Hegedüs Tibor
Az űrszemét

Az űrkorszak kezdetét egyértelműen az első műhold, a Szputnyik–1 indításához kötjük (1957. október 4.). Ez az 58,5 cm átmérőjű, összesen 83,6 kg tömegű, Al-Mg-Ti ötvözetű burkolattal ellátott, gömb alakú kis eszköz volt az első emberkéz alkotta szerkezet, amely Föld körüli pályára került. Ellipszis alakú pályájának földközelpontja 215 km, földtávolpontja 939 km magasságban volt a felszín felett. Kb. 96 perc alatt kerülte meg egyszer a Földet, miközben a fedélzetén elhelyezett rádióadó 20 és 40 MHz-es frekvencián folyamatosan küldte a híressé vált bip-bip jeleket. Már ez a legelső, űrbe került eszköz előrebocsátotta a későbbi problémák sorát, amivel persze ekkoriban még nemigen foglalkozott senki: a „hasznos” űreszközzel együtt pályára kerültek a második rakétafokozat és a légkörbeli repülés rövidke időszakaszában a védelmet nyújtó, légellenállás-csökkentő orrkúp-burkolat leválasztott darabjai is. A küldetését befejezett objektum visszatért a légkörbe, és 1958. január 4-én elégett. Ugyanez a sorsa azóta is az űrbe kerülő tárgyak egy részének – de nem mindnek! 

Nézzük először meg, mi is történik a Föld körüli pályára helyezett műholdakkal. 

A Földet és a mesterséges égitestet is pontszerű tömegnek tekintve, a hatalmas Földhöz képest elhanyagolhatóan kicsiny tömegű test mozgásának problémája tisztán „kepleri”, azaz a kezdőértékek függvényében egy adott síkban fekvő, térben és időben rögzített, változatlan „kúpszelet”-pályán fog keringeni az idők végezetéig (ha a Földtől való végleges elszakadáshoz szükséges „második kozmikus sebességet” nem érjük el, legáltalánosabban ellipszisen). 

A Föld azonban nem pontszerű, hanem kiterjedt, ráadásul nem is pontosan gömbszimmetrikus tömegeloszlású! Emiatt – az ideálistól való eltérésektől függően – megváltozik a helyzet: mindaddig, amíg nem túl erősek az eltérések a gömbszimmetriától, a mesterséges égitest pályája ellipszisnek tekinthető. (Egyes pályaelemek értéke azonban időben periodikusan oszcillál, másoké folytonos, „halmozódó” változáson mehet át!) A legerősebb változást a pálya síkja szenvedi: elkezd forogni (többnyire a keringés irányával ellentétes irányban), és az ellipszis nagytengelyének iránya is forog (általában a keringés irányával megegyező irányban). Ezeknek a változásoknak a megfigyeléséből visszaszámolható a változásokat okozó tömegeloszlás. Így határozta meg a Föld alakját elsőként Izsák Imre magyar csillagász. 

A Föld körül alacsony pályákon keringő, nyilvántartott törmelékek eloszlásának képe

A Föld felszíne fölött nem túl nagy magasságban keringő mesterséges égitestekre bolygónk vonzóereje mellett két további erő is hat: 

a bolygóközi tér vákuumjánál még 300 km körüli magasságban is lényegesen sűrűbb felső légkör el nem hanyagolható mértékű „közegellenállása”;

a Hold tömege okozta periodikus zavar.

Az űrszemét-probléma szempontjából a legfontosabb a felső légkör hatása. 
A Föld körüli pályán szabadon mozgó test mozgási és helyzeti energiájának összege légkör hiányában állandó lenne. A felső légkör fékező hatására azonban az összenergia csökken, ehhez azonban a mechanika törvényei értelmében kisebb sugarú pálya tartozik, amelyen viszont a testnek nagyobb kerületi sebességgel kell mozognia (ez az ún. égi mechanikai paradoxon). Kezdetben ez a csökkenés a légkör igen kis sűrűsége miatt csekély. Az egyre alacsonyabb felszín feletti magasságokba süllyedő tárgy mind nagyobb sűrűségű közegbe kerül, és az egyre alacsonyabb pályán ráadásul egyre gyorsabban kering – így még erősebb fékező erő hat rá. Az öngerjesztő folyamat során előbb-utóbb sebessége eléri azt a kritikus értéket, amely több Föld körüli keringéshez már nem elegendő – az objektum a vízszintes hajítás törvénye szerint – ballisztikus pályán halad tovább és lezuhan. A kezdeti pályára helyezéstől eddig az időpillanatig tartó idő a műhold élettartama. A zuhanás nyilvánvalóan annál később következik be, minél magasabbról indul a műhold. Az 1. táblázatban az űreszközök várható élettartamának becslését láthatjuk a kezdő magasság függvényében.

1. táblázat. Űreszközök várható élettartamának becslése

Látható, hogy a 400 km-es vagy még alacsonyabb pályákról hamar „leesnek” a műholdak. Ha ezek élettartamánál hosszabb ideig akarunk működtetni egy űreszközt, akkor energiabefektetéssel időről időre gondoskodnunk kell a magasabb pályára emelésről (az égi mechanikai paradoxon miatt ez időszakonkénti gyorsítással érhető el – 1. ábra). 

1. ábra. Az ISS (International Space Station) űrállomás felszín feletti magasságának változása 2006–2007 során. Jól láthatók a magasabb
pályára emelések korrekciós manőverei (közel függőleges vonalak

A huzamosabb ideig pályán maradó tárgyak is veszélyeket hordoznak – noha lezuhanásuk csak ezer évek múlva lenne esedékes. De éppen ebből következik egy további probléma: az ilyen magas pályára kerülő újabb és újabb eszközök száma folyamatosan nő. 

2. ábra. A Föld körül keringő, azonosított, megfigyelt törmelékdarabkák
számának magasság szerinti eloszlása 2002-ben
(Forrás: Űrkaleidoszkóp)

A 2. ábrán a Föld körüli pályán keringő objektumok számának magasság szerinti eloszlását láthatjuk. Térbeli sűrűségük növekedésével ütközések következhetnek be, ezzel a veszélyes darabok száma tovább növekszik. Ráadásul az ütközések (impulzuscserék) során, oldalirányú sebességkomponensek nyerésével, az eredeti űreszköz közel azonos pályáján mozgó néhány nagyobb darabja helyett tucatnyi, vagy később akár több száz, immár különböző mértékben eltérő pályákon keringő darabból álló törmelékhalmaz jön létre. Szimulációs számítások megmutatták, hogy az aprózódó törmelék darabjai idővel a kezdeti pályától igen távoli területekre is eljutnak, néhány év után „beteríthetik” a Föld egész környezetét. (Az 1100–1300 km közötti tartományban azért van sok űrszemét, mert ez az ún. „műhold-temető” pályák tartománya. Ide emelik kikapcsolásuk előtti utolsó perceikben az elhasznált katonai és más műholdakat az eredeti, 800 km körüli magasságú pályájukról. A 20 000 km magasságnál látható eloszlási csúcs a hasznos terheket geoszinkron vagy meg távolabbi pályára emelő rakéták utolsó fokozatainak maradékai, illetve az utolsó átmeneti pályák tartománya, ahol a végleges konfigurációjukat felvevő műholdak, szondák védőburkai, egyéb darabjai szándékosan (a manő­ver részeként) vagy véletlen hiba folytán válnak le. A 36 000 km körüli csúcs a geoszinkron pályák térségében alakult ki. Itt rengeteg kommunikációs, műsorszóró műhold van, egy részük már kikapcsolva űrszemétként kering, illetve a levált darabkák és az ütközéseik után levált újabb darabkák szaporítják az itteni törmeléket.)

Ez a magatehetetlenül keringő törmelék – vagyis az űrszemét – a később pályára állított hasznos űreszközök számára komoly veszélyeket jelent. Az első dokumentált eset, amikor értékes, újonnan felbocsátott űreszköz azért semmisült meg, mert űrszemétként keringő testtel ütközött, 1991. december 23-án történt: egy orosz katonai navigációs műhold (Kozmosz–1394) egy korábbi műhold (Kozmosz–926) pályára állításkor keletkezett darabjával ütközött. Azóta már több hasonló eset történt. 

A Föld körüli pályán folyó emberi tevékenység során az űrhajósokat is komolyan veszélyezteti a szeméttömeg. Több ismertté vált riasztás volt például az ISS űrállomáson, amikor egy-egy nagyobb törmelék veszélyesen megközelítette az űrállomást! Emberéletek, milliárdos értékek, sok száz ember többéves erőfeszítéseinek eredményei mehetnek veszendőbe a „melléktermékek” miatt… 

Mi tartozik az „űrszemét” kategóriájába? 
Ide kell sorolnunk a pályára állításokhoz használt utolsó rakétafokozatokat, a hasznos terheket a légkörbeli repüléskor védő orrkúp ledobott részeit, a műholdak végleges szerkezeti állapotának elérése során kinyíló-elforduló részek véletlenül leszakadó alkatrészeit. Tágabb értelemben azonban idesorolhatók a küldetésüket befejezett, korábban hosszabb-rövidebb ideig hasznot hajtott, aktívan működött műholdak, sőt űrhajók, űrállomás(ok) is! Emlékezetes, érdekes, űrszemétté vált tárgy például a Mir űrállomásról kibocsátott, hulladékokból összeépített kis űrhajós báb, vagy a Hubble űrtávcső javítása során az űrhajós által „elejtett” szerszám. Tehát minden, amit az ember az űrbe küldött, előbb-utóbb űrszemétté válik. 

Mennyi szemét van jelenleg a Föld környezetében? 
Az amerikai NORAD védelmi szervezet által üzemeltetett radarokból és optikai észlelőállomásokból álló (sőt 1996–2008 között egy pályán lévő MSX műholddal is megerősített) figyelőhálózata jelenleg kb. 18 000 db 8–10 cm-nél nagyobb keringő tárgyat ismer és követ folyamatosan. A kisebb törmelékek összes száma egyes szakértők szerint milliókra tehető, és a nagy sebességek miatt korántsem elhanyagolható az ezekkel történő ütközések hatása sem! A teljes törmelékhalmaz össztömege ugyan nem túlságosan nagy (5000 tonnára tehető – 3. ábra), de folyamatosan növekszik, és az általa képviselt kinetikus energia hatalmas, úgyhogy a jövőben egyre több kárt okozhat. 2003-ban Hugh Lewis nemzetközi „űrszemét-szaktekintély” az általa vezetett kutatócsoporttal konkrét numerikus modellezéseket végzett. Általános megállapítás, hogy egy űreszköz használhatatlanná válásához grammonként kb. 40 joule energiájú ütközés szükséges. Ehhez képest a 2007-es kínai műhold-megsemmisítési kísérlet során 350 J-ra volt szükség, a Kozmosz műholddal ütköző Iridiumot pedig ennél is nagyobb energia, 50 000 J érte! Míg a kínai kísérlet során egyetlen esemény hatására a ma ismert űrtörmelék-mennyiség 25%-a jött létre (ezért Kínát számtalan kritika érte), addig az Iridium balesete során több mint 10 000 újabb törmelékdarab keletkezett. Lewis megállapításai szerint a megmaradt, még pályán levő Iridium műholdak is nagy veszélyben vannak, a már említett események hatásai miatt. Az újabb ütközések során termelődő további törmeléktömeg kaszkádszerűen megnöveli a katasztrófák ismétlődésének valószínűségét. 

3. ábra. A Föld körüli mesterséges törmelékfelhő össztömegének
szaporodása az idő függvényében (vékonyabb görbék:
a törmelék egyes fő összetevő forrásainak növekedése)
(Forrás: Űrkaleidoszkóp)

Mit lehet tenni? 
Az ENSZ Világűrbizottságának 2005-ös bécsi ülésén irányelveket fogadtak el. Néhány kiemelt ajánlás az űrprogramok számára: 

Rendeltetés szerinti működés során nem szabadulhat ki törmelék az űreszközökről – de ha mégis, ez minimális mértékű legyen.

Csökkentendő annak lehetősége, hogy a rendeltetés szerinti működés során feldarabolódjon (felrobbanjon) egy űreszköz. 

Kerülendő a törmelékfelszabadulással járó szándékos megsemmisítés és egyéb veszélyes művelet.

Korlátozandó az űreszközök működésének végezetével az alacsony pályán maradás (hordozóeszközöké, pl. rakétafokozatoké is!).

A geostacionárius pályán maradás is elkerülendő, a kikapcsolás után – ezek még magasabb (ún. temető) pályára emelendők! 

Kimerítendő minden energiaforrás a küldetések végére! 

A fejlesztőmérnökök más megoldásokon is folyamatosan gondolkoznak. Terveztek például nagy teljesítményű mikrohullámú „lézerágyút”, amely még a pályán kisebb, a légkörbe lépéskor veszélytelen méretűre égő darabokra szeletelné a haszontalanná vált űreszközöket. A „porszívó-műhold” a legveszélyesebb, legsűrűbb zónákban takarítaná össze a törmeléket. Ezekből a tervekből egyelőre semmi nem valósult meg, és az űrszemét napról napra szaporodik. Egyelőre 

az ENSZ-ajánlások betartásával mérsékelni kell az űrszemét további termelődésének ütemét, 

legalább a hasznos eszközöket el kell látni olyan hajtóművel, amellyel a küldetés befejezése után veszélytelenül nagy magasságú temető-pályára lehet őket emelni, vagy irányítva lehozni és veszélytelen helyre ejteni, 

minél több darabot kell azonosítani és megfigyelés alatt tartani, hogy az információk figyelembevételével minimálisra csökkentsük a későbbi űrprogramok súlyosabb baleseteinek kockázatát – mindaddig, amíg komolyabb megoldás nem születik. 

Addig is a légkör igyekszik elvégezni az alsó rétegek megtisztítását, hiszen amint fentebb láttuk: a 700 km-nél alacsonyabban keringő darabok számára csak idő kérdése az elégéses-lehullásos vég. A sűrű légköri rétegekbe süllyedő, nagyobb darabok esetében számításokkal igyekeznek megbecsülni azt az időpontot, amikor az utolsó keringéséhez ér az objektum, és onnan valószínűsíteni a becsapódási területet. Általában a leesés előtti 7 nappal még csak +22 keringési időnek megfelelő (kb. másfél nap) pontossággal lehet megmondani a parabolikus leesés kezdetét; míg 1 nappal előtte már +2 keringéssel, végül pedig 2 órával a sűrű légkörbe érés előtt +1/3 keringésidőnyi pontossággal becsülhető a lezuhanás környezete. (Tekintetbe véve a pálya menti sebességet, még ha viszonylag keskeny is ez a sáv, tízezer kilométernyi hosszúságú, úgyhogy elég nehéz a cselekvés.) 

Az 1986-ban Baja belvárosában lehullott, több mint 4 cm-es űrtörmelék képe (a szerző saját fotója) 

Egy Delta–2 rakéta egyik üzemanyagtartályának 250 kg-os acélteste, amely
Georgetown (Texas) közelében csapódott a talajba 1997. január 22-én

Ha nagy valószínűséggel lakott területre zuhanna az objektum, akkor be kell avatkozni. Amennyiben van még hajtóanyag az űreszköz fedélzetén, és lehetséges pályakorrekciók végrehajtása, olyan pályamódosításokat kell végezni, hogy az objektum nagy valószínűséggel már lakatlan területre essen. Sajnos, általában olyan kevés idő áll rendelkezésre, hogy nincs esély például a legveszélyeztetettebb területek kiürítésére vagy más megoldásokra. 

4. ábra. Az évente felbocsátott és pályán maradt, katalogizált (nagy) eszközök számának alakulása (forrás: Űrtan)

Egy bizonyos: ha a világ űrtevékenysége a gazdasági megtorpanás miatt kissé mérsékelődött is, a gazdaság, a tudomány és a társadalom számára kétségtelenül fontos űrprogramok mégiscsak folynak. Ennek kellemetlen velejárójaként pedig a fejünk felett keringő űrszemét mennyisége tovább nő (4. ábra). A kérdés végleges, megnyugtató rendezéséhez a világ minden országának hozzászólási joga van – ki tudja, talán egy magyar ötlet oldja majd meg a nagy problémát?      


Természet Világa, 141. évfolyam, 5. szám, 2010. május
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/