Orbita okołoziemska zaczyna przypominać coraz bardziej zatłoczoną autostradę, na której nie da się przewidzieć wszystkich przeszkód. Liczba znajdujących się tam pozostałości po działalności człowieka rośnie, a poruszające się z ogromną prędkością fragmenty metalu, plastiku czy nawet farby mogą poważnie uszkodzić satelitę. Firmy i naukowcy pracują więc nad nową generacją czujników oraz osłon, które mają zwiększyć szanse statków kosmicznych na przetrwanie takiego zderzenia.
Problem nie jest wyłącznie teoretyczny. Europejska Agencja Kosmiczna wskazuje, że ilość wytworzonych przez człowieka obiektów znajdujących się na orbicie wzrosła ponad dwukrotnie od 2017 roku. W przypadku niskiej orbity okołoziemskiej sytuację dodatkowo komplikuje prędkość, z jaką poruszają się znajdujące się tam obiekty. Może ona sięgać około 7 km/s.
Przy takiej prędkości nawet niewielki fragment może stać się pociskiem zdolnym uszkodzić elektronikę, przebić element konstrukcji albo doprowadzić do całkowitego wyłączenia satelity.
Największy problem? Często nawet nie wiadomo, co zabiło satelitę
Jednym z ciekawszych aspektów problemu jest to, że operatorzy nie zawsze wiedzą, dlaczego ich satelita przestał działać.
Według przywoływanego w materiale badania z 2021 roku około co piąty mały satelita przestawał funkcjonować w ciągu pierwszego roku od wystrzelenia. Co bardziej niepokojące, w przypadku około 60 proc. takich awarii nie udawało się jednoznacznie ustalić ich przyczyny.
Jednym z podejrzanych są właśnie kosmiczne śmieci.
Problem polega na tym, że po zderzeniu niewielkiego fragmentu z satelitą często brakuje informacji pozwalających odtworzyć przebieg zdarzenia. Inżynierowie mogą wiedzieć, że urządzenie przestało działać, ale niekoniecznie wiedzą, czy zostało trafione przez fragment metalu, jak duży był obiekt i z jaką siłą uderzył.
To właśnie tutaj pojawia się nowa technologia.
Satelita może „poczuć”, że został trafiony
Amerykańska firma Odin Space rozpoczęła sprzedaż specjalnych pasków wyposażonych w czujniki drgań. Można je przyklejać do satelitów, a ich zadaniem jest rejestrowanie uderzeń.
Nie chodzi więc tylko o ochronę statku kosmicznego, ale również o zbieranie informacji o samych kolizjach.
Dzięki takim czujnikom operator może dowiedzieć się, że doszło do uderzenia, a zebrane dane mogą pomóc określić jego siłę i potencjalnie rozmiar obiektu, który trafił w satelitę.
W przyszłości takie informacje mogą być równie ważne jak sama osłona. Im więcej rzeczywistych danych o zderzeniach uda się zebrać, tym łatwiej będzie projektować satelity odpowiednie do warunków panujących na konkretnej orbicie.
Aluminium to już za mało?
Standardową metodą ochrony statków kosmicznych pozostaje aluminium. W konstrukcjach satelitów często stosuje się aluminiowe panele wzmacniane strukturami w rodzaju aluminiowego plastra miodu.
Rozwiązanie jest lekkie, co ma ogromne znaczenie podczas wynoszenia satelity na orbitę, ale jego możliwości ochronne są ograniczone.
Dlatego stosuje się również tzw. osłony Whipple’a.
Ich konstrukcja jest dość sprytna. Zamiast próbować zatrzymać kosmiczny pocisk jedną grubą ścianą, przed właściwą osłoną umieszcza się cienki zewnętrzny element. Uderzający w niego obiekt rozpada się na mniejsze fragmenty, zanim dotrze do głównej ściany konstrukcji. Dzięki temu energia zderzenia jest rozłożona na większą powierzchnię.
Problemem pozostają jednak masa oraz zajmowana przestrzeń. W przypadku współczesnych małych satelitów każdy dodatkowy kilogram może być istotny.
„Kosmiczny pancerz” ma być lżejszy
Jedną z firm szukających alternatywy jest amerykańskie Atomic-6. Pracuje ona nad rozwiązaniem nazwanym Space Armor.
Firma nie ujawnia dokładnego składu materiału, ale chodzi o niewielkie kompozytowe płytki mające około 2,5 cm grubości. Pojedyncza płytka ma mniej więcej rozmiar dłoni i waży podobnie jak iPhone.
Brzmi niepozornie, ale testy są interesujące.
Według informacji przedstawionych przez firmę płytki były w stanie zatrzymać aluminiowe pociski wielkości ziaren grochu poruszające się z prędkością 7,2 km/s.
Atomic-6 twierdzi również, że jej materiał ma ograniczać powstawanie niebezpiecznych odłamków. Zamiast rozbijać pocisk na kolejne fragmenty, materiał ma doprowadzać do jego odparowania i pochłonięcia przez strukturę osłony.
Jeżeli takie rozwiązania uda się zastosować na większą skalę, mogą być szczególnie interesujące dla mniejszych satelitów, gdzie liczy się każdy kilogram.
Kevlar i druk 3D w służbie satelitów
Nie wszyscy próbują jednak stworzyć zupełnie nowe materiały.
Naukowcy eksperymentują również z połączeniem istniejących technologii. Jednym z przykładów jest wykorzystanie Kevlaru oraz materiału ceramicznego Nextel. Takie zestawienie może pozwolić stworzyć lekką konstrukcję ochronną dla niewielkich i relatywnie tanich satelitów.
Jeszcze ciekawsze eksperymenty prowadzone są na Uniwersytecie w Padwie.
Naukowcy wykorzystują tam druk 3D do tworzenia eksperymentalnych osłon z aluminium, Kevlaru oraz żywicy wzmacnianej włóknem węglowym. Dzięki drukowaniu można projektować wewnątrz konstrukcji specjalne puste przestrzenie.
Ich zadaniem jest rozbicie nadlatującego obiektu stopniowo, w kilku etapach. Koncepcja przypomina więc działanie klasycznej osłony Whipple’a, ale pozwala znacznie swobodniej kształtować strukturę materiału.
NASA testowała nawet metalową piankę
Jednym z najbardziej interesujących pomysłów jest wykorzystanie pianki aluminiowej.
Materiał zawiera wewnątrz sieć niewielkich pustych przestrzeni. NASA testowała konstrukcje wykorzystujące takie rozwiązanie i uzyskała ciekawy rezultat: warstwa pianki aluminiowej o grubości nieco ponad 6 mm zapewniała ochronę porównywalną z konwencjonalną osłoną Whipple’a, która była około dwa razy cięższa.
To właśnie masa jest jednym z kluczowych problemów całej branży kosmicznej.
Każdy dodatkowy kilogram trzeba przecież wynieść na orbitę. Dlatego najlepsza osłona niekoniecznie jest tą najgrubszą i najbardziej wytrzymałą. Dla producentów satelitów znacznie bardziej atrakcyjny może być materiał, który zapewni podobny poziom ochrony przy znacznie mniejszej masie.
Nie ma jednej idealnej osłony
Problem polega również na tym, że kosmiczne śmieci nie są jednorodną grupą obiektów.
Na orbitach znajdują się fragmenty metalu, tworzywa sztuczne, pozostałości farby, elementy wcześniejszych statków kosmicznych, a także naturalne skały. Co więcej, ich skład i zagrożenie mogą różnić się w zależności od orbity.
Dlatego przyszłość może należeć nie do jednej uniwersalnej osłony, ale do systemów ochronnych dobieranych do konkretnego środowiska orbitalnego.
I tutaj ponownie pojawia się znaczenie czujników.
Jeśli satelity będą w stanie rejestrować rzeczywiste uderzenia i dostarczać danych o ich sile oraz charakterystyce, projektanci będą mogli znacznie dokładniej określać, przed czym właściwie trzeba chronić dany statek kosmiczny.
Kosmiczne śmieci stają się problemem całej infrastruktury
Wraz z rosnącą liczbą satelitów problem będzie prawdopodobnie tylko narastał. Na orbitę trafia coraz więcej urządzeń wykorzystywanych do komunikacji, obserwacji Ziemi, nawigacji czy zastosowań wojskowych.
Oznacza to, że ochrona przed kosmicznymi śmieciami przestaje być niszowym zagadnieniem dotyczącym wyłącznie inżynierów zajmujących się konstrukcją statków kosmicznych.
Staje się elementem bezpieczeństwa całej infrastruktury, od której coraz bardziej zależy współczesna gospodarka.
Co ciekawe, jednym z najważniejszych narzędzi w walce z tym zagrożeniem mogą okazać się nie tylko coraz mocniejsze materiały, ale także dane. Jeżeli operatorzy zaczną dokładnie rejestrować każde uderzenie, branża będzie mogła lepiej zrozumieć, co naprawdę dzieje się na orbicie.
A to może być kluczowe, bo w kosmosie nawet niewielki kawałek materiału może przy prędkości kilku kilometrów na sekundę zachowywać się jak pocisk.
Foto: ChatGPT Image.