Kozmický odpad

Veľkú časť kozmického odpadu tvoria vyhorené posledné stupne nosných rakiet, ktoré vynášajú užitočné satelity na obežnú dráhu. Po splnení svojej úlohy sú tieto raketové stupne už zväčša nepotrebné a prakticky okamžite sa stavajú kozmickým odpadom. Vôbec prvým objektom kozmického odpadu sa tak stal 28 metrový stupeň sovietskej rakety R-7, ktorý v roku 1957 vyniesol prvú umelú družicu Sputnik 1.

Posledný stupeň rakety Delta II fotografovaný vojenskou družicou XSS 10

Ďalšou podstatnou zložkou kozmického odpadu sú staré a nefunkčné satelity. Súčasné satelity (napr. telekomunikačné, vojenské, či meteorologické) sú zvyčajne stavané tak, aby ich bolo možné využívať čo najdlhšie a ich aktívna činnosť bežne trvá 10 – 15 rokov, kým sa stanú kozmickým odpadom. Najstaršími kusmi kozmického odpadu stále sa nachádzajúcimi na obežnej dráhe sú v roku 1958 vypustená druhá americká družica Vanguard 1 spolu s posledným stupňom svojej nosnej rakety.

Najpočetnejšiu skupinu kozmického odpadu tvoria rôzne trosky a úlomky vzniknuté hlavne explóziami vrchných stupňov rakiet a satelitov, ako aj vzájomnými kolíziami týchto telies pripadne ich kolíziami s meteoroidmi prirodzeného pôvodu. Tieto objekty sú rôznych tvarov a veľkostí a kvôli ich sťaženému pozorovaniu a veľkému množstvu predstavujú najnebezpečnejší typ kozmického odpadu. Hoci na nižších dráhach kvôli ich zväčša malej hmotnosti pomerne rýchlo klesnú do atmosféry a zhoria, na vyšších dráhach sa stavajú ťažko sledovateľným a zatiaľ neriešiteľným problémom.

Malú časť kozmického odpadu tvorí napr. aj náhodou stratené vybavenie a prístroje či zámerne astronautmi vypustený odpad počas výstupov do otvoreného vesmíru z kozmickej lode alebo stanice. Takýto odpad zväčša nepredstavuje nebezpečenstvo a bola ním napr. stratená rukavica počas výstupu Eda Whitea pri misii Gemini 10, či kamera stratená astronautkou Sunitou Williamsovou počas výstupu pri misii STS-116.

Objekty na nízkej obežnej dráhe Zeme

Celkovo je v súčasnosti (október 2019) vyše 34 000 objektov väčších ako 10 cm. Menšie objekty sú súčasnými prostriedkami detegovateľné buď veľmi ťažko alebo vôbec, podľa počítačových simulácii sa však ich počet o veľkosti nad 1 cm do 10 cm odhaduje na 900 000, počet úlomkov menších ako 1 cm zas predstavuje 128 millionov.[1]

Najväčšia koncentrácia kozmického odpadu je na nízkej obežnej dráhe Zeme (asi do 2 000 km), kde je v súčasnosti ľudská činnosť ohľadom využívania vesmírneho priestoru najvyššia a preto je aj v tejto oblasti kozmický odpad najväčším problémom. Hoci na nižších dráhach (do 400 km) objekty nevydržia dlho a pomerne rýchlo zhoria v atmosfére, vo výškach nad 500 km môžu objekty vydržať desiatky až stovky rokov.

Ďalšou oblasťou, kde sa koncentruje zvýšené množstvo kozmického odpadu je geostacionárna dráha (výška cca 36 000 km). V tejto oblasti veľmi dôležitej hlavne pre telekomunikačné a meteorologické satelity sa nachádzajú stovky nefunkčných objektov. Keďže v danej výške už kvôli absencii molekúl atmosféry prakticky neprebieha prirodzený očisťovací proces, objekty sa tu hromadia výraznejšie ako na nízkej obežnej dráhe (LEO) a vytvárajú tak okolo Zeme akýsi umelý prstenec.

Už malý úlomok odpadu (o veľkosti napr. 1 cm) môže na obežnej dráhe dosiahnuť veľkú relatívnu rýchlosť oproti inému objektu (na LEO maximálne 15,6 km/s). Jeho prípadná zrážka s aktívnym satelitom by tak mohla spôsobiť závažné poškodenie, prípadne satelit úplne zničiť. Prvý potvrdený prípad zrážky dvoch telies na obežnej dráhe sa udial 24. júla 1996, keď do francúzskeho satelitu Cerise (COSPAR 1995-033B) narazil úlomok posledného stupňa rakety Ariane (1986-019RF). Už predtým však došlo k náhlemu strateniu spojenia s viacerými družicami, u ktorých sa predpokladá ich kolízia s inými objektmi.

Poškodenie na radiátorovom paneli raketoplánu spôsobené kozmickým odpadom počas misie STS-118

V prípade neriešenia problému kozmického odpadu môže v budúcnosti dôjsť až k tzv. Kesslerovmu syndrómu, podľa ktorého môže hustota objektov na LEO dosiahnuť hodnotu, pri ktorej sa vzájomnými zrážkami telies spustí reťazová reakcia vedúca k exponenciálnemu nárastu trosiek na obežnej dráhe. Ich množstvo by mohlo úplne znemožniť úspešné vypúšťanie satelitov a prerušiť tak naše aktivity v kozmickom priestore po mnoho generácií.

Veľmi veľké nebezpečenstvo predstavuje kozmický odpad pre pilotované kozmické lety, kde by prípadná kolízia mohla viesť až k smrti kozmonautov, obzvlášť pokiaľ sa pohybujú pri výstupe do otvoreného vesmíru mimo kozmickej lode. Pri obhliadkach povrchu kozmických staníc a ich solárnych panelov už bolo zaznamenaných mnoho menších poškodení spôsobených drobnými úlomkami, ktoré síce nepredstavujú problém pre samotnú stanicu, pre kozmonauta pohybujúceho sa v otvorenom vesmíre by však mali fatálne následky.

Kozmický odpad môže potenciálne predstavovať nebezpečenstvo nielen na obežnej dráhe, ale aj na povrchu Zeme. Hoci malé objekty úplne zhoria v atmosfére, veľké a odolné kusy môžu dopadnúť až na povrch a spôsobiť škody na majetku či ohroziť ľudské životy. Veľké množstvo trosiek dopadlo na povrch napr. po zániku staníc Skylab (nad Austráliou) či Saľut 7 (nad Argentínou). V r. 1997 bol zaznamenaný prvý a dosiaľ jediný prípad zásahu človeka vesmírnym odpadom, keď malý úlomok z posledného stupňa rakety Delta II zasiahol po vstupe do atmosféry Lottie Williamsovú, ktorá našťastie nebola vôbec zranená.

Časť horného stupňa rakety, ktorá dopadla v Texase v roku 1997

V tejto súvislosti predstavuje veľké nebezpečenstvo aj existencia jadrového odpadu na obežnej dráhe. Medzi rokmi 1967 a 1988 vypustil Sovietsky zväz niekoľko desiatok vojenských radarových družíc typu RORSAT, ktoré mali na svojej palube jadrový reaktor. Už v roku 1978 došlo k závažnému incidentu, keď sa družica tohto typu s označením Kosmos-954 dostala na zlú obežnú dráhu a jej trosky po vstupe do atmosféry dopadli v Kanade, kde bolo nájdených viacero rádioaktívnych úlomkov. Zvyšné družice sa pohybujú na dráhach okolo 600 – 1 000 km, o niekoľko desaťročí tak budú predstavovať pre povrch Zeme závažnú hrozbu, ktorú bude nutné riešiť.

Snaha o ochranu pilotovaných i nepilotovaných družíc vedie k stále väčšej potrebe presného monitoringu kozmického odpadu. Najefektívnejšou metódou pre monitorovanie nízkych obežných dráh je hlavne radarové sledovanie objektov, vďaka ktorému je v súčasnosti možné trvalo sledovať všetky objekty o veľkosti nad 10 cm.[2] Trvalé sledovanie menších objektov je touto metódou výrazne sťažené kvôli nedostatočnej citlivosti techniky alebo pre veľkú dráhovú nestabilitu malých objektov. Pre objekty na vyšších obežných dráhach sa pre nedostatočné radarové rozlíšenie často používa hlavne optické sledovanie pomocou citlivých ďalekohľadov so širokým zorným polom.

Monitorovací experiment LDEF na obežnej dráhe

Bolo tiež vykonaných viacero experimentov priamo v otvorenom vesmíre, ktoré mali napomôcť hlavne k štatistickým odhadom počtu hlavne malých, nesledovateľných úlomkov. Takýmto experimentom bol napríklad LDEF (Long Duration Exposure Facility), pri ktorom bol v roku 1984 pri misii STS-41-C raketoplánom Challenger vynesený na obežnú dráhu kontajner veľkosti autobusu. Späť na Zem bol vrátený raketoplánom Columbia pri misii STS-32 roku 1990 a štúdiom jeho plášťa bol získané informácie o zložení odpadu a účinkoch nárazu na plášť.

V súčasnosti sa systematickým sledovaním kozmického odpadu zaoberá viacero štátnych a vedeckých inštitúcii. Najviac objektov sleduje hlavne americký NORAD (Severoamerické veliteľstvo protivzdušnej obrany), podobné programy majú aj Rusko, Čína a niektoré európske krajiny. Ďalšími agentúrami zaoberajúcimi sa problémom kozmického odpadu sú medzinárodné organizácie IADC (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee), ktorá sa zameriava na koordináciu a spoluprácu medzi agentúrami a ISON (International Space Observation Network), čo je medzinárodná sieť sledovacích observatórií.

Graf množstva kozmického odpadu v závislosti od výšky obežnej dráhy

Hoci na nižších obežných dráhach (do 300 km) vydržia nefunkčné objekty maximálne niekoľko týždňov kým zhoria v atmosfére a táto oblasť sa tak prirodzenou cestou vyčisťuje, vo výškach okolo 500 km vydržia telesa niekoľko rokov, pri 1 000 km tisícročia a vo výškach polomeru Zeme milióny rokov. Na geostacionárnej dráhe sa môžu objekty pohybovať prakticky neobmedzene dlhú dobu. Tu sa preto problém kozmického odpadu prirodzenou cestou nevyrieši a s narastaním jeho množstva je nutné hľadať cesty k jeho obmedzeniu.

V súčasnosti prebieha snaha naviesť objekty hneď po ukončení ich činnosti plánovane do hustých vrstiev atmosféry. Aby nedošlo k ohrozeniu zdravia ľudí, deje sa tak v zásade nad rozsiahlymi neobývanými oblasťami, ako je tzv. cintorín kozmického odpadu v južnej časti Tichého oceánu (kde skončila napr. aj orbitálna stanica Mir). Medzinárodné inštitúcie tiež apelujú na vlády, aby nedochádzalo k agresívnym vojenským experimentom, pri ktorých sú napr. v rámci skúšok protidružicových zbraní cielene ničené satelity priamo na obežnej dráhe (podobné experimenty vykonával v minulosti hlavne Sovietsky zväz, ale aj USA a nedávno tiež Čína).

Kvôli ochrane družíc už pred existujúcim odpadom sa na citlivé časti satelitov a kozmických lodi inštalujú rôzne ochranné kryty a protimeteorické štíty, ktoré by ich mali ochrániť pred menšími troskami. Obzvlášť pri pilotovaných letoch kozmických lodí prebieha zvýšený monitoring okolia ich dráh, aby mohli v prípade potreby včas zmeniť obežnú dráhu, v horšom prípade napr. evakuovať stanicu.

Existujú tiež projekty odstraňovania existujúceho kozmického odpadu priamo na obežnej dráhe, v súčasnosti sa však žiadna konkrétna misia s týmto cieľom neplánuje, hoci je možné, že v blízkej budúcnosti sa stane nevyhnutnosťou.

Dráhy úlomkov vzniknutých po zničení družice Feng Yun 1C

• 29. júna 1961 došlo k prvému zaznamenanému rozpadu telesa na obežnej dráhe, keď explodoval posledný stupeň rakety Ablestar (1961-015C). Zostalo po ňom takmer 300 úlomkov, asi 180 sa stále nachádza vo vesmíre
• 14. februára 1978 rádioaktívne úlomky družice Kosmos-954 s jadrovým reaktorom na palube dopadli v Kanade
• 11. júla 1979 dopadlo niekoľko ton trosiek so stanice Skylab blízko austrálskeho mesta Perth, jeden úlomok zabil kravu
• 24. júla 1996 do francúzskeho satelitu Cerise narazil úlomok posledného stupňa rakety Ariane (1986-019RF), išlo o prvú potvrdenú zrážku telies na obežnej dráhe
• 11. januára 2007 v rámci skúšky protidružicovej zbrane zničila Čína balistickou raketou meteorologickú družicu Feng Yun 1C (1999-025A). Vytvorilo sa viac ako 3 000 úlomkov, z ktorých väčšina je stále na obežnej dráhe. Išlo o doteraz najväčšie zaznamenané množstvo trosiek po rozpade kozmického telesa
• 21. februára 2008 Spojené štáty zničili balistickou raketou nefunkčnú vojenskú družicu USA 193. Vytvorilo sa viac ako 170 úlomkov, všetky však kvôli nízkej obežnej dráhe do niekoľkých mesiacov zhoreli v atmosfére
• 10. februára 2009 došlo nad Sibírou vo výške 789 km k zrážke komunikačného satelitu Iridium 33 s nefunkčným ruským komunikačným satelitom Kosmos 2251. Išlo o prvú zaznamenanú kolíziu veľkých satelitov. Z oboch družíc vzniklo na obežnej dráhe viac ako 2 000 úlomkov
• 12. marca 2009 bola prvýkrát preventívne evakuovaná Medzinárodná vesmírna stanica. Ku stanici sa blížil úlomok 1993-032D o veľkosti niekoľko centimetrov. Bol odhalený neskoro na to, aby stanice podnikla úhybný manéver. Posádka prešla do pripojenej kozmickej lodi Sojuz TMA-13 a pripravila sa na opustenie stanice, no úlomok nakoniec minul stanicu v bezpečnej vzdialenosti

• NASA Orbital Debris Program Office
• ESA Space Debris Office
• SPACE DEBRIS PAGE