Astronauci zaśmiecili orbitę wokół Ziemi starymi akumulatorami - grawitacja posprząta?

Jeśli myślicie, że astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (MSK) mają łatwe życie ze śmieciami, bo nie muszą ich segregować tak jak my przed wyrzuceniem do śmietnika, to jesteście w błędzie. Ale pewnie tak nie myślicie, bo od razu przychodzi wam do głowy pytanie, co oni robią z odpadami i jak szybko ich tam przybywa? A także ile takich i innych śmieci nazbierało się na orbicie Ziemi od 1957 roku, gdy wystrzelono Sputnik 1.

W trakcie lotów orbitalnych przeprowadzanych przez załogowe pojazdy Sojuz czy, dziś już nie używane wahadłowce, śmieci były po prostu przywożone z powrotem na Ziemię. W przypadku MSK śmieci też są wysyłane z powrotem w kierunku naszej planety, ale zwykle nie docierają do powierzchni. Wraz z zawierającymi je pojazdami spalają się podczas wejścia w atmosferę. Ulegają wtedy dezintegracji, ale gdy powracający pojazd jest tak duży, że dotrze nieuszkodzony na powierzchnię trzeba się liczyć z koniecznością zadbania o odpady już na Ziemi.

W ostatniej dekadzie co roku w atmosferę Ziemi wchodziło ponownie około 100 satelitów i fragmentów rakiet o łącznej wadze 150 ton.

Paleta z odpadami (zużyte akumulatory) tuż po odłączeniu od Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Czym zabierane są śmieci z MSK i jak dużo ich tam powstaje?

Pojazdy na które ładowane są śmieci to te same, które przybyły na MSK. Mogą to być rosyjskie pojazdy Progress (czyli towarowa wersja Sojuza), europejskie ATV i inne. Po prostu, po wyładowaniu dostawy, w pojemnikach lub torbach z poprzedniej dostawy pakowane są śmieci, które opuszczą stację. Rozmiar toreb jest dopasowany do wielkości przestrzeni ładunkowej danego pojazdu, a nadto podczas pakowania śmieci są dzielone na mokre i suche oraz dopasowywane do pojemników.

Po lewej transportowiec Cygnus, potem Sojuz, który też może zabrać trochę odpadków, a w oddali Progress, wszystkie zadokowane do MSK

By wyobrazić sobie jak dużo śmieci powstaje na orbicie, pomocna jest liczba 2 500. Tyle kilogramów odpadów według danych NASA jest w stanie wytworzyć w ciągu roku czwórka astronautów. Wydaje się to dużą liczbą, bo wedle informacji GUSu z 2020 roku statystyczny Polak wytwarza 315 kilogramów śmieci w ciągu roku (dane UE są trochę wyższe, bo 336 kilogramów). Czyli czteroosobowa polska rodzina produkuje około dwóch razy mniej śmieci niż czwórka astronautów.

Na MSK wszystko jest uporządkowane, a mimo to spakować zawsze trudniej niż rozpakować

Teoretycznie, bo astronauci muszą korzystać z zapasów przywiezionych z Ziemi, przetworzonych i oddzielnie opakowanych. Statystyka odpadów komunalnych na Ziemi nie uwzględniają też zużywanej przez ludzi dość beztrosko wody, a na MSK jest ona najcenniejszym z surowców, którego na dodatek w trakcie misji nie można uzupełnić. W kosmosie nie bierze się kąpieli pod prysznicem, a jedynie korzysta ze środków higieny, które są dostępne w postaci płynnych mydeł z wodą, a także suchych szamponów. W końcu też, Polska nie jest krajem o największej produkcji śmieci komunalnych. Średnia dla UE w 2019 roku to 502 kilogramy na osobę, co oznacza że są kraję, w których masa odpadów jest jeszcze większa.

Przywiezione na MSK zapasy. Czas na inspekcję

Na dodatek statystyki te w ciągu ostatnich kilkunastu miesięcy mogły ulec znaczącemu pogorszeniu. Odpowiada za to zmiana trybu naszego życia, przejście na pracę zdalną, robienie większej liczby zakupów poprzez internet itp.

Dlatego mówienie, że astronauci mniej efektywnie gospodarują zasobami, byłoby krzywdzące. Tak naprawdę są oni bardzo oszczędni. Życie w kosmosie zmusza także do efektywnego przetwarzania tych odpadów, z których można odzyskać wodę. Odświeżają oni także powietrze, ale w znacznie większym stopniu niż stosowane przez nas oczyszczacze, bo odzyskują przydatne składniki z na pozór szkodliwych odpadów gazowych.

Największe i najcięższe z wyrzuconych śmieci z MSK to akumulatory

W marcu 2021 roku z MSK wyrzucono największą w historii paczkę śmieci. Została ona umieszczona na specjalnej palecie, która przyleciała na stację z japońskim pojazdem towarowym HTV. Załadowano na nią 2,9 tony odpadów. Zwykle paleta odesłana zostałaby w kierunku Ziemi wraz z HTV, ale zmiany w projekcie zmusiły astronautów do zastosowania alternatywnego rozwiązania.

Poprzedni pojazd HTV zabrał zużyte baterie jeszcze na swoim pokładzie

2,9 tony odpadów o objętości 2,6 metra sześciennego, na które składają się zużyte akumulatory Ni-H, to najcięższa porcja śmieci wyrzucona w historii Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Wspomniane odpady to najcięższe obiekty jakie wyrzucono z MSK. To zużyte akumulatory Ni-H, które w ostatnich latach systematycznie zastępowano przywożonymi z Ziemi akumulatorami Li-ion. W efekcie 48 akumulatorów starego typu zastąpiły 24 znacznie pojemniejsze i wydajniejsze.

Kolejnym dużym elementem MSK, który czeka teraz wymiana to panele słoneczne. Mija już ich 15 letni okres przydatności, a nowe i wydajniejsze już czekają na Ziemi na start

Zużyte akumulatory na Ziemi stanowią poważny problem i nie można ich ot tak sobie wyrzucić do śmieci. Należy dostarczyć do punktu zbiórki, albo wrzucić do specjalnych koszy znajdujących się często w sklepach z elektroniką. Na orbicie tak się nie da, a przywożenie ich z powrotem także mija się z celem.

Wyrzucone ze stacji akumulatory zostaną zutylizowane, podobnie jak inne pojazdy ze śmieciami, z pomocą grawitacji i wysokiej temperatury towarzyszącej wchodzeniu pojazdów z dużą prędkością w atmosferę Ziemi.

Paleta ze zużytymi akumulatorami pozostanie na orbicie Ziemi przez 2 do 4 lat

Czyli powoli, ale konsekwentnie. Grawitacja ściąga pojazdy, które unoszą się na orbicie, w kierunku naszej planety. Czasem od wyrzucenia śmieci do momentu spalenia się ich w atmosferze, mija kilka lat. A nawet więcej jeśli obiekt pozostawiony został na dość wysokiej orbicie. MSK obiega Ziemię na stosunkowo niewielkiej wysokości około 420 km.

Spadanie na Ziemię trwa tym dłużej im dalej od niej jesteśmy

Nie jest to sformułowanie odkrywcze, nie trzeba do tego nawet lekcji fizyki, wystarczy zmysł obserwacji. Jednak nie zawsze zdajemy sobie sprawę ze skali czasowej, gdy wysokość liczona jest w setkach i tysiącach kilometrów, a na dodatek do gry wchodzi wpływ zewnętrznych warstw ziemskiej atmosfery i prędkość ruchu orbitalnego.

Obiekt zrzucony ze szczytu najwyższego budynku na Ziemi spadać będzie kilkanaście sekund. Satelita, który obiega ziemię po 500 km orbicie w dolne warstwy atmosfery wejdzie dopiero po 25 latach. Obiekty pozostawione na wysokości 1200 km pozostaną orbitalnymi śmieciami przez 2000 lat. Z kolei satelity na orbicie geostacjonarnej (prawie 36 tysięcy km) pozostaną tam praktycznie na zawsze.

Dlatego ESA planuje na 2025 rok pierwszą w historii misję przechwycenia i planowanego wejścia w atmosferę z pozostałościami adaptera transportowego Vespa, elementu rakiety Vega z 2013 roku. Pojazd ClearSpace-1, czyli urządzenie do przechwycenia pozostawionego na wysokości ponad 600 km obiektu i późniejszej kontrolowanej deorbitacji, powstaje we współpracy wielu firm, także z Polski.

Niezaplanowane śmieci na orbicie

Pomijając nieaktywne satelity, to co wyrzucają astronauci z MSK, orbitalne śmieci powstają też w wyniku niezaplanowanych zdarzeń. Najbardziej szkodliwe jest zderzenie satelitów, nad których trajektorią utracono kontrolę. Jedną z największych katastrof tego typu było zderzenie telekomunikacyjnego Iridium-33 i nieaktywnego wojskowego rosyjskiego satelity Cosmos-2251 w 2009 roku.

Nastąpiło przy względnej prędkości 36 tysięcy kilometrów na godzinę, a w jego efekcie powstało ponad 3000 odpadków, które można było namierzyć. Na szczęście to rzadkie zjawiska, choć to właśnie z tego powodu każde takie zdarzenie prowadzi do piorunującego wzrostu liczby orbitalnych śmieci.

Pojazd ATV-4 (Albert Einstein), który zabrał ze sobą odpadki z MSK w 2013 roku i dokonał kontrolowanej deorbitacji kilka miesięcy później

Za szkodliwą fragmentację większych obiektów odpowiadają także inne zdarzenia, których naliczono już ponad 560. Dzielimy je na:

• awarie systemu napędowego, które prowadzą do eksplozji (39,52% wszystkich zdarzeń),
• planowane zniszczenia satelitów, które nie poszły po myśli (23,77%),
• kolizje z mniejszymi obiektami, do takich sytuacji zaliczymy także zderzenie cubesatów z pozostałościami po rozpadzie innych pojazdów (9,01%),
• uszkodzenie elektryki, również skutkujące wybuchem (6,4%),
• uszkodzenia wynikające z wad konstrukcyjnych (0,8%),
• rozpad satelity w trakcie planowanego wejścia w atmosferę (0,56%),
• nieplanowane separacje mniejszych obiektów od satelitów, na przykład w wyniku zużycia materiału (5,64%),
• przypadki wyżej nieklasyfikowane (14,29%).

Utrzymywanie porządku na orbicie to dodatkowe koszty, o których zwykle się nie mówi

Orbitalne śmieci nie są pozostawiane same sobie, niczym odpadki na wysypisku. Należy ich pozycję dokładnie monitorować, gdyż stanowią one zagrożenie dla innych obiektów w Kosmosie. Jak widać ze statystyk, choć kosmos wydaje się niezmierzoną pustką, to w okolicy Ziemi jest bardzo tłoczno.

Z roku na rok na orbitę trafia coraz więcej obiektów wykonanych ręką człowieka. Ich listę prowadzi między innymi biuro do spraw kosmicznych w ONZ we współpracy z ESA. Wedle tych statystyk do początku lat 90. XX wieku większość startów stanowiły misje wojskowe, naukowe i realizowane przez państwowe agencje kosmiczne. Potem udział misji realizowanych komercyjnie i przez prywatne konsorcja zaczął rosnąć. Najpierw powoli, ale obecnie to one odpowiadają za wprowadzenie na orbitę największej liczby pojazdów i satelitów.

Liczba startów rakiet po początkowym szybkim wzroście na początku lat 60. XX wieku, utrzymywała się na podobnym poziomie około 200 do około 1990 roku. Potem ze względu na zakończenie zimnej wojny, ta liczba zmniejszyła się do około 150 rocznie.

I tak było do połowy ubiegłej dekady, gdy do gry weszły prywatne firmy takie jak SpaceX. Liczba startów zaczęła szybko rosnąć, by przekroczyć w końcu poziom 1000 wyniesionych pojazdów na orbitę rocznie. Za ten wzrost odpowiada oczywiście duża liczba niewielkich satelitów, w tym rozbudowa sieci komunikacji satelitarnej takich jak Starlink. Dziś coraz więcej czasu zajmuje wprowadzenie każdego pojazdu do rejestru. Dotyczy to prawie połowy wystrzelonych w 2020 obiektów, które jeszcze nie zostały sklasyfikowane.

Tak duży tłok na orbicie sprawia, że każda operacja wyminięcia się dwóch pojazdów to wymierny koszt, na który składa się:

• wspomniany czas potrzebny do monitorowania nieba,
• zużyte paliwo do korekty trajektorii i przywrócenia jej do poprzedniego stanu,
• stracony czas przez który satelita nie może pracować zgodnie z przeznaczeniem,
• skrócenie planowanego czasu misji poprzez przedwczesne zużycie zasobów.

A dlaczego nie wysłać śmieci w kierunku Słońca, żeby tam się spaliły

Być może takie pytanie ktoś sobie zadał. Przecież Słońce ma większa masę niż Ziemia i na pewno wciągnęłoby wysłane nań śmieci. To byłoby prawdą, gdyby Słońce było znacznie bliżej, tak blisko, że Ziemia zostałaby zwęglona, a także gdyby Ziemia jak i wszystkie znajdujące się na niej obiekty nie poruszały się wokół Słońca po eliptycznej orbicie ze średnią prędkością około 30 km/s.

Dlatego też, by wysłać śmieci z MSK trzeba by pokonać nie tylko grawitację Ziemską, co byłoby co prawda łatwiejsze niż gdybyśmy wysyłali śmieci z powierzchni Ziemi, ale też skompensować prędkość ruchu obiegowego wokół Słońca jaką ma każdy obiekt z Ziemi, który pokona jej dominującą grawitację.

To wiązałoby się z ogromnymi nakładami energetycznymi, które czynią taką procedurę kompletnie niepraktyczną. O tym jak trudno zbliżyć się do Słońca pojazdom wysyłanym z Ziemi przeczytacie w tekście o sondzie BepiColombo, którą wysłano w podróż na Merkurego. Choć sonda wystartowała w 2018 roku, dopiero w 2025 wejdzie na orbitę najbliższej Słońcu planety. Droga BepiColombo do Merkurego jest nie tylko zakręcona, ale to także podróż w trakcie której sonda wcale nie przyśpiesza, a hamuje.

Powyższe wyjaśnienie stosuje się też do pomysłów oczyszczania Ziemi z zanieczyszczeń poprzez wysyłanie ich w Kosmos.

A co zrobimy ze śmieciami gdy zamieszkamy z dala od Ziemi?

To jest bardzo dobre pytanie. Na razie nie mamy jeszcze dokładnej strategii, ale wiadomo że astronauci na Marsie, a nawet Ci, którzy zamieszkają na dłużej w węźle przesiadkowym Lunar Gateway na orbicie Księżyca czyli nie tak daleko od domu w porównaniu z Czerwoną Planetą, będą produkować odpady.

Te odpady nie tylko trzeba będzie zutylizować, ale także zadbać by miały jak najmniejszą objętość gdy pełen odzysk jest nie możliwy. Wtedy przyjdzie nam je magazynować w trakcie podróży lub co gorsza wyrzucić w przestrzeń kosmiczną albo pozostawić gdzieś na planecie.

Heat Melt Compactor w trakcie testów 

Dlatego pomysły na kosmiczne zgniatarki to nie tylko fantazje rodem z Gwiezdnych Wojen, ale prawdopodobnie czekająca nas przyszłość. Oczywiście nie chodzi tylko ściskanie odpadów, a i skala będzie dużo mniejsza. Technologie przetwarzania, między innymi moczu, znajdą zastosowanie również na Ziemi w miejscach, gdzie dostęp do wody jest utrudniony

Już teraz inżynierowie w różnych krajach głowią się jak najlepiej osiągnąć ten cel. Wodę już potrafimy wykorzystywać jako surowiec do ponownego użytku. W przypadku MSK około 93% wody jest odzyskiwane z powstających codziennie ścieków, moczu (biologicznych odpadów stałych obecnie się nie przetwarza), a także potu i wszelkiej wilgoci, która trafia do powietrza na stacji lub jest wchłaniana na przykład przez ręczniki.

Universal Waste Management System czyli nowa wersja kosmicznego kibla, który jednoczesnie odzyskuje wodę z moczu, testowana jest na MSK

Z gazami, które są odpadkami po eksperymentach lub procesie przetwarzania śmieci, także można już coś zrobić z pomocą analogicznych systemów odzyskiwania, ale surowców w postaci gazowej. To czego nie da się odzyskać lub jest szkodliwe dla astronautów jest usuwane wprost w przestrzeń kosmiczną.

Przyszłościowe projekty to urządzenia takie jak Heat Melt Compactor. Odpady są w nim najpierw ściskane, a potem sterylizowane z pomocą wysokiej temperatury (150 stopni Celsjusza). W ten sposób odzyskana zostaje woda i część użytecznych gazów, natomiast pozostałość zajmuje nawet osiem razy mniej przestrzeni niż przed etapem kompaktowania. W takiej postaci odpady mogą przydać się na przykład jako elementy chroniące przed promieniowaniem kosmicznym.

Wykorzystanie przetworzonych odpadów jako surowców do budowy lub wytwarzania potrzebnych w kosmosie rzeczy, doskonale uzupełnia się z technologią druku 3D. To sposób na uniezależnienie się astronautów w przyszłości od dostaw wysoce przetworzonych towarów z Ziemi.

Źródło: NASA, ESA, JAXA, inf. własna, fot wejściowe: NASA Johnson (CC BY-NC-ND 2.0)

Czytaj więcej na temat eksploracji Kosmosu:

• SpaceX „pomoże” NASA w dowożeniu ludzi na Księżyc. Jak?
• Czym różni się para astronauta od astronauty? ESA szuka kandydatów
• Jak na Ziemię wrócą próbki skał zebrane przez Perseverance? Czy to ma sens? Co już mamy w ziemskich laboratoriach?