Bezárhatja az emberiséget a Föld körül keringő szeméttelep

A Jupiter, Szaturnusz, Uránusz és Neptunusz, azaz a Naprendszer gázóriásai mellett már a Földnek is van gyűrűje: ez az űrhajósok által elhagyott csavarhúzókból, az űrállomásokról kidobott megfagyott vizelettömbökből, de még inkább a kiszuperált műholdak és rakétafokozatok törmelékéből áll. Hogyan lehetne megtisztítani a Föld környezetét az űrtevékenységet immár komolyan veszélyeztető szeméthalmaztól?

Az űrszemét kifejezést csak az elmúlt évtizedben ismerte meg a nagyközönség. Ide sorolnak minden olyan, a Föld körüli pályán keringő mesterséges testet, amelyet már kivontak a használatból, vagy tönkrement, és felesleges fémdaraként kering körülöttünk. Összeütközéseik eredményeként (lásd keretes írásunkat) egyre több olyan töredék keletkezik, amelyek veszélyeztethetik az űrhajókat és műholdakat, valamint a Nemzetközi Űrállomást.

Gyorsabban gyarapodik, mint ahogy pusztul

Az űrszemét mennyisége a Föld felsőlégkörének súrlódó hatásától csökken, aminek következtében az egyes darabok egyre közelebb kerülnek bolygónkhoz, majd végül a légkörben elégnek. Ezt követően általában már nem marad veszélyes méretű töredék utánuk, vagy ha mégis, azok többnyire a világtengerbe, illetve lakatlan területre hullanak. Elvben lehetséges, hogy egy emberben is kárt tegyenek, de olyan eset még nem ismert, amikor egy lehulló űrszemétdarab megölt vagy megsebesített volna valakit. A probléma az, hogy az űrszemét kihullása és elégése a Föld légkörében lényegesen lassabb ütemben történik, mint amelyen ütemben növekszik a mennyisége.

Jelenleg valamivel több mint 13 ezer űrszemét darabot tartanak nyilván, ám ennél sokkal nagyobb a valódi számuk. Becslések alapján az egy centiméternél nagyobb testekből közel 600 ezer lehet, ezek 99 százaléka még azonosításra vár. A legtöbb űrszemét alacsony Föld körüli pályán mozog, számuk a magassággal csökken, illetve a 36 ezer kilométer magas geoszinkron pályán átmenetileg ismét megnő. Utóbbi az a térség, ahol egy mesterséges égitest keringési ideje megegyezik a Föld tengelyforgási idejével - itt sok távközlési és meteorológiai hold található.

Kessler szindróma

A ma ismert űrszemétdarabok jelentős részét azok a testek adják, amelyek a már korábban meglévő darabok egymás közötti ütközése során keletkeztek. Az egy-egy ütközéssel születő újabb töredékek exponenciálisan növelik a további ütközések számát, amelyek ismét hasonló hatást váltanak ki. A pozitív visszacsatolás, öngyorsító folyamat révén egyes szakértők szerint "elszabadulhat a pokol" bolygónk körül: annyi töredék keletkezik, hogy azok lehetetlenné teszik a biztonságos űrtevékenységet. Ezt az egyelőre csak elméleti lehetőséget nevezik Kessler-szindrómának (a NASA Donald Kessler nevű munkatársa nyomán). A legutóbbi adatok szerint például egy-egy űrrepülőgépes küldetés során 1/200-1/400 volt a valószínűsége annak, hogy az űrrepülőgép egy űrszemét darabbal találkozik - ami már nem elhanyagolható esély. A merészebb becslések alapján akár 10-20 éven belül előállhat az ijesztő helyzet, hogy szinte lehetetlenné válik a Földhöz közeli műholdak használata.

Az űrszemétdarabok megfigyelésére távcsöves és radaros módszereket használnak. Emellett fontos információkat gyűjtött az LDEF nevű, 5,5 évig a Föld körül keringő, majd az egyik űrrepülőgéppel visszahozott műhold, valamint az 1992 és 1993 között bolygónk körül keringő EURECA műhold felületének vizsgálatával. További támpontokat adott a Hubble-űrteleszkóp lecserélt napelemtáblájának elemzése. Az ezeken a felületeken talált mikroszkopikus becsapódásnyomok számát, keletkezési gyakoriságát a különböző modellekkel összevetve megbecsülhető, hogy az egyébként nehezen azonosítható apró szemcsékből hány keringhet a Föld körül.

A három kiemelt védelemre szoruló zóna a Föld körül. Piros: alacsony Föld körüli útvonalak,
kék és zöld: geoszinkron pályák (CNES), ahol a legtöbb műhold kering

Kitérő manőverek és becsapódások

Az ismert űrszemétdarabok folyamatos követése révén sikerült már elkerülni egy-egy veszélyes ütközést. Az első ilyen kitérő manőver 1991 szeptemberében volt, amikor az űrrepülőgép az STS-48-as küldetés során pályát változtatott, hogy elkerüljön egy használatból kivont orosz műholdról származó töredéket. Azóta szinte rendszeressé vált, hogy a Nemzetközi Űrállomás kis mértékben pályát változtasson időnként, elkerülendő a veszélyes darabokat.

Az űrszemétdarabok (piros) és a használatban lévő műholdak (világoskék)
magasság szerinti eloszlása 2007-ben a Föld körüli pályán

Az űrszemét nagyobb darabjainak visszatérése még a Föld légkörében vagy felszínén is jelenthet problémát. 2006-ban egy orosz kémműhold darabja haladtak el egy utasszállító gép közelében a Csendes-óceán felett. 1979-ben a Skylab űrállomás darabjai hullottak le Ausztráliában nagy területen. Az igazán nagy űreszközöknél nem véletlenszerű a lezuhanás. 2000. június 4-én a nagyméretű CGRO-szonda égett el a légkörben. 2001. március 23-án a Mir-űrállomás is a légkörben izzott fel, majd töredékei a Csendes-óceán déli részében végezték - az előbbiekhez hasonlóan biztonságos, irányított beléptetést követően. Idén pedig az UARS, majd később a ROSAT műhold zuhant vissza és hullott a világtengerbe néhány töredéke.

Szemétszedés a Föld körül

Az űrszemét mennyiségének csökkentésére szükség van, ha az emberiség nem akar felhagyni az űrtevékenységgel. Ennek egyik lehetősége, hogy nem növelik a felesleges testek mennyiséget, és ideális esetben a légköri súrlódás okozta kihullás miatt egyre kevesebb lesz belőlük. Ám ha nem is bocsátanának föl újabb egységeket a Föld körüli pályára, akkor is növekedne a testek száma az ütközések miatt. Ezért a jelenleg Föld körül keringő darabok befogására, illetve eltűnésére kell tervet kidolgozni.

• Halászháló az űrben. A Japán Űrügynökségnél dolgozó Nitto Seimo rendkívül vékony fémhálót helyezne az űrbe, a Föld körüli pályára. A közel két kilométer átmérőjű szerkezet elfogná a vele ütköző testeket, amelyek "beleragadnának", illetve ha mágnesezhetőek, a megfelelően kialakított hálóhoz tapadnának. Az ütközés nyomán maga a háló is összegubancolódna, ezért idővel csökkenne a mérete és szemétbefogó hatékonysága is. A rendszeren a földi mágneses tér következtében fellépő hatások, a benne gerjedő áramok olyan súrlódási erőt okoznak, amelynek következtében végül az egész háló belépne a légkörbe és elégne.
• Műanyag "légypapír" műholdaknak. Az űrszemétdarabokkal összeütköző kiterjedt testek ötlete is felmerült. Ezek nagy méretű, könnyű szerkezetűek lennének, és hajtómű irányítaná őket. Pályájukat időnként megemelnék, és így tartósan üzemelhetnének, miközben a puha anyagukba ütköző szemétdarabok bennük ragadnának, és a rendszer üzemelése végén a légkörben együtt elizzanának.

• Ragadozó műholdcsapat. Egyes számítások alapján a fent említett nagy befogószerkezetek nem elég hatékonyak, mivel az egyes űrszemétdarabok messze vannak egymástól. Ezért rendkívül sok ilyen hálónak kellene üzemelni tartósan a Föld körül, hogy hatásuk érezhető legyen. Főleg a nagyobb űrszemétdarabok esetében hatékonyabb, ha azokat egy-egy "ragadozó műhold" közelíti meg, hozzájuk kapcsolódik, majd úgy változtatja meg az űrszemét pályáját, hogy az a légkörben végezze. Itt a nehézség az, hogy sok ilyen vadászműholdat kellene alkalmazni, amelyek felbocsátása "csapatokban" lenne kifizetődőbb. Egy-egy ilyen műhold kevés üzemanyagot használó ionhajtóművel változtatná mozgását, és részletes tervező-, valamint irányítómunka eredményeként közelítene meg egy-egy nagyobb, helyzete alapján veszélyesebb űrszemetet.

Űrszemét elfogása műholddal (balra) és a műhold befogószerkezete (jobbra) (Theters Unlimited)

• Lézerrel kilőtt szemétdarabok. Lézerrel, de nem a sci-fi filmekből ismert módszerrel is lehetne csökkenteni az űrszemét mennyiségét. A NASA ötlete szerint a felszínről lézersugárral céloznának meg kisebb űrszemétdarabokat, amelyeknek az őket elérő és anyagukban elnyelődő sugárzástól csökkene az impulzusmomentuma. Megfelelő irányból és időpontban rendszeresen érkező lézersugárzás fokozatosan csökkenteni képes egy-egy kisebb űrszemétdarab keringési magasságát. A folyamat viszonylag lassú és csak a kisebb testekre alkalmazható. Néhány órás "kezeléssel" 100-200 méterrel lehetne csökkenteni az adott űrszemétdarab keringési magasságát. Egy-egy testre sokszor kellene "tüzelni", és a hónapokon keresztül végzett műveletek hoznának csak idővel eredményt. Mindehhez a ma rendelkezésre álló lézerek, és egyes távcsövek némi átalakítás után használhatóak lennének.

Animáció arról, miként nő az űrszemét mennyisége

• Lepkehálóval műholdak ellen. A Theters Unlimited nevű cég GRASP nevű programja keretében olyan űreszközöket kellene Föld körüli pályára juttatni, amelyek meg tudnák közelíteni a nagyobb űrszemétdarabokat. A testeket egy hálószerkezettel elfognák, és akár többet is begyűjtenének közülük - majd végül a légkörbe visszalépve elégnének. Utóbbi művelethez az alábbiakban vázolt kábeles technikát alkalmaznák, amely kis költséggel tudna műholdakat alacsony Föld körüli pályáról a légkörbe juttatni.
• Kábeltől lezuhanó műholdak. A fenti cég további fejlesztése alapján ha egy műholdból egy hosszú kábelt bocsátanak ki, azon a földi mágneses erőtér hatására ébredő áramok, valamint a rajta megtapadó töltések nyomán fékező hatást jelentkezik, igaz, nagyon kis mértékben. A becslések alapján 20-30 év alatt lehetne kistömegű műholdakat így lefékezni viszonylag alacsony Föld körüli pályán.

Kábeles műholdfékezés (balra) és a kábelt kibocsátó szerkezet közel 100 kilogrammos (jobbra fent) és néhány kilogrammos (jobbra lent) műholdra

• Műholdfékező ballonok. Hasonló megoldás keretében egy felfújható ballon is lehetne a műholdon, amely a küldetés végeztével felfúvódik, és ezzel lényegesen megnöveli a ritka felsőlégkör által a műholdra kifejtett légellenállást - gyorsítva a szonda süllyedését, majd a légkörbe zuhanását. De itt is éves, évtizedes időtartamokról van szó, mire egy-egy műhold a légkörbe visszatérne.

Mikor lesz a nagytakarítás?

A gyors adatátvitel és a műholdak által nyújtott egyéb szolgáltatások átszőtték a hétköznapokat, a gazdaságot, a katonai és kormányzati munkát. Mindezek miatt valószínű, hogy idővel sor kerül a Föld körüli térség megtisztítására.

Hosszú távon az egyetlen fenntartható megoldás az, ha a műholdakat felbocsátók számára kötelezővé teszik, hogy a használati idő lejártával az űreszközt célzottan beléptessék a Föld légkörébe, ahol az óceán felett elég. Ez természetesen jelentős többletköltséggel jár, ugyanakkor csak így állítható meg, hogy ne növekedjen a legveszélyesebb, nagy testek száma. Nehéz kérdés a geostacionárius pályán keringő műholdak kezelése, ezeknél ugyanis valóban rendkívül drága lenne a visszahozatal a nagy keringési magasság miatt.

Nagy kérdés, hogy ki fogja mindezeknek a költségét megfizetni. A leglogikusabb lépés, ha egy adott műhold felbocsátói állják a költségeket. Nehezebb a helyzet a már meglévő űrszemét feltakarításával, ehhez ugyanis közösségi költség- és felelősségvállalás szükséges. Felmerült az ötlet, hogy a szén-dioxid-adóhoz hasonlóan kvótát határoznának meg az űrtevékenységet végző államokra, esetleg azok egyes cégeire, akik ezt az állami kasszába fizetnék, finanszírozandó az űrszemét eltávolítását. Mindennek a költségvonzata nehezen becsülhető. Egy-egy műhold, esetleg nagyobb töredék begyűjtése nagyságrendileg néhány millió dolláros költséggel járhat, és jelenleg évente köze 100 új műholdat bocsátanak fel. Az űrszemét betakarítása (ha megtörténik) önmagában is hatalmas piac és üzleti lehetőség lesz.