Avaruuden puhdistaminen on paljon vaikeampaa kuin miltä näyttää
Avaruuden saastuminen on huolestuttavaa koko ilmailuyhteisölle. Tällainen hypoteettinen kehitys matalan maan kiertoradalla, kuten Kesslerin oireyhtymä, joka ennustaa hallitsemattoman avaruusromun muodostumista, on herättänyt jopa suosittua mediaa. On selvää, että perustutkimusta tarvitaan, jotta ymmärretään, mitä vaaraa pienikin fragmentti on täynnä, ja lasketaan, kuinka paljon olemme valmiita maksamaan avaruuden puhdistamisesta.
Nykyään poliitikot, tutkijat, teknikot ja suuri yleisö ovat syvästi tietoisia avaruusromun leviämisestä. Kiitos JK: n perustyöstä. Liouville ja Nicholas Johnson, jotka julkaistiin vuonna 2006, ymmärrämme, että roskat nousevat todennäköisesti tulevaisuudessa, vaikka kaikki laukaisut pysäytetään. Syynä tähän jatkuvaan kasvuun ovat törmäykset, joita odotetaan tapahtuvan satelliittien ja kiertoradalla olevien rakettivaiheiden välillä. Tämä on suuri huolenaihe monille satelliittioperaattoreille, joiden on pakko ryhtyä asianmukaisiin toimenpiteisiin omaisuutensa suojelemiseksi.
Jotkut asiantuntijat uskovat, että nämä tapaukset ovat vasta alkua törmäyksille, jotka tekevät lähes mahdottomaksi päästä matalalle kiertoradalle. Tätä ilmiötä, jonka NASAn konsultti Donald Kessler kuvasi ensin yksityiskohtaisesti, kutsutaan yleisesti nimellä Kesslerin oireyhtymä. Mutta todellisuus on todennäköisesti hyvin erilainen kuin vastaavat ennusteet tai tapahtumat, jotka esitetään elokuvassa "Gravity". Itse asiassa viidennessä eurooppalaisessa konferenssissa esitellyt tulokset virastojen väliselle avaruusromujen koordinointikomitealle (IADC) osoittivat, että roskien odotetaan kasvavan vain 30 prosenttia 200 vuoden aikana jatkuvien laukaisujen myötä.
Törmäyksiä tapahtuu edelleen, mutta todellisuus on kaukana katastrofaalisesta skenaariosta, jota jotkut pelkäävät. Avaruusromun määrän kasvu voidaan alentaa melko vaatimattomaan tasoon. IADC: n ehdotus on levittää laajasti ja noudattaa tiukasti avaruusromun lieventämistä koskevia suuntaviivoja, etenkin energialähteiden neutraloinnin osalta, jotka on kehitettävä kokonaan lennon loppuun mennessä ja hävitettävä lennon päätyttyä. IADC: n näkökulmasta odotettavissa oleva jätemäärän kasvu kuitenkin vaatii jatkuvista ponnisteluista huolimatta lisätoimenpiteitä nykyisten riskitekijöiden torjumiseksi.
Ei edistystä?
Merkittävä kiinnostus avaruusympäristön kunnostamiseen havaittiin yhdeksän vuotta Liouvillen ja Johnsonin työn julkaisemisen jälkeen. Erityisesti eri puolilla maailmaa on ryhdytty toimenpiteisiin kehittää menetelmiä esineiden poistamiseksi matalalta maapallon kiertoradalta. Esimerkiksi Euroopan avaruusjärjestö ilmoitti hiljattain aikovansa saada hallituksen tuen eurooppalaisen avaruusaluksen laukaisulle seuraavan vuosikymmenen aikana. Virasto on tehnyt lukuisia tutkimuksia löytääkseen järkeviä ja luotettavia tapoja saavuttaa tavoite. Suunnittelun keskeinen osa oli romutilojen tietokonemallit, jotka osoittivat, että roskien kasvua voitaisiin estää poistamalla tiettyjä avaruusaluksia tai rakettivaiheita. Tietokonesimulaatioissa nämä kohteet tunnistetaan alttiimpiksi törmäyksille, joten kun ne on poistettu kiertoradalta, törmäysten määrän pitäisi vähentyä jyrkästi, mikä estää uusien roskien ilmaantumisen roskien hajaantumisen seurauksena.
Liouvillen ja Johnsonin työn julkaisemisesta on kulunut lähes kymmenen vuotta, ja on yllättävää, että kansainvälisellä tai kansallisella tasolla ei ole olemassa metodologisia periaatteita, jotka määrittelevät selkeästi toimenpiteet maanläheisen tilan pilaantumisen seurausten poistamiseksi. Näyttää siltä, että roskien hävittämismenettelyn kehittämisessä on jonkin verran apatiaa, vaikka toiminta vaatii. Mutta onko asia todella näin?
Itse asiassa tilanne ei ole niin yksinkertainen kuin miltä se näyttää. Avaruusromun poistomenettelyyn liittyen on muutamia peruskysymyksiä, joihin on vielä vastattava. Erityisen huolestuttavia ovat omistukseen, vastuuvelvollisuuteen ja avoimuuteen liittyvät asiat. Esimerkiksi monia roskien poistamiseen tarjottuja tekniikoita voidaan käyttää myös aktiivisen avaruusaluksen poistamiseen tai poistamiseen käytöstä. Siksi voidaan odottaa syytöksiä, että nämä tekniikat ovat aseita. Kysymyksiä on myös johdonmukaisen jätehuolto -ohjelman kustannuksista. Jotkut teknikot ovat arvioineet sen kymmeniksi biljoonaiksi dollareiksi.
Ehkä tärkein syy riittävien metodologisten periaatteiden puuttumiseen on kuitenkin se, että emme vielä tiedä, kuinka tehdä talteenotto, jolla käytännössä tarkoitetaan ulkoavaruuden puhdistamista. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että emme tiedä, mitä teknologioita tarvitsemme.
Kertakäyttöisiä algoritmeja on jo käytännössä kehitetty. Todellinen ongelma syntyy näennäisesti yksinkertaiselta tehtävältä: määrittää "oikeat" roskat, jotka poistetaan kiertoradalta. Ja kunnes voimme ratkaista tämän ongelman, näyttää siltä, ettemme voi saada tilaa takaisin.
Hylkyjen pelaaminen
Ymmärtääksemme ongelmallisen luonteen ratkaista tällainen näennäisesti yksinkertainen tehtävä, kuten poistettavan roskan tunnistaminen, käytämme vertausta pelistä, jossa on 52 tavallista pelikorttia. Tässä vertailussa jokainen kartta edustaa ulkoavaruudessa olevaa objektia, jonka voimme ehkä poistaa törmäyksen estämiseksi. Kun kortit on jaettu, asetamme kukin kortti erikseen pöydälle kuvapuoli alaspäin. Tavoitteenamme on nyt yrittää tunnistaa ässät ja poistaa ne pöydältä, koska nämä kortit edustavat satelliitteja tai muita suuria avaruusromun esineitä, joista voi tulla osallisia törmäykseen jossain vaiheessa tulevaisuudessa. Voimme poistaa pöydästä niin monta korttia kuin haluamme, mutta aina kun poistamme yhden kortin, meidän on maksettava 10 dollaria. Lisäksi kun muutamme pois, meillä ei ole oikeutta katsoa karttaa (jos satelliitti poistetaan kiertoradalta, emme voi varmuudella sanoa, mistä se voisi tulla osalliseksi törmäykseen). Lopuksi meidän on maksettava 100 dollaria jokaisesta pöydälle jäävästä ässästä, mikä edustaa mahdollisia tappioita, jotka aiheutuvat satelliittiemme törmäyksistä (todellisuudessa satelliitin korvauskustannukset voivat vaihdella 100 000 dollarista 2 miljardiin dollariin).
Miten voimme ratkaista tämän ongelman? Kääntöpuolella kaikki kortit ovat samat, joten ässien sijaintia ei voi mitenkään kertoa, ja ainoa tapa varmistaa, että olemme tyhjentäneet kaikki ässät, on poistaa kaikki kortit pöydältä. Esimerkissämme tämä maksaa enintään 520 dollaria. Ulkoavaruudessa kohtaamme saman ongelman: emme tiedä tarkalleen, mitkä esineet voivat olla osallisina törmäyksissä, mutta kaikkien poistaminen on liian kallista, joten meidän on valittava. Oletetaan, että olemme tehneet valinnan: onko todennäköistä, että poistamme ässän, jos poistamme yhden 10 dollarin arvoisen kortin? Todennäköisyys, että kortti on ässä, on neljä jaollinen 52: lla, eli noin 0, 08 tai 8 prosenttia. Siten todennäköisyys, että kortti ei ole ässä, on 92 prosenttia. Tämä on todennäköisyys, että hukkasimme 10 dollaria.
Mitä tapahtuu, jos tällä kertaa otamme toisen kortin (joka maksaa meille vielä 10 dollaria)? Todennäköisyys, että toinen kortti on ässä, riippuu siitä, oliko ensimmäinen kortti ässä. Jos näin olisi, todennäköisyys, että myös toinen kortti on ässä, on jaettu kolmella 51: llä (koska nyt pakassa on vain kolme ässää, joka on vähentynyt yhdellä kortilla). Jos ensimmäinen kortti ei ole ässä, todennäköisyys, että toinen kortti on ässä, on neljä jaettuna 51: llä (koska pienemmässä kannessa on vielä neljä ässää).
Voimme käyttää tätä menetelmää määrittääksemme todennäköisyyden, että olemme poistaneet molemmat ässät - yksinkertaisesti kertomalla todennäköisyydet löytääksemme vastauksen: 4/52 kertaa 3/51, mikä antaa meille todennäköisyyden 0,0045 tai 0,45 prosenttia, arvo 20 dollaria kahdelta kortilta poistettu. Ei kovin kannustavaa.
Voimme kuitenkin myös määrittää todennäköisyyden poistaa ainakin yksi ässistä. Kahden kortin vetämisen jälkeen on 15 prosentin todennäköisyys, että olemme poistaneet vähintään yhden ässän. Tämä kuulostaa lupaavammalta, mutta kertoimetkaan eivät ole kovin hyvät nyt.
Osoittautuu, että lisätäksemme mahdollisuuksia piirtää ainakin yksi ässä, meidän on poistettava yli yhdeksän korttia (arvoltaan 90 dollaria) tai yli 22 korttia (arvoltaan 220 dollaria), jos haluamme olla 90 prosenttia varmoja että olemme poistaneet yhden ässistä. Vaikka onnistuisimme, kolme ässää on edelleen pöydällä, joten meidän on yhteensä maksettava 520 dollaria, mikä on sattumalta sama summa, joka meidän piti maksaa, jos olisimme valinneet vaihtoehdon poistolla. Kaikki kortit.
Pelit ovat ohi
Palaten vertauksestamme takaisin todelliseen avaruusympäristöön, tilanne näyttää huolestuttavammalta. Tällä hetkellä noin 20 000 kohdetta seurataan kiertoradalla Yhdysvaltain avaruustarkkailuasemien verkoston avulla, ja noin kuusi prosenttia näistä esineistä painaa enemmän kuin yhden tonnin, mikä voisi hypoteettisesti osallistua yhteentörmäykseen ja jonka voimme ehkä poistaa. Korttianalogiassa ongelmanamme on, että kaikkien korttien takaosa on sama ja todennäköisyys, että toinen on patojen ässä, on sama kuin todennäköisyys, että toinen on myös ässä. Ei ole mitään keinoa tunnistaa haluamiasi kortteja ja poistaa niitä taulukosta. Todellisuudessa mahdollisuutemme välttää törmäys ovat paljon suuremmat kuin korttipelissä, koska kiertoradalla näemme todennäköisyyden, että jotkut esineet joutuvat törmäyksiin, ja voimme keskittyä niihin. Esimerkiksi tiheästi asutut kiertoradat, kuten heliosynkroniset kohteet 600–900 kilometrin korkeudessa, ovat todennäköisimmin mukana törmäyksissä tämän alueen ruuhkien vuoksi. Jos keskitämme huomiomme samanlaisiin kohteisiin (ja muut vastaavasti ruuhkautuneisiin kiertoradoihin) ja otamme huomioon ennusteet niiden törmäysmahdollisuudesta, käy ilmi, että meidän on poistettava noin 50 kohdetta, jotta voidaan vähentää katastrofaalisten törmäysten odotettua määrää vain yksi yksikkö, joka seuraa IADC: n avaruusjärjestön jäsenten tutkimustuloksista.
Ja käy ilmi, että vaikka yhdellä puhtaammalla avaruusaluksella voidaan poistaa useita esineitä (ja viisi kohdetta näyttävät olevan monipuolinen vaihtoehto), monet - usein haastavat ja kunnianhimoiset - lennot on suoritettava vain yhden törmäyksen estämiseksi.
Miksi emme pysty ennustamaan tarkemmin törmäysten todennäköisyyttä ja poistamaan vain sellaisia esineitä, joiden tiedämme varmasti olevan vaarallisia? On monia parametreja, jotka voivat vaikuttaa satelliitin kehitykseen, mukaan lukien satelliitin suunta, olipa kyseessä sitten epäsäännöllinen liike tai avaruussää (joka voi vaikuttaa satelliittien aiheuttamaan vetovoimaan). Jopa pienet virheet alkuarvoissa voivat aiheuttaa suuria eroja satelliitin sijainnin laskentatuloksissa todellisuuteen verrattuna ja suhteellisen lyhyen ajan kuluttua. Käytämme itse asiassa samaa tekniikkaa kuin ennustajat: käytämme malleja luomaan tiettyjen tulosten todennäköisyys, mutta emme sitä tosiasiaa, että nämä tulokset koskaan saadaan.
Meillä on siis tekniikoita, joita voidaan käyttää satunnaisesti avaruusjätteiden poistamiseen. Tämä on Euroopan avaruusjärjestön kanta suunnitellun tehtävänsä e. Deorbit kanssa, mutta on vielä ratkaisemattomia ongelmia, jotta voidaan löytää sopivimmat poistettavat kohteet. Näihin ongelmiin on puututtava, ennen kuin tarvittavat ohjeet ja metodologiset periaatteet voidaan asettaa niiden saataville, jotka ovat kiinnostuneita pitkän aikavälin avaruusromun poistamisohjelman valmistelusta, joka on välttämätöntä tehokkaan ympäristön kunnostamisen kannalta.
Menetelmäperiaatteet tiettyjen alueiden, niiden lukumäärän, vaatimusten ja rajoitusten suhteen ovat olennaisia, jotta voidaan lisätä todennäköisyyttä, että ponnistelut ympäristön parantamiseksi ovat tehokkaita ja kannattavia. Kehittääksemme tällaisia metodologisia periaatteita meidän on harkittava uudelleen kohtuuttomia odotuksiamme myönteisestä lopputuloksesta.