Az űrszemét problémája 1. rész

Írta: ALMÁR IVÁN, GALÁNTAI ZOLTÁN

Az űrszemét mennyisége már az első mesterséges hold felbocsátása óta folyamatosan növekszik a Föld körüli térségben. Három héttel az első Szputnyik indítása után már csak űrszemét keringett a Föld körül: a működésképtelen első Szputnyik és hordozórakétájának utolsó fokozata. Az űrszemét definíciója a következő: minden olyan ember készítette, Föld körüli pályán keringő objektum, amely már nem képes hasznos feladatot betölteni, illetve amely már nem hozható újra működésképes állapotba, űrszemétnek tekintendő. E definíció szerint űrszemét a nem működő űreszköz, a hordozórakéta kiégett fokozata (valamint az indítás során pályára került egyéb szerkezet), a működés során a világűrbe került darabok (például lencsevédők, rugók stb.), az űreszközök felszínének degradálódása során levált darabok, valamint a műholdak szétesésekor, illetve ütközésekor keletkezett törmelék.

Az űrszemét eloszlik a műholdpályák egész tartományában 200 km magasságtól felfelé, túl a geostacionárius pályán. A 10 cm-nél nagyobb űrszemétdarabokra vonatkozó ismeretek a US Space Surveillance Network amerikai, valamint az orosz követőrendszer radarjaitól származnak. Mindkét hálózat számos, nagyteljesítményű radart üzemeltet szerte a Földön az űrszemét követésére. Bizonyos speciális radartechnikákkal még a 10 cm-nél kisebb, de 2 mm-nél nagyobb űrszemétdarabok is kimutathatók, de ez nem rendszeres követés. Az 1 mm-nél kisebb darabokról csak a helyszínen szerezhető információ, főleg a világűrben hagyott, majd onnan visszahozott felületek mikroszkópos tanulmányozása révén. Ezzel a módszerrel statisztikus modellek készíthetők a 10 cm-nél kisebb méretű űrszemét időbeli és térbeli eloszlására.

Az ESA űrszemét-statisztikája a 2000 km alatti térséget tekinti az alacsony, vagy LEO-pályák tartományának. Ebben becslésük szerint mintegy 2300 darab 1 méternél nagyobb, mintegy 10 000 darab 10 cm-nél nagyobb és mintegy 190 000 darab 1 cm-nél nagyobb test kering. A 2000 km fölötti magasságban a megfelelő értékek 2000, 8000 és 290 000.

Az űrszemét egy része tekintélyes méretű darabokból áll. A 200 legnagyobb hordozórakéta-fokozat, illetve a 200 legnagyobb műhold is 2 és 10 tonna közötti tömeggel rendelkezik. Túlnyomó részük már nem irányítható, ezért akár ütközés, akár becsapódás esetén jelentős veszélyt képvisel (a pályán történő ütközés esetén rengeteg darabból álló űrszemétfelhő keletkezhet).

2002-ben a már nem funkcionáló űreszközök száma a Föld körüli térségben meghaladta a kétezret. Ugyanekkor a hordozórakéta-fokozatoké 1500, az egyéb műszaki eredetű szemétdaraboké mintegy 1000 volt, míg az űreszközök szétesésekor keletkezett űrszemét messze a legtöbb: a katalogizált darabok száma ekkor 3500 volt.

Láttuk azonban, hogy a nem katalogizált, 10 cm-nél kisebb, de 1 cm-nél nagyobb, ugyancsak szétesésből származó törmelék száma elérheti a 100 000-et. Egy-egy ilyen, néhány cm-es test becsapódása azonban könnyen tönkretehet egy aktív műholdat.

1960 és 1980 között a katalogizált űrszemétdarabok száma nagyjából egyenletesen, évente 240-nel nőtt. 1980 és 2000 között ez a növekedés csak 180 körüli volt, főképp az űrszemét csökkentésére irányuló intézkedések hatására. Az 1980-as évek végén és 1996-ban azonban kiugróan megnőtt az űrszemét száma néhány műholdszétesés hatására (igaz, a naptevékenység fokozódása a következő években megnövelte a felsőlégkör sűrűségét, ami az alacsony pályán keringő űrszemét jelentős részének pusztulásához, eltűnéséhez vezetett).

Az űrszemétprobléma jellemzésére használt egyik paraméter a köbkilométernyi térségben található, rendszeresen követett darabok száma. Ha ezt az átlagos gyakoriságot felrajzoljuk a földfelszín feletti magasság függvényében, akkor azt találjuk, hogy 1990 és 2000 között főképp 500 km fölött növekedett az űrszemét mennyisége (e magasság alatt a légkör fékező hatása miatt a holdak élettartama rövid), továbbá kiugró gyakorisági csúcsokat látunk 800, 1000, 1400 és 1500 km körüli magasságokban. (1.3 ábra) Ez összefügg az Iridium és Globalstar holdrendszerek akkori felbocsátásával. Ám általánosságban véve is egységesen növekedett az 500 km magasság fölött egy-egy köbkilométeres térségre jutó űrszemét gyakorisága. Például 2001-ben 58 műholdindítás során 186 új objektumot regisztráltak a Föld körüli térségben, amelynek 56%-a űrszemétnek tekinthető. Sőt már a 2001-ben pályára állított testek (műholdak és űrszemét) mintegy 36%-a is megsemmisült 2002 elejére.

Jelenleg a veszélyesnek ítélt űrszemétről két katalógust vezetnek, egy amerikait és egy oroszt. Ezek segítségével a 10–30 cm-es darabok mozgása követhető folyamatosan. Mivel ezek jelentős veszélyt képviselnek a lakott űrhajók, űrrepülőgépek és űrállomások számára is, mindkét ország irányítóközpontja megkapja a szükséges adatokat ahhoz, hogy emberes űrjárműveit figyelmeztetni tudja, ha egy-egy nagyobb darab veszélyes közelségbe kerülne. Az amerikai követőszolgálat például különleges figyelmet szentel minden aktív vagy paszszív űrobjektumnak, ha annak pályája áthaladna egy az űrrepülőgép körüli 40x80x80 km-es képzeletbeli téglatest belsején. Ha úgy találják, hogy a pálya még közelebb jutna a Shuttle-hoz, és átvezet egy 4x50x50 km-es térségen, akkor figyelmeztetik az űrhajósokat, hogy térjenek ki a közeledő űrobjektum elől. Ilyen esetre évente egyszer-kétszer sor szokott kerülni. Ember nélküli űreszközök, műholdak esetében ilyen figyelőszolgálat jelenleg még nem működik, de arra volt már példa, hogy egy nagy, amerikai távérzékelési hold mozgását módosították azért, hogy ne ütközzön űrszeméttel.

Az űrszemét legfontosabb forrása kétségkívül a műholdak és hordozórakétafokozatok szétesése. Ebből származik a katalogizált törmelék 40%-a. 2004-ig több mint 185 ilyen eseményt regisztráltak. Noha újabban sikerült a szétesések jelentős részét műszaki intézkedésekkel megakadályozni, 2001-ben még mindig ötször fordult elő, hogy egy-egy rakétafokozat több száz törmelékdarabot okozva felrobbant. Az ok valamennyi esetben ugyanaz volt: némi hajtóanyag maradt a tartályokban, és sokévnyi keringés után felrobbant. 2002-ben kettő, 2003-ban három hasonló esemény történt. Mivel ezek az események komoly veszélyt jelentenek, az utóbbi években indított hordozórakétáknál már figyelnek arra, hogy a pályán maradt utolsó fokozatot addig forgassák tengelye körül, amíg sikerül a teljes hajtóanyagkészletet eltávolítani belőle. Ugyancsak előírás szabályozza, hogy a működésük végére ért műholdakból eltávolítsanak minden olyan anyagot, ami égést vagy robbanást okozhatna, le kell meríteni az akkumulátorokat, eltávolítani a lendkerekeket stb.

Az alacsony Föld körüli pályán az a legnagyobb kockázat, hogy egy nagyméretű, aktív holdnak ütköző törmelékdarab szétrobbantja a holdat, és nemcsak működésképtelenné teszi, hanem valóságos törmelékfelhőt indít el, amely azután nagy veszélyt jelent a többi holdra is. Ilyen ütközés egy aktív műhold és egy katalogizált rakétafokozat között ismereteink szerint eddig – szerencsére – csak háromszor fordult elő az űrhajózás történetében, s egyik esetben sem jött létre törmelékfelhő.

Helyzet a geostacionárius pályán
Ami a geostacionárius pályát illeti, az szinte reménytelen, hogy 36 000 km-es magasságból visszahozzanak inaktívvá vált holdakat az alsólégkörbe, illetve a Föld felszínére. Ugyanakkor a GEO-pálya rendkívül nagy érték. Jelenleg mintegy 35 ország és szervezet 275–300 holdja működik a geostacionárius pályán, és ez a szám az 1990-es években átlagosan évi 27-tel nőtt. 2003-ban a műholdindítások 26%-a során került a hasznos teher geostacionárius pályára. Ez az egyetlen olyan pálya, amelynek pénzben kifejezhető értéke van: a felbocsátó államok versengenek a jól használható szegmensekért, ahonnan (főleg távközlési) holdjaik nagy forgalmat tudnak lebonyolítani. Mivel egyetlen, korlátozott kiterjedésű sávról van szó, érthető, hogy ezen nincs helyük a már működésüket befejezett, inaktívvá vált holdaknak. Sőt, ezek veszélyt is jelentenek, mivel – a Föld nem teljesen szabályos alakjából eredő gravitációs hatás miatt – a számukra eredetileg kijelölt szegmenst elhagyva lassan „sodródnak” a geostacionárius pálya mentén, ami természetesen ütközési veszéllyel jár.1993 óta ezért az International Telecommunication Union (ITU), amely a GEO-szegmensek és a használható frekvenciák elosztásáért is felelős, javasolja és szorgalmazza, hogy a haszontalanná vált holdak pályáját minden esetben emeljék fel legalább 300 km-rel a geostacionárius pálya fölé. 1997-ben az Inter- Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) részletesebb ajánlásokat dolgozott ki, amely a hold típusától függően legalább 235 km és legfeljebb 450 km magasságnövelést tart szükségesnek. A több szervezet által már elfogadott
ajánlás valamennyi, a GEO-pályára igyekvő hold esetében előírja annak a manőverező képességnek a biztosítását, amely szükséges a magasság megemeléséhez az aktív időszak végén. Gyakorlatban azonban különböző okok miatt nem minden esetben hajtják végre a szükséges pályamanővert, vagyis a GEOpálya
ma még nem tekinthető teljesen biztonságosnak.

A cikk részlet a Typotex Könyvkiadó gondozásában megjelent ALMÁR Iván – GALÁNTAI Zoltán: Ha jövő, akkor világűr című könyvéből.

Kapcsolódó cikk:
Karácsonyra űrutazást! 1. rész – A kezdetek: az X-díj és az űrugrások