Avaruudessa alkaa suursiivous

Joka vuosi avaruuteen suuntaavat tuhannet uudet alukset. Maata kiertävät radat alkavat kuitenkin täyttyä, ja se uhkaa ohjelmien toteuttamista. Lennonjohtajien ja siivoojien pitäisi panna paikat järjestykseen.

Joka vuosi avaruuteen suuntaavat tuhannet uudet alukset. Maata kiertävät radat alkavat kuitenkin täyttyä, ja se uhkaa ohjelmien toteuttamista. Lennonjohtajien ja siivoojien pitäisi panna paikat järjestykseen.

Kansainvälisellä avaruusasemalla hälytyskellot soivat 22. syyskuuta 2020: jokin kappale oli joutunut törmäyskurssille sen kanssa. 400 kilometrin korkeudessa Maasta kolarilla voi olla vakavat seuraukset. Sillä aikaa, kun henkilökunta siirtyi evakuointialus Sojuziin, avaruusaseman rakettimoottorit käynnistyivät ja työnsivät sen muutamassa minuutissa pois vaaravyöhykkeeltä.

Vuoden 1999 jälkeen ISS:n henkilökunnan on täytynyt tehdä peräti 26 kertaa vastaava väistöliike. Törmäysvaaran aiheuttavat ne tuhannet erikokoiset avaruusromuksi kutsutut kappaleet, jotka kiertävät maapalloa.

Ja yhteentörmäys on aina vain todennäköisempi.

Toimivien satelliittien määrä kasvaa nykyisestä noin 3 600:sta yli 10 000:een kymmenessä vuodessa. Uusien satelliittien on vältettävä törmäämistä paitsi toisiinsa myös radoilla kiitävään avaruusromuun.

Mikroskooppinen särö

Astronautti Tim Peake osoittaa seitsemän millimetrin säröä Kansainvälisen avaruusaseman ikkunassa. Lasiin osui todennäköisesti maalinhiutale tai minimaalinen metallisiru.

© NASA

Hyvä uutinen on se, että on alettu kehittää uusia aluksia ja tekniikoita, joilla voidaan poistaa vanhoja satelliitteja ja ohjata niiden lukuisia seuraajia turvallisille reiteille. Jos mitään ei tehdä, avaruusromu estää ennen pitkää kaikki laukaisut.

Avaruusromu uhkaa ohjelmia

Satelliiteilta loppuu vähitellen energia. Nykyään toiminta-aika on yleensä viidestä 15 vuoteen. Sen jälkeen satelliitit eivät enää pysy radallaan.

Osa satelliiteista syöksyy kohti Maata ja palaa ilmakehässä. Osa taas jää toimimattomana kiertämään niin sanotuille hautausmaaradoille. Maapalloa kiertää tätä nykyä monta tuhatta toimimatonta satelliittia.

Ja seuraa riittää.

Laukaisun jälkeen raketin vaiheet irtoavat tavallisesti yksi toisensa jälkeen sitä mukaa kuin ne ovat käyttäneet kaiken polttoaineensa. Siksi Maan ympäri lentää tarpeettomana yli 2 000 kookasta raketinosaa CelesTrak-sivuston mukaan.

On olemassa vaara, että raketinosat törmäävät aluksiin tai putoavat hallitsemattomasti maapallolle niin kuin 18 tonnin painoinen kiinalaisraketti toukokuussa 2021.

Pitkä marssi 5B laukaistiin Kiinan avaruuskeskuksesta
© CNS / Wikimedia Commons

Seurasitko tonneja painavan kiinalaisraketin putoamista?

Yleensä raketinosat palaavat Maahan hallitusti. Jokin aika sitten 21 tonnia painavan kiinalaisen raketin päävaihe putosi hallitsemattomasti ilmakehän läpi:
Kiinalaisraketin hylky syöksyi Maahan

Rakettien valmistajat osaavat nykyään varmistaa paremmin, että niiden käytetyt osat eivät päädy vaaralliseksi avaruusromuksi vaan ne putoavat hallitusti ja palavat ilmakehässä. Vuonna 2019 jo 70 prosenttia rakettien vaiheista noudatti Esan mukaan YK:n ohjeistusta ja välttyi avaruusromukohtalolta. Vuonna 2000 vastaava prosenttiosuus oli vain vähän yli 20.

Riippumatta siitä, kuinka fiksusti nykyraketit on rakennettu, edessä on suururakka: maapalloa kiertää nimittäin 1 000 000 läpimitaltaan vähintään sentin olevaa kappaletta Esan mukaan. Ja lähivuosina satelliittien määrä kasvaa.

Satelliitteja pilvin pimein

Ensimmäiset Maata kiertävälle radalle lähetetyt satelliitit olivat kalliita ja tuhansien tonnien painoisia. Sittemmin satelliittien paino ja hinta on pudonnut, ja nykyään valikoimaan kuuluvat myös niin sanotut CubeSat-nanosatelliitit, joiden koko on 10 x 10 senttiä. Lisäksi raketeista on tullut halvempia viime aikoina.

Siksi yhä useampi avaruusjärjestö ja -yhtiö kaavailee lähettävänsä aina vain enemmän satelliitteja.

Hyvä esimerkki ovat Starlink-satelliitit, jotka kuuluvat avaruusalalla toimivan SpaceX:n kehittämään satelliitti-internetjärjestelmään. Yritys lähettää joka kuukausi 60 Starlink-satelliittia ja aikoo lähettää niitä kaikkiaan 12 000.

SpaceX:n kanssa kilpailevat muun muassa Amazon ja OneWeb. OneWeb suunnittelee lähettävänsä yli 600 satelliittia, ja Amazon tähtää yli 3 000 satelliitin lähettämiseen.

Maata ympäröivä lähiavaruus täyttyy täyttymistään. Avaruusalan toimijat lähettävät jatkuvasti lisää satelliitteja, mutta hylyt jäävät kiertämään vaarallisesti.

Starlink
© SpaceX

1. Internetsatelliitit yleistyvät

Internetjärjestelmään kuuluvia satelliitteja lisätään kovaa vauhtia. Kevään 2019 jälkeen SpaceX on lähettänyt 1 300 Starlink-satelliittia, ja sen tavoitteena on 12 000 satelliittia. OneWebilla on 648 internetsatelliittia ja Amazonilla 3 236.

Titan raketti
© Northrop Grumman

2. Satelliiteista ja raketeista syntyy romua

Noin 3 000 toimimatonta satelliittia ja 2 000 käytettyä raketinosaa kiertää Maata ja aiheuttaa törmäysvaaran. Esimerkiksi sopii tietoliikennesatelliitti Intelsat 901, joka kiersi ennen vuoden 2020 pelastusoperaatiota niin sanotulla hautausmaaradalla.

Hylyn osia
©

3. Romun määrä kasvaa eksponentiaalisesti

Rakettien ja avaruusalusten käytetyt osat voivat räjähtää tai törmätä ja siten tuottaa lisää avaruusromuksi luokiteltavia kappaleita. Luetteloituja kappaleita oli Esan mukaan 5 000 vuonna 1990 ja 15 000 vuonna 2010. Nyt niitä on yli 28 000.

Kehitys on saanut monet ilmaisemaan huolensa, sillä satelliittiparvet suurentavat merkittävästi yhteentörmäysten riskiä.

Ja se on jo nyt suuri. Vuoteen 2019 mennessä oli Esan mukaan rekisteröity 561 yhteentörmäystä, joissa satelliitti, raketin vaihe tai jokin muu avaruudessa kiertävä kappale hajosi pienemmiksi palasiksi.

Nasan avaruusromuekspertti Don Kessler totesi jo vuonna 1978 maineikkaassa artikkelissaan, että avaruusromun määrän kasvu aiheuttaa ketjureaktion: yhteentörmäyksissä syntyy lisää kappaleita, jotka törmäävät toisiinsa ja kasvattavat näin toisiinsa osuvien kappaleiden määrää.

Hyvin pienetkin palat voivat aiheuttaa suurta tuhoa.

Vakavista seurauksista saatiin esimakua Kansainvälisellä avaruusasemalla vuonna 2016, kun sen näköalakupolin ikkunaan syntyi noin seitsemän millimetrin särö.

Esan mukaan vaurion aiheutti todennäköisesti maalihiutale tai kooltaan vain millimetrin tuhannesosia oleva metallisiru. Senttinen kappale voi puhkaista avaruusaseman paineistettuja moduuleja, ja kymmensenttinen kappale saattaa tuhota aseman kokonaan.

1 000 000 läpimitaltaan yli sentin kokoista kappaletta kiertää Maata.

Sitä mukaa kuin avaruusromun määrä ja avaruuslennoille aiheutuva vaara kasvavat, tarve valvoa Maata kiertäviä erikokoisia kappaleita lisääntyy. Tavoitteena on saada käyttöön avaruutta siivoavia aluksia.

Astrofyysikko Moriba Jah yhdysvaltalaisesta Texasin yliopistosta kuuluu eturivin asiantuntijoihin. Hän on laatinut tarkan tietokonemallin satelliittien radoista ja avaruusromusta, jota satelliittien pitää väistää.

Moriba Jah totesi teknologiauutissivusto The Vergen haastattelussa, että pienet virheet ratojen määritykseen käytettävissä tutkakartoituksissa vähentävät huomattavasti tulosten luotettavuutta. Pieni virhe voi tarkoittaa avaruudessa satojen metrien poikkeamaa.

Siksi on vaikea selvittää luotettavasti, milloin ja kuinka kaukaa jokin pikku kappale ohittaa vaikkapa Kansainvälisen avaruusaseman.

28 000 km/h on avaruusromun nopeus matalalla Maan kiertoradalla.

Luontevin tapa päästä eroon epävarmuustekijästä on tarkentaa havaintoja. Se vaatii kuitenkin mittauslaitteiden siirtämistä lähemmäksi satelliitteja ja avaruusromua.

Siksi tavoitteena on vaihtaa Maassa toimivat teleskoopit kiertoradalla liikkuviin satelliitteihin.

Liikennepoliisi avaruuteen

Äkkiseltään voi tuntua typerältä idealta yrittää ratkaista ruuhkaongelma lähettämällä lisää satelliitteja. Tätä lähestymistapaa on kuitenkin tarkoitus soveltaa niin sanotussa Skylark-konstellaatiossa.

Skylark on yhtenä järjestelmänä toimiva satelliittiryhmä, jonka tehtävänä on ohjata liikennettä avaruudessa. Skylarkin takana olevan NorthStar-yhtiön toimitusjohtajan Stewart Bainin mukaan konstellaation 12 satelliittia valvovat muita satelliitteja, raketinosia ja pikku kappaleita.

”Järjestelmämme muistuttaa lennonohjausta, mutta se toimii avaruudessa. Jos yhteentörmäyksen todennäköisyys olisi yksi tuhannesta, kukaan ei suostuisi käyttämään lentokonetta. Ja yhteentörmäyksen todennäköisyys (avaruudessa, toim.huom.) kasvaa kasvamistaan”, toteaa Bain Tieteen Kuvalehdelle.

Skylark-satelliitit kuvaavat kameroillaan ohittavia satellitteja ja avaruusromua. Kuvien avulla kartoitetaan kappaleiden kiertoratoja.

Satelliittikonstellaatio Skylark luo 12 kameralla tarkan 3D-kartan Maan lähiympäristöä täyttävien eri satelliittien, raketinosien ja avaruusromuun kuuluvien pikku kappaleiden radoista.

Vaihe 1: Avaruuden lennonjohtajat
© Shutterstock & Lotte Fredslund

1. Satelliitit kuvaavat liikennettä

Kameroilla varustettuja Skylark-satelliitteja on kaikkiaan 12. Ne muodostavat kolmen ryhmiä, jotka kuvaavat yhtä yhteisessä näkökentässä liikkuvaa kohdetta, kuten satelliittia tai avaruusromuun kuuluvaa kappaletta, kerrallaan.

Vaihe 2: Avaruuden lennonjohtajat
© Shutterstock & Lotte Fredslund

2. Tietokoneet määrittävät radan tarkasti

Kohteet kuvataan kolmesta eri suunnasta, joten Skylark kerää kolmenlaista tietoa kulkusuunnasta ja nopeudesta. Tietojen pohjalta laaditaan kolmiulotteinen kartta kappaleiden kiertoradoista.

Vaihe 3: Avaruuden lennonjohtajat
© Shutterstock & Lotte Fredslund

3. Satelliitit ohjataan pois tieltä

3D-kartan ansiosta on mahdollista havaita aikaisemmin ja luotettavammin törmäyskurssille joutuvat kappaleet. Ennuste antaa aikaa siirtää avaruusaluksia ja satelliitteja, ennen kuin niihin osuu esimerkiksi raketinosa.

Aineistosta laaditaan satojentuhansien kappaleiden luettelo, jonka pohjalta tietokoneet voivat määrittää yhteentörmäysriskin luotettavammin kuin Maasta käsin tehdyistä havainnoista. Stewart Bainin mukaan tämä puhuu uuden järjestelmän puolesta.

Siivoojat lähtevät liikkeelle

Valvottiinpa ja ohjattiinpa Maan lähiympäristön liikennettä kuinka tehokkaasti tahansa, toiminta ei auta hävittämään kiertoratoja täyttäviä kappaleita. Ne ovat ja pysyvät.

Siksi kehitteillä on erilaisia aluksia, jotka pystyvät siivoamaan avaruutta.

Hyvä esimerkki on Esan ClearSpace-1, joka lähetetään poistamaan Euroopan avaruusjärjestön omaa romua, Vega-raketin yhteysmoduulia.

ClearSpace-1 on varustettu rakettisuuttimilla, joten se voi siirtyä kiertoradalta toiselle. Siinä on myös mekaaninen keräin, joka ottaa talteen roskaa. Kun kohde on siepattu, alus tekee saaliinsa kanssa itsemurhalennon: se pudottaa itsensä ilmakehään ja palaa siinä.

Keräin ja Vespa

ClearSpace-1:n keräimen ensimmäinen tehtävä on siepata noin 700 kilometrin korkeudessa yhteysmoduuli, joka Esalta jäi avaruuteen vuonna 2013.

© ClearSpace SA

Vastaava suunnitelma on myös japanilaisella Astroscale-yrityksellä, jonka End-of-Life Services by Astroscale (ELSA) -alus on juuri tehnyt ensimmäisen onnistuneen koelennon. 500 kilometrin korkeudessa suoritetulla ELSA-d-kokeella esiteltiin tekniikan mahdollisuuksia.

Alus otti kiinni 17 kilogramman koesatelliitin ilman mitään tarttumismekanismeja eli pelkästään magneetin avulla.

Jos ELSA-d onnistuu todistamaan arvonsa tulevilla testilennoilla, tulevaisuudessa se voi käydä ottamassa kiinni karanneet satelliitit ja kuljettaa ne ilmakehään, missä ne palavat.

ELSAn ensimmäinen varsinainen lento on suunnitteilla vuonna 2022, jolloin Astroscale etsii kiertoradalta vanhan japanilaisen raketin osan, joka aluksen on otettava kiinni.

ELSA-d

ELSA-d-alus testaa avaruusromua keräävää magneettiaan 17 kilon painoisella harjoitussatelliitilla.

Kaikkea avaruusromua ei polteta, vaan osa siitä pyritään saamaan uudestaan käyttöön. Kyse on esimerkiksi satelliiteista, joissa on jäljellä niin vähän polttoainetta, että ne eivät pysty säilyttämään alkuperäistä rataansa.

Esimerkiksi Iridium Communications -yhtiön lähettämistä 95 satelliitista 23 on lakannut toimimasta ja lentää siksi tarpeettomina 700–800 kilometrin korkeudessa. Ne voivat pysyä siellä yli 100 vuotta, jos niitä ei poisteta.

Northrop Grumman -yrityksen suunnittelema MEV-1- eli The Mission Extension Vehicle-1 kykenee kytkeytymään toimimattomiin satelliitteihin, siirtämään niitä oikeille radoille ja pidentämään niiden käyttöikää jopa viisi vuotta.

MEV-1 suorittaa jo ensimmäistä operaatiotaan, joka alkoi vuonna 2020. Alus kytkeytyi 20 vuotta vanhaan Intelsat 901 -tietoliikennesatelliittiin, jonka polttoaine oli loppumassa ja joka oli päätymässä toimimattomana hautausmaaradalle.

MEV-1 otti hoitaakseen Intelsat 901:n ohjauksen ja korjasi sen kiertoradan. Siten tietoliikennesatelliitti sai jatkoaikaa aina vuoteen 2025 asti.

Vaarallinen avaruusromu pitää poistaa kiertoradoilta pysyvästi. Osa satelliiteista saa kuitenkin toisen mahdollisuuden uudella kiertoradalla. Kolme tulevaa alusta alkaa puhdistaa Maan lähiympäristöä roskista.

Avaruuden siivoojat
© Shutterstock & Lotte Fredslund/ClearSpace SA

1. Käsivarret kaappaavat kohteen

Vuonna 2025 lähetettävä ClearSpace-1 paikantaa toimintansa lopettaneita satelliitteja, siirtyy niiden radalle rakettisuuttimien avulla ja kahmaisee ne syliinsä. Sitten alus putoaa saaliineen ilmakehään ja palaa.

© Shutterstock & Lotte Fredslund/Orbital ATK

2. Alus puhaltaa eloa zombiin

Kun satelliitilta loppuu energia, se joko syöksyy ilmakehään tai jatkaa toimimattomana kiertoaan toisella radalla. MEV-1 alistaa zombin ohjaukseensa, korjaa sen radan ja virkistää sen hoitamaan varsinaista tehtäväänsä.

Avaruuden siivoojat
© Shutterstock & Lotte Fredslund/Astroscale

3. Magneetti kerää romua

Japanilaisalus ELSA-d painaa 175 kiloa ja sisältää magneetin, joka vangitsee eläköityneitä satelliitteja ja muuta kookasta avaruusromua. Kiinnioton jälkeen ELSA-d työntää kohteen ilmakehään, ja kumpikin palaa siinä.

On kuitenkin kysyttävä, eikö kasvattamalla kovaa vauhtia satelliittien määrää ennen avaruuden liikenteenohjauksen ja suursiivouksen aloittamista suorastaan kerjätä vaikeuksia.

Maapallon yllä leijuu avaruuslentojen loppumisen uhka siinä tapauksessa, että toisiinsa törmäävistä kappaleista aiheutuu ketjureaktio, josta Don Kessler varoitti jo yli 40 vuotta sitten.

Avaruusromuekspertti Moriba Jah totesi The Verge -sivustolle olevansa varovaisen toiveikas. Hän korostaa, että uusia satelliitteja ei lähetetä, jos tilanne muuttuu vakavaksi.

Satelliittien syytämistä nykyistä tahtia ei voida kuitenkaan jatkaa vanhaan tapaan.

Kaikki avaruuteen menevä pitää varustaa ohjausjärjestelmällä, joka joko mahdollistaa hallitun pudottamisen tai saattamisen loputtomalle matkalle pois Maan lähiympäristöstä.

© ClearSpace SA

Tutustu huipputeknisiin siivoojiin

Avaruusalalla toimivissa yrityksissa kehitetään uudenlaisia aluksia, jotka pystyvät puhdistamaan Maata kiertäviä ratoja. Täällä esitellään tähänastisia saavutuksia:
Neljä nerokasta avaruusromuongelman ratkaisua