Care este impactul constelațiilor de sateliți asupra climei?
Chiar dacă până în prezent nu au fost raportate reintrări în atmosfera terestră ale unor resturi orbitale care să ajungă la sol în țara noastră, odată cu creșterea numărului de sateliți plasați pe orbitele din jurul Pământului, problematica a devenit de actualitate. Totuși, noile generații de sateliți se dezintegrează în proporție de 90 – 95% la reintrarea în atmosferă, iar aceste manevre se fac în general controlat, uneori către Punctul Nemo, un adevărat “cimitir spațial” aflat într-o zonă izolată din Pacificul de Sud. Însă noile constelații de sateliți au un impact major asupra cercetarii științifice, mai ales în privința observațiilor astronomice de la sol, implicit asupra monitorizării active ale efectelor schimbărilor climatice.
De asemenea datorită materialelor din care sunt construiți acești sateliți, putem fi afectați în mod direct deoarece în timpul arderii la reintrarea în atmosfera terestră se generează oxid de aluminiu, cunoscut și sub denumirea de alumină, ce duce la epuizarea stratului de ozon, ceea ce ar putea modifica capacitatea atmosferei de a filtra radiația ultravioletă emisă de către Soare. Trebuie punctat că fiecare misiune spațială “își lasă amprenta” atât asupra atmosferei terestre, cât și asupra densității de resturi de pe orbitele din jurul Pământului. Într-un recent raport făcut public, ESA (European Space Agency) a declarat că pe orbitele din jurul Terrei se află peste 1 milion de deșeuri spațiale, mai mari de 1 cm. Astfel sunt induse o serie de reacții în lanț, efectul fiind sesizat la nivelul schimbărilor climatice.
În ultimii cinci ani s-a constatat o triplare a numărului de sateliți operaționali plasați pe orbitele din jurul Pământului, un avânt tehnologic fără precedent. Cea mai mare creștere a fost înregistrată pe orbitele joase ale Pământului (până la 2.000 km altitudine), pe aceste orbite LEO (Low Earth Orbit) fiind plasați în special sateliții de comunicatii: servicii de date și voce.
Conform orbit.ing-now.com, pe orbitele joase din jurul Terrei sunt activi 7.047 sateliți, mai mult de 58% dintre aceștia fiind organizați în constelația Starlink. Însă acesta este doar începutul... Asta deoarece, conform unor estimari, numărul sateliților activi de pe orbitele LEO va ajunge la aproximativ 100.000 unități pana la finele acestui deceniu.
Chiar dacă, la prima vedere, aceste cifre sunt impresionante, trebuie sa luăm în calcul că operatorul SpaceX și-a exprimat intenția ca până în anul 2030, Starlink să devină o mega constelație compusă din aproximativ 42.000 de sateliți. Iar dacă mai adunăm și intențiile celorlalți competitori (OneWeb, Iridium, Kuiper și alți operatori internaționali), estimarea devine chiar plauzibilă.
La ce ne folosesc acești sateliți?
Într-o analiza economică a impactului constelațiilor Starlink, OneWeb și Kuiper reiese că ideea plasării de sateliți de comunicații pe orbitele LEO are un impact semnificativ în privința accesului populației la diverse servicii de comunicație. Asta mai ales în zone izolate de pe Pământ, acolo unde costurile ridicate pentru o infrastructură terestră nu ar fi justificate.
Însă nu este vorba numai despre comunicațiile terestre deoarece pe aceste orbite LEO mai este desfășurată o serie de sateliți utilizați în activități de monitorizare a planetei, un exemplu în acest sens fiind programul Copernicus. Acesta este compus din sateliții din constelația Sentinel, care până la finele acestui deceniu va ajunge la aproximativ 20 de unități. Serviciile oferite de acest program sunt grupate în șase familii: date cu privire la atmosfera terestră, la mediul marin, suprafața terestră, informații relevante despre schimbările climatice, dar și de securitate ori situații de urgență. Astfel, datele preluate pe baza programului Copernicus pot fi folosite de către utilizatorii finali într-o gamă vastă de aplicații, din foarte multe domenii.
Ce riscuri implică aceste aglomerări ale orbitelor joase din jurul Pământului?
În primul rând este vorba despre o creștere semnificativă a numărului de manevre orbitale și implicit a riscului de coliziuni intra-satelitare. Un studiu precizează că în urma cu trei ani erau efectuate, în medie, trei manevre de evitare a coliziunilor pe zi. Însă, odată cu creșterea numărului de sateliți desfășurați pe orbitele LEO, numărul manevrelor orbitale de evitare a unui impact se estimează că va crește drastic la nu mai puțin de 8 manevre/ oră. Așadar, riscurile cresc odată cu numărul de sateliți desfăsurați pe orbitele din jurul Pământului. Iar posibilele coliziuni vor genera noi resturi spațiale (space debris), dar și scoaterea prematură din uz a unor sateliți implicați în astfel de evenimente.
Fig. 1: Creșterea incontrolabilă a numărului de deșeuri spațiale poate conduce către un scenariu descris de catre efectul Kessler. (sursa ESA)
O consecință majoră a aglomerării orbitelor cu resturi generate în urma coliziunilor poate conduce la fenomenul cunoscut în literatura de specialitate și sub denumirea de efectul Kessler, un concept propus în anul 1978 decătre cercetătorul NASA Donald J. Kessler. Este vorba despre un scenariu în care densitatea obiectelor aflate pe orbitele din jurul Pământului este suficient de mare astfel încât coliziunea dintre ele să poată genera o cascadă colizională. Asta ar înseamna ca fiecare coliziune va genera fragmente suplimentare care cresc șansele unor noi ciocniri, o reacție in lanț, complet incontrolabilă. Iar în viziunea lui Kessler, o astfel de cascadă va izola la un moment dat planeta noastră, făcând practic imposibilă explorarea spațiului,chiar și utilizarea sateliților, pentru mai multe generații.
Cercetătorii subliniază că la reintrarea în atmosfera terestră a unui satelit deorbitat din mega constelația Starlink s-ar depune mai mult aluminiu în atmosfera superioară, prin comparație cu un meteoroid. Asta deoarece sateliții Starlink, și nu numai, sunt fabricați preponderent din aluminiu, iar în timpul arderii la reintrarea în atmosfera terestră se generează oxid de aluminiu, cunoscut și sub denumirea de alumină. Autorii studiului avertizează că alumina duce la epuizarea stratului de ozon (despre care am discutat și în cadrul unui material recent InfoClima), ceea ce ar putea modifica capacitatea atmosferei de a filtra radiația ultravioletă emisă de către Soare. Astfel sunt induse o serie de reacții în lanț, efectul fiind sesizat la nivelul schimbărilor climatice. Mai mult, chiar și resturile rămase pe orbitele joase din jurul Pământului în urma altor misiuni pot intra în coliziune cu satelitii activi, iar fragmentele rezultate pot reintra necontrolat în atmosfera terestră, putând deveni un potențial pericol pentru populație.
Într-un recent raport făcut public, ESA (European Space Agency) a declarat că pe orbitele din jurul Terrei se află peste 1 milion de deșeuri spațiale mai mari de 1 cm. Mai mult, masa totală a obiectelor aflate pe orbitele din jurul Pământului depășește 10.900 tone, asta în condițiile în care nu toate aceste resturi au fost identificate și clasificate. ESA estimează că numărul de evenimente care au avut loc pe orbitele din jurul Pământului: fragmentări, explozii, coliziuni sau evenimente anormale care au generat deșeuri spațiale (space debris) ar fi la peste 640.
Fig 2: Distribuția obiectelor spațiale aflate pe orbitele LEO; Sursa: (Boley and Byers, 2021)
Resturile generate în urma coliziunilor orbitale măresc semnificativ populația de deșeuri spațiale, un exemplu în acest sens fiind coliziunea din 10 februarie 2009, ora 16:56 UTC la altitudinea de 789 km deasupra Peninsulei Taimir (Siberia). Considerată ca fiind cea mai gravă coliziune spațială din istorie, aceasta a avut loc între satelitul american de comunicații Iridium-33 (constelația Iridium) și un satelit militar rus dezafectat la momentul impactului Kosmos-2251 (constelația Strela), la viteza de 11,7 km/s. NASA a raportat că în urma incidentului a rezultat o mare cantitate de resturi, iar conform informațiilor la un an după impact, U.S. Space Surveillance Network (SSN) a catalogat peste 2.000 de fragmente rezultate în urma impactului, creștere marcată și pe graficul de mai sus. Un alt vârf sesizabil pe grafic reprezintă creșterile de resturi orbitale rezultate în urma testului chinezesc cu arma anti-satelit, eveniment care a avut loc pe 11 ianuarie 2007.
În prezent nu există oficial o regulă care sa stabilească un termen limită pentru deorbitarea sateliților scoși din uz, ci doar un consens internațional de reducere a deșeurilor orbitale care stipulează un termen de 25 de ani, un orizont de timp prea îndelungat în condițiile actuale. Însă pe data de 8 septembrie 2022, Federal Communication Commission (FCC) a emis un proiect prin care se stabilește un termen de 5 ani pentru deorbitarea satelitilor plasați pe orbitele LEO, după ce aceștia își încheie misiunea. Acest interval de timp este mult mai scurt decat în prezent și vine în sprijinul eforturilor de ”curățare” a orbitelor joase din jurul Pământului. Regula se va aplica sateliților lansați la doi ani după ce ordinul va fi adoptat și se adresează atât sateliților cu licența emisa de SUA, cât și a celor licențiați de către alte țări, dar cu acces pe piața din America. Cu toate acestea, NASA prin Orbital Debris Program Office (ODPO) susține că această reducere a termenului limită de menținere pe orbită ar avea ca rezultat o scădere cu doar 10% a populației de resturi orbitale pentru o perioadă de 200 de ani. Astfel, se impune îndreptarea eforturilor mai ales către intensificarea acțiunilor de “curățare” a orbitelor din jurul Pământului. In ultimii ani, au fost inițiate o serie de proiecte, din care amintim Claw Capture (Clearspace SA – Elveția), Magnetic Capture (Astroscale – Japonia), RemoveDebris (Airbus – Franța) si Laser Broom (EOS – Australia).
În 2022, American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) a publicat ghidul “Satellite Orbital Safety Best Practices” dezvoltat împreună cu trei operatori de mega-constelatii de sateliți — Iridium, OneWeb și SpaceX. Documentul stabilește pașii pe care trebuie să îi urmeze operatorii de sateliți, de la dezvoltare si lansare, operațiuni pe orbită și până la decomisionarea sateliților scoși din uz. AIAA recomandă ca sateliții decomisionați să fie deorbitați pentru reintrarea controlată în atmosfera terestră până la 5 ani de la încheierea perioadei de exploatare, menționând un obiectiv de un an. Mai mult, pentru sateliții care intersectează orbitele navelor spațiale cu echipaj uman, documentul solicita o ”deorbitare gestionată activ” a satelitului prin dirijarea controlată către punctul de dezintegrare naturală.
Deșeurile satelitare- O problemă sufocantă pentru planetă
Așadar se observă o serie de eforturi la nivel internațional pentru a reglementa activitatea sateliților care urmează a fi lansați în următorii ani pe orbitele joase din jurul Pământului și în ceea ce privește decomisionarea acestora. Însă satelitii reprezintă doar o mică parte dintre obiectele spațiale periculoase care populează orbitele LEO. Pe lângă aceștia, o pondere consistentă o reprezintă deșeurile spațiale care au devenit o problemă stringentă la nivel mondial.
Mai trebuie punctat că fiecare misiune spațială “își lasă amprenta” atât asupra atmosferei terestre, cât și asupra densității de resturi de pe orbitele din jurul Pământului. O masură ar putea fi reducerea treptată a numărului de lansări la o valoare rezonabilă, în vederea “curățării” orbitelor de resturile spațiale generate de misiunile din ultimele peste șase decenii. Fragmente mai mari sau mai mici, dar care sunt extrem de periculoase la vitezele pe care le au pe orbite. Este ca și cum pe Pământ am circula cu o mașină pe un traseu montan unde pot cădea pietre sau chiar pot fi antrenate resturile de pe carosabil de către alte vehicule, acestea devenind adevărate proiectile.
Cu toate acestea, în ultima vreme observăm fix contrariul, mai ales noua excentricitate a miliardarilor planetei: turismul spațial. De asemenea, avântul tehnologic al operatorilor de sateliți ar putea fi temperat până după “curățarea” acestor orbite pentru evitarea coliziunilor, precum și o mai atentă strategie de desfășurare a acestora pe orbitele din jurul Pământului pentru a nu afecta comunitatea științifică, mai ales astronomia observațională . Asta deoarece, “dârele” lăsate de traseele sateliților pe imaginile preluate de către observatoarele astronomice în domeniul vizibil și infraroșu apropiat (NIR) compromit total rezultatele cercetărilor, iar acest fenomen s-a amplificat în ultimii 5 ani.
Doctorand în Astronomie și Astrofizică la Facultatea de Fizică (Universitatea București) și inginer în electronică (Universitatea Politehnică București). Cercetări în domeniul asteroizilor potențiali periculoși (PHA) și cu privire la impactul mega-constelatiilor de sateliți.
