowo, katastrofalna kolizja w 2009 roku pomiędzy nieczynnym rosyjskim satelitą Cosmos 2251 a działającym satelitą Iridium wygenerowała prawie 2000 fragmentów, z których wiele można dostrzec do dzisiaj.

Przestrzeń orbitalna stanowi ograniczony zasób i szybko wyczerpuje ją kilka organizacji, w szczególności SpaceX, OneWeb i Project Kuiper Amazona. SpaceX, na przykład, jest właścicielem i operatorem większości działających satelitów, a firma ta zamierza wystrzelić dziesiątki tysięcy kolejnych, aby zapewnić globalny zasięg szerokopasmowego Internetu. Z kolei Amazon planuje rozmieścić 3236 satelitów na potrzeby własnej sieci szerokopasmowej.

Jeśli to tempo będzie się utrzymywać, przestrzeń orbitalna stanie się bezużyteczna – zwłaszcza najpopularniejszy region, czyli niska orbita okołoziemska (LEO) rozciągająca się do wysokości 2000 km. Jeśli uwzględnić wszystkie regiony orbitalne, możemy stracić istotne usługi, do których przywykliśmy – m.in. nieprzerwaną telekomunikację, GPS, Internet czy monitorowanie kuli ziemskiej. Obecnie niemal każdy wystrzelony satelita jest odpowiednikiem plastikowego wyrobu jednorazowego użytku, ponieważ jego przeznaczeniem jest stać się odpadem. Zmierzamy w kierunku tragedii. Zapewnienie każdemu nieograniczonego dostępu bez globalnej koordynacji i planowania oznacza, że ostatecznie nikt nie będzie w stanie z orbity korzystać.

W miarę dalszego przesuwania granic eksploracji i komercjalizacji kosmosu narasta ruch na rzecz ponownego przemyślenia naszego podejścia do eksploatowania środowiska kosmicznego – przejścia do strategii opartej na zarządzaniu i rozsądnych zasadach gospodarowania kosmicznymi śmieciami. Uważam, że musimy porzucić „liniową gospodarkę kosmiczną”, polegającą na używaniu i porzucaniu, na rzecz „cyrkularnej gospodarki kosmicznej” – zrównoważonego sposobu korzystania z przestrzeni kosmicznej, uwzględniającego ponowne użycie, recykling i efektywne zarządzanie zasobami kosmicznymi.

Podobnie jak staramy się uchronić ekosystemy na Ziemi dla przyszłych żywych istot, musimy zacząć myśleć o przestrzeni kosmicznej jako o środowisku wartym zachowania. Reforma sposobu, w jaki działamy w kosmosie, ma kluczowe znaczenie dla ochrony Ziemi.

Produkcja, wystrzeliwanie oraz obsługa satelitów i rakiet pochłania ogromne ilości zasobów i energii, przyczyniając się do emisji gazów cieplarnianych i degradacji środowiska. Lecące w kosmos rakiety uwalniają do atmosfery zanieczyszczenia, w tym tlenek węgla, sadzę i tlenki glinu, które powodują szkody w atmosferze, co skutkuje zmianami klimatycznymi.

Dodatkowo praktyka niekontrolowanych powrotów, podczas których nieczynnym satelitom i zużytym członom rakiet pozwala się spłonąć w atmosferze, jeszcze bardziej zwiększa zanieczyszczenie atmosfery i stwarza ryzyko upadku odłamków – w konsekwencji zranienie ludzi i zniszczenie mienia. Na przykład w 2024 roku fragmenty modułu serwisowego SpaceX Dragon, w tym jeden o wielkości bagażnika samochodowego, spadły w górach Karoliny Północnej, a odrzucona część Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przebiła dach domu w Naples na Florydzie.

Cyrkularna gospodarka kosmiczna stanowiłaby paradygmatyczną zmianę w kierunku zrównoważonych praktyk w kosmosie, czerpiąc inspirację z idei gospodarki o obiegu zamkniętym, które zyskują na popularności na Ziemi. „Cyrkularność” w tym sensie odnosi się do zasad zarządzania odpadami, które wymagają, aby kres życia produktu był planowany z myślą o jego ponownym użyciu lub recyklingu. Pierwszym krokiem jest zaprojektowanie statku kosmicznego z wykorzystaniem materiałów, które minimalizują zanieczyszczenie i generują mniej odpadów. Drugim jest naprawa uszkodzonych elementów satelitów na orbicie w celu wydłużenia ich życia. Trzecim jest recykling materiałów z nieczynnych satelitów do wykorzystania w nowych misjach bez konieczności sprowadzania ich z powrotem na Ziemię. I wreszcie, musimy wychwytywać i ponownie przetwarzać kosmiczny złom, aby zmniejszać ryzyko kolizji i odzyskiwać cenne komponenty.

Nie będziemy w stanie wdrożyć cyrkularnej gospodarki kosmicznej bez innowacji technicznych. Obecnie nie dysponujemy metodami umożliwiającymi serwisowanie wszystkich statków kosmicznych na orbicie, jakkolwiek pracuje nad tym kilka firm i agencji kosmicznych. Musimy opracować metody, które wydłużą żywotność operacyjną satelitów i zmniejszą potrzebę kosztownych i zasobochłonnych misji naprawczych. Potrzebujemy statków kosmicznych, które mogłyby po zbliżeniu się do dożywających swoich dni satelitów dokować do nich, wykorzystując roboty do ich naprawy, tankowania i modernizacji.

Będziemy również potrzebować sposobu ponownego wykorzystania i recyklingu satelitów po zakończeniu ich funkcjonowania. Obecnie wszystkie satelity stają się złomem, gdy skończy się ich podstawowa misja, a kolejne są budowane z zupełnie nowych materiałów. Jest to olbrzymie marnotrawstwo, podobnie jak w przypadku złomowisk zdezelowanych samochodów i innych pojazdów. Naukowcy pracują nad sposobami wydobywania materiałów z nieczynnych statków kosmicznych w celu zintegrowania ich z nowymi pojazdami i technikami budowy nowych satelitów z elementów z odzysku.

Zdecydowanym krokiem w tym kierunku jest rozwijana przez SpaceX technika rakiet wielokrotnego użytku. Na przykład boostery rakiet Falcon 9 mogą lądować pionowo po odrzuceniu w przestrzeni kosmicznej, gdy wstępna faza lotu dobiegnie końca, co umożliwia ich ponowne wykorzystanie. Pozwala to nie tylko zaoszczędzić pieniądze – recykling boosterów obniża koszt każdego startu Falcona 9 nawet o 30% – ale i zmniejsza ilość kosmicznych szczątków. Dotąd SpaceX pozostaje jednak jedyną firmą czy agencją wynoszącą na orbitę satelity za pomocą rakiet wielokrotnego użytku. Potrzebujemy ich więcej.

Uczyniono również krok w kierunku serwisowania funkcjonujących satelitów na orbicie. Firma SpaceLogistics należąca do Northrop Grumman opracowała statek kosmiczny Mission Extension Vehicle (MEV), aby pomóc starzejącym się satelitom w dalszym działaniu. W 2020 roku z powodzeniem zadokował on do satelity Intelsat 901, któremu kończyło się paliwo, i zaczął przy użyciu własnych silników i materiałów pędnych manewrować połączonym statkiem, przedłużając żywotność operacyjną Intelsata. Kolejny MEV zadokował do innego statku kosmicznego Intelsat w 2021 roku. Gdy satelity te będą gotowe do ostatecznego wycofania z użytku, pojazdy MEV będą mogły odłączyć się i przenieść do innych statków kosmicznych, które będą potrzebowały ich wsparcia. Wystrzelenie MEV w celu pomocy niedomagającemu statkowi kosztuje około połowy do jednej czwartej ceny budowy i wystrzelenia zupełnie nowego satelity. Oprócz oszczędności finansowych serwisowanie na orbicie zmniejsza częstość wystrzeliwania nowych satelitów, co z kolei minimalizuje gromadzenie się kosmicznych szczątków i emisję gazów cieplarnianych związanych z wystrzeliwaniem rakiet.

Kolejnym wyzwaniem jest usuwanie szczątków z orbity. Różne ich rodzaje wymagają zastosowania różnych technik, przy czym wiele pomysłów zaczerpniętych jest z branży rybackiej – niektóre strategie wykorzystują sieci, inne harpuny, a jeszcze inne haki. Każda metoda usuwania ma swoje ograniczenia i działa tylko dla pewnego podzbioru obiektów, które mają zostać wyłowione z przestrzeni orbitalnej. Usuwanie wszelkiego asortymentu kosmicznego złomu jest ponadto bardzo kosztowne, ponieważ wszystko, co nie jest aktywnie sterowane w przestrzeni kosmicznej, rotuje. Oznacza to, że aby złapać coś w celu usunięcia, trzeba albo znaleźć sposób na ustabilizowanie kosmicznych szczątków, albo sprawić, by satelita je usuwający rotował wraz z nimi. Przeciwdziałanie rotacji szczątków wymaga dużej ilości energii, co przekłada się na wysokie koszty materiałów pędnych. Niemniej jednak poczyniono pewne postępy. W 2021 roku firma Astroscale z siedzibą w Tokio przeprowadziła misję demonstracyjną End-of-Life Services by Astroscale (ELSA-d), w której ramach wystrzelono dwa satelity – jednego symulującego nieczynny statek kosmiczny oraz satelitę serwisowego, który miał go usunąć. Oba statki z powodzeniem sczepiły się ze sobą na orbicie, a następnie rozłączyły, testując krytyczny proces definitywnego usuwania szczątków. Firma planuje przeprowadzić więcej testów w ramach misji Active Debris Removal by Astroscale-Japan (ADRAS-J), która rozpoczęła się w 2024 roku.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) we współpracy ze start-upem ClearSpace planuje przeprowadzić misję Clear Space-1 w 2028 roku. Z użyciem czterech robotycznych ramion przechwyci ona wystrzelonego przez ESA satelitę PROBA-1 i bezpiecznie ściągnie go z orbity. Projekt ten ma na celu nie tylko oczyszczenie przestrzeni kosmicznej, lecz również opanowanie zdolności manipulowania większymi i bardziej skomplikowanymi obiektami kosmicznego złomowiska.

I wreszcie, bardziej zaawansowane technicznie napędy pozwolą statkom kosmicznym zużywać mniej paliwa i dłużej funkcjonować na jego pierwotnym zapasie. Elektryczne rozwiązania napędowe, takie jak silniki jonowe i silniki oparte na efekcie Halla, to najnowsze rozwiązania, które oferują większą wydajność i oszczędność paliwa w porównaniu z konwencjonalnym napędem chemicznym. Systemy te wykorzystują energię elektryczną do jonizacji paliwa i generowania siły ciągu, umożliwiając statkom kosmicznym osiąganie większych prędkości i wykonywanie precyzyjnych manewrów przez dłuższy czas. Napęd elektryczny jest już wykorzystywany przez wiele czynnych satelitów i będzie stawał się coraz powszechniejszy.

Opracowując nowe sposoby ochrony przestrzeni kosmicznej, powinniśmy czerpać inspirację z dziedziny innego typu – tradycyjnej wiedzy ekologicznej (TEK) rdzennych plemion. W TEK podkreśla się znaczenie harmonijnych relacji między działalnością człowieka a środowiskiem. Pokazuje, że musimy postrzegać przestrzeń kosmiczną jako przedłużenie naszego świata przyrody, którego zasobami należy zarządzać w sposób mądry i odpowiedzialny.

Przykładem zastosowania idei TEK we współczesnej eksploracji kosmosu jest niedawna współpraca między ESA a rdzennymi plemionami w Australii w celu zbadania wpływu kosmicznych szczątków na siedliska dzikiej przyrody. Czerpiąc z mądrości rdzennych społeczności, ESA nie tylko osiągnęła swoje cele naukowe, ale także wypromowała zrównoważony model, który znajdzie zastosowanie w przyszłych misjach kosmicznych.

Sama technika nie wystarczy, by rozwiązać problem kosmicznego złomu – potrzebna będzie również reforma prawa. Obecna globalna polityka kosmiczna jest zlepkiem niespójnych przepisów, które często nie nadążają za postępem technicznym i zmieniającymi się potrzebami działań prowadzonych w kosmosie. Na przykład firma SpaceX stanęła w obliczu problemów regulacyjnych związanych z wdrażaniem rakiet wielokrotnego użytku, ponieważ nasze prawo nie nadąża za osiągnięciami techniki. Fragmentaryczne regulacje w różnych krajach i regionach również prowadzą do niespójności i utrudniają współpracę międzynarodową. Wiele elementów polityki kosmicznej nie uwzględnia w ogóle zrównoważonych praktyk, takich jak serwisowanie na orbicie, ograniczanie ilości kosmicznych szczątków i odpowiedzialne korzystanie z zasobów.

Unia Europejska stara się utorować drogę poprzez włączenie zasad zrównoważonego rozwoju do swojej polityki kosmicznej. Usprawniła procesy licencjonowania wystrzeliwania satelitów i operacji na orbicie we wszystkich państwach członkowskich oraz przeznaczyła znaczne fundusze na prace badawczo-rozwojowe w zakresie radzenia sobie z kosmicznymi pozostałościami. Stany Zjednoczone za pośrednictwem swych licznych agencji rządowych również rozpoczęły prace nad usprawnieniem procesu licencjonowania. Większość krajów pozostaje jednak niebezpiecznie daleko w tyle.

Rządy mają do odegrania ważną rolę w zachęcaniu firm do projektowania i rozwijania zrównoważonych systemów kosmicznych. Jednym ze sposobów byłoby przyjęcie tzw. przepisów o rozszerzonej odpowiedzialności producenta, które wymagają od firm pomocy w zarządzaniu pozostałościami stosowanych przez nie technik. Być może rządy mogłyby prowadzić system kredytowy pozwalający na regulowania ilości kosmicznych szczątków, które przemysłowi wolno wytwarzać. Przepisy mogłyby również zachęcać do projektowania, uruchamiania i obsługi centrów recyklingu na orbicie, w których można by ponownie wykorzystywać starzejące się i nieczynne satelity.

Ostatecznie rządy, które zezwalają na wystrzeliwanie statków kosmicznych, ponoszą odpowiedzialność za wszelkie szkody, jakie mogą one spowodować. Zatem odpowiedzialność za sprzątanie przestrzeni orbitalnej spada na państwa, ale żadne z nich, w tym Rosja, USA ani Chiny, nie tworzy efektywnych rynków usług odbioru i utylizacji kosmicznych szczątków. Co więcej, obecnie nie istnieje żaden mechanizm prawny umożliwiający przeniesienie odpowiedzialności za szkody z jednego państwa wystrzeliwującego satelity na drugie, co komplikuje wprowadzenie prawa dotyczącego ratownictwa kosmicznego analogicznego do polityki morskiej. Komitet ONZ ds. Pokojowego Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej również odgrywa kluczową rolę w rozwoju międzynarodowego prawa i norm dotyczących przestrzeni kosmicznej. Jego „Wytyczne dotyczące łagodzenia skutków kosmicznych śmieci” zachęcają państwa członkowskie do zarządzania kosmicznymi pozostałościami i promowania zrównoważonych operacji kosmicznych. Wytyczne te poparło ponad 100 państw, w tym USA, jednak same w sobie nie stanowią one obowiązującego prawa – mają jedynie charakter sugestii.

Eksploracja kosmosu rodzi również fundamentalne pytania etyczne dotyczące sprawiedliwego pozyskiwania zasobów, własności i zarządzania środowiskiem. Górnictwo kosmiczne na planetoidach na przykład stwarza możliwości dostępu do rzadkich minerałów i zasobów, choć wiąże się również z ryzykiem zniszczenia ciał niebieskich. Może ono również zdestabilizować globalny rynek – wyobraźmy sobie prace wydobywcze na planetoidzie składającej się w całości z platyny. Co więcej, warto zadać pytanie, kto powinien mieć prawo do czerpania zysków z zasobów planetoid – czy to sprawiedliwe, aby tylko niektóre państwa lub niektórzy miliarderzy mogli stać się jeszcze bogatsi i potężniejsi dzięki kosmicznym surowcom?

Organizacje takie, jak Międzynarodowy Instytut Prawa Kosmicznego i Biuro Narodów Zjednoczonych ds. Przestrzeni Kosmicznej, próbują opracować etyczne wytyczne dotyczące odpowiedzialnych sposobów korzystania z zasobów kosmicznych, które kładą nacisk na przejrzystość, współpracę międzynarodową i zrównoważony rozwój. Inicjatywy takie, jak Space Sustainability Rating, których celem jest certyfikacja misji kosmicznych stosujących zrównoważone praktyki, mogą zachęcić firmy i państwa do odpowiedzialnego działania.

Ochrona przestrzeni kosmicznej dla przyszłych pokoleń stanowi moralny imperatyw. W perspektywie krótkoterminowej musimy podjąć natychmiastowe działania, aby poradzić sobie z rosnącymi zagrożeniami związanymi z kosmicznym złomem. Potrzebujemy więcej środków na techniki śledzenia i zmniejszania liczby szczątków. Musimy również zacząć zmieniać sposób, w jaki budujemy i wykorzystujemy satelity, aby marnować mniej zasobów, produkować mniej szczątków i zanieczyszczeń oraz więcej z nich poddawać recyklingowi. Cyrkularna gospodarka kosmiczna to jedyny sposób, abyśmy mogli nadal korzystać z przestrzeni kosmicznej bez przeszkód.

W perspektywie długoterminowej kluczowe znaczenie ma wspieranie współpracy międzynarodowej oraz traktatów wymagających zrównoważonych praktyk kosmicznych. Powstanie Międzyagencyjnego Komitetu Koordynacyjnego ds. Kosmicznych Pozostałości, zajmującego się zwalczaniem problemu orbitalnych szczątków, jest obiecującym krokiem. Jego członkami jest wiele agencji kosmicznych, w tym NASA, Chińska Narodowa Administracja Kosmiczna i Roskosmos. Inicjatywa ESA Clean Space to kolejne inteligentne podejście do redukcji śmieci kosmicznych poprzez rozwój techniki i zmianę polityki.

Ustanowienie cyrkularnej gospodarki kosmicznej jest koniecznością, jeśli chcemy zapewnić zrównoważoną przyszłość eksploracji kosmosu. Przyjmując zasady ponownego wykorzystania, recyklingu i efektywnego zarządzania zasobami, możemy zmniejszyć ryzyko kolizji z kosmicznymi szczątkami, chronić zasoby oraz sprawić, że kosmos pozostanie realną domeną odkryć naukowych i innowacji komercyjnych. Decydenci, liderzy przemysłu, naukowcy i globalna społeczność, muszą przyjąć zrównoważone podejście na orbicie okołoziemskiej, aby zachować jej potencjał dla kolejnych pokoleń.