Sok műhold, sok ütközés, nagy rendetlenség, aktív ritkítás szükséges
(2026 március)
És szabályozás, mert az elmúlt években megtelt a Föld körüli tér, több ezer új műhold került pályára, és még ennél is több van tervekben. Szerencsére a régi eszközök tömegesen elégnek a légkörben, és a hatásukat az ózonrétegre még csak sejtjük. A kereskedelmi űripar rohamos fejlődése, az olcsó rakétaindítások és a nagy technológiai vállalatok belépése miatt a műholdak száma gyorsan nő. A több ezer egymással együttműködő műholdból álló rendszerek célja, hogy globális internetet, adatkapcsolatokat biztosítsanak a Föld minden pontján. A fejlődés persze látványos, de több tudós figyelmeztet arra, hogy az űr gyors benépesítése új és nem ismert környezeti kockázatokkal, ütközésekkel* is járhat.
Napjainkban közel 15 ezer aktív műhold kering a Föld körül. A többségük alacsony Föld körüli pályán található**, és nagy rendszerek részeiként működnek. Az élettartamuk rövid, gyakran néhány évig működnek csak, ezért folyamatosan új példányokat kell fellőni a helyükre, a régi műholdakat pedig – hogy ne növeljék tovább a már most is zsúfolt pályákon keringő űrszemét mennyiségét – visszavezetik a Föld légkörébe. Amikor egy műhold belép a felső légkörbe, a súrlódás miatt felhevül, darabokra szakad és elég, azaz a műholdakat kontrolláltan „elégetik” a légkörben. A módszer sokáig jó megoldásnak tűnt. Az aggodalmak egyik fő oka egy ambiciózus terv, a SpaceX nemrégiben engedélyt kért arra, hogy egymillió új műholdat indíthasson el a jövőben, elsősorban mesterséges intelligenciát kiszolgáló adatközpontok és globális kommunikációs rendszerek támogatására. A probléma nem csak a darabszám, hanem a műholdak tömege is. A működő új generációs műholdak körülbelül 800 kilogrammot nyomnak, a későbbi változatok már 1250 kilogrammosok is lehetnek, és ha ha ilyen mennyiségű és méretű eszköz kerülne pályára, az nemcsak az űrforgalmat, hanem a légkört is jelentősen befolyásolhatná, az ózonréteg sérülne.
Ha több százezer vagy egy millió új műhold kerül pályára, akkor a káros hatásuk megsokszorozódik. Nemcsak a kilövések számának növekedése jelent problémát, ha a műholdak többsége az élettartama végén elég a légkörben, hanem a légkörre kerülő káros anyagok is, a kilövések nyomait pedig már most ki lehet mutatni. 2023-ban kutatók a felső légkör aeroszoljait vizsgálva műholdakból származó fémrészecskéket találtak, nemrégiben pedig már lítiumot is azonosítottak egy rakéta kontrollálatlan visszatérése után. A szerkezetek jelentős része alumíniumból áll, és amikor az aluminium elég a légkörben, alumínium-oxid részecskék keletkeznek, és a mikrorészecskék évekig a légkörben maradhatnak, hozzájárulhatnak az ózonréteg lebomlásához. Nem minden visszatérő műhold ég el teljesen, és egyes darabok túlélhetik a belépést, majd a Föld felszínére hullhatnak. A számuk növekedésével nő az esélye annak, hogy valaki vagy valami – például egy repülőgép – sérül egy visszatérő darabtól.
Egy becslés szerint több 100 metrikus tonna alumínium-oxid halmozódhat fel a felső légkörben, ami olyan mennyiség, amely már veszélyezteti az ózonpajzs évtizedek óta tartó regenerációját. Amikor az alimínium alkatrészek nagy sebességgel belépnek a légkörbe, elpárolognak, és apró alumínium-oxid (timföld) nanorészecskék keletkeznek. A részecskék katalizátorként működnek, elősegítve az ózonmolekulákat lebontó klórvegyületek aktiválódását a sztratoszférában, és a keletkező nanorészecskék évtizedekig is a légkörben maradhatnak, folyamatosan károsítva az ózonréteget. Az alumínium mellett titán, réz, vas és lítium is kerül a légkörbe, amelyek katalitikus tulajdonságaik révén hozzájárulhatnak az ózon ritkulásához.
A SpaceX és más űrkutatási vállalatok a fizikai űrszemét és az ütközésveszély csökkentésére már figyelnek, az ózonréteget érintő kémiai hatások mérséklése még most kezdődik. A SpaceX és az Amazon (Project Kuiper) olyan anyagokat választ a műholdak építéséhez, amelyek a légkörbe éréskor teljesen elpárolognak, a cél megakadályozni, hogy nagyobb darabok zuhanjanak a földre. A módszer pont azokat az alumínium-oxid nanorészecskéket hozza létre, amelyek az ózonréteget károsítják. A modern műholdak (pl. Starlink) aktív hajtóművekkel rendelkeznek, amelyekkel élettartamuk végén irányítottan a légkörbe vezetik őket, a SpaceX például nemrégiben mintegy 100 régebbi Starlink műholdat hozott le idő előtt, hogy megelőzze a későbbi meghibásodásukat, ami irányíthatatlan űrszemétté váláshoz vezethetne.
A kutatók és néhány cég kísérletezik olyan anyagokkal, amelyek elégetésekor nem keletkeznek káros fémoxidok. A Kyoto-i Egyetem és a Sumitomo Forestry közös projektje keretében elindították a világ első fából készült műholdját. A fa égésekor főként vízgőz és szén-dioxid keletkezik, amelyek nem károsítják az ózonréteget úgy, mint az alumínium. Az Európai Űrügynökség (ESA) és olyan cégek, mint a ClearSpace, olyan "takarító" műholdakat fejlesztenek, amelyek képesek befogni a már nem működő eszközöket. Felmerült egy-két alternatív ötlet, ami a kiöregedett műholdakat nem a légkörbe vezetné vissza, hanem távolabbi pályákra küldené, ahol kevésbé jelentenek veszélyt, de ez több üzemanyagot igényelne, növelné a rakéták tömegét, és így a kilövések környezeti terhelését is. Egy másik megoldás szerint (https://www.livescience.com/space/space-exploration/tractor-beams-inspired-by-sci-fi-are-real-and-could-solve-the-looming-space-junk-problem) egy "vontatónyalábot" fejlesztenek, hogy eltávolítsák az űrszemetet a geostacionárius pályáról (GEO), amely az elektrosztatikus vontatóként ismert technológia: egy vontató űreszköz elektronnyalábot lő ki egy célpontra (egy megszűnt műholdra) körülbelül 15-27 méter távolságból, mechanikus szigonyok vagy hálók használata helyett. Az ellentétes töltések vonzása: A nyaláb negatív töltést indukál a törmelékben, miközben a kiszolgáló űreszköz pozitív töltést tart fenn. Az így létrejövő elektrosztatikus vonzás "virtuális kötélként" működik, hogy magához húzza a törmeléket. A cél az, hogy a "halott" műholdakat egy távolabbi "temetői pályára" tereljenek, ahol biztonságosan sodródhatnak, felszabadítva a főbb területeket a küldetésekhez. A jelenlegi elektronágyú-technológia még gyenge; egyetlen műhold 320 kilométeres mozgatása két-három hónapot is igénybe vehet. A kutatók becslése szerint egy működő prototípus 5-10 éven belül piacra dobható.
*
Ütközések: 1957-ben juttatták Föld körüli pályára az első mesterséges holdat, a Szputnyik–1-et, és azóta (2022) a becslések szerint mintegy 600 ezer 1 cm-nél nagyobb méretű tárgy került a világűrbe, az ennél kisebbek száma pedig milliós nagyságrendű. De az űrszemét kis része nagy tömegű alkatrészekből áll, a hordózórakéta-fokozatok, vagy műholdak elérhetik a 2 és 10 tonna közötti tömeget is. A világűrben működő űreszközökre egy kisebb méretű tárggyal való összeütközés is katasztrofális hatással van, mert a becsapódás sebessége elérheti a 10 km/s sebességet is, a 36 000 km/órát. Az űrállomások a világűrben 300–400 km magasságban tartózkodnak, ebben a térségben különösen veszélyes ezeknek a tárgyaknak a véletlenszerű mozgása, de a legnagyobb veszélyt a 800–1500 km-es zónában mozgó objektumok jelentik, ahol a földmegfigyelő holdak keringenek. Az Egyenlítő fölött 36 ezer km magasságban húzódó, távközlési és meteorológiai célokra használt geostacionárius pálya is túlzsúfolt*, az ütközések veszélye nagy, „kozmikus dugók” alakulnak ki, és kritikussá válik a pálya, ha már lavinaszerű ütközések is kialakulnak. Kezdetben a lavinák maguktól kihalnak, ha a kritikusnál kisebb a törmelék sűrűsége. Amennyiben űrhajósok is tartózkodnak a a Nemzetközi Űrállomás** fedélzetén, emberi életeket is fenyeget egy esetleges ütközés. Egy indítás során keletkezett visszaeső alkatrész, ami jelentős mérete vagy pályája miatt nem ég el a légkörbe való belépéskor, veszélyt jelent, ha lakott területre esik vissza. Mind a telekommunikáció, a közlekedés, környezetünk megfigyelése és a hadiipar mindennapjaink elkerülhetetlen részévé váltak. A rohamosan növekvő populáció több felhasználóval jár, és több műholdra van szükség. Az elméletek szerint, emberiségünk idővel bizonyosan kinövi a bolygót, és a pályákat is.
A keringő műholdak (https://oig.nasa.gov/office-of-inspector-general-oig/ig-21-011/)
Az űrben pedig minél több műhold kering ugyanazon a pályán, annál nagyobb az esély az ütközésekre. Egy ütközés rengeteg apró törmeléket hozhat létre, amelyek aztán újabb műholdakat rongálhatnak meg, a folyamat az úgynevezett Kessler-szindróma, amikor a törmelékek láncreakció szerűen egyre több ütközést okoznak. Egy elemzés szerint átlagosan 3,8 naponta történne egy ütközés, ha elindulna a láncreakció, és sok szakértő szerint már most is a Kessler-szindróma korai szakaszában járunk. A Kessler-szindróma az a jelenség, melynek során a világűrben az alacsony Föld körüli pályán keringő és egymással összeütköző szemétdarabok növekvő valószínűséggel további törmelékdarabokat állítanak elő. A NASA tudósa, Donald J. Kessler publikálta 1978-ban. A tanulmányában leírta, hogy az alacsony Föld körüli pályán lévő űrszemét egy kritikus sűrűséget meghaladva olyan ütközéseket eredményez, melyek valószínűsége növekszik, lavinaszerű. Kessler hozzátette, hogy a láncreakció következtében bizonyos magasságon elhelyezkedő Föld körüli pályák használata lehetetlenné válhat, pl egy napvihar következtáben (https://www.origo.hu/tudomany/2026/01/napvihar-muholdak-utkozese-gps-internet-leallas). Az elmélet 2001-es pontosítása szerint, a veszély leginkább az alacsony föld körüli pályán, a körülbelül 1000 km-es magasságban keringő műholdakat érinti. Az egyetlen listázott műholdak közötti ütközés 2009-ben, az Iridium 33 és Cosmos 2251 között történt. A jelenlegi álláspont szerint Kessler elmélete eltúlozza a problémát és a fennálló veszélyeket (https://hu.wikipedia.org/wiki/%C5%B0rszem%C3%A9t)
A csillagászok számításai szerint a jövőben tervezett megakonstellációk több ezer szabad szemmel is látható műholdat jeleníthetnek meg az égbolton, idővel így több műhold lesz látható az égen, mint csillag, ami komoly problémát jelentene a csillagászat számára, hiszen megnehezítené az új bolygók keresését, a távoli galaxisok megfigyelését vagy a szupernóvák kutatását. A szakértők a globális szabályozást sürgetik, az egyik javaslat szerint, meg kéne határozni a légkör „biztonságos terhelhetőségét” – vagyis azt, hogy mennyi műholdindítás és visszatérés fér bele anélkül, hogy súlyos környezeti hatásokat okozna.
Az űrszemét, kozmikus hulladék vagy űrtörmelék: a Föld körül keringő olyan ember alkotta tárgyak, amelyek már semmilyen hasznos célt nem szolgálnak. Kritikus a sűrűségük, ha lavinaszerű ütközések alakulnak ki. A tárgyak főleg a mesterséges holdak és űrállomások kisebb-nagyobb levált darabkái, alkatrészei, valamint használaton kívüli műholdak, alacsony Föld körüli pályán maradt utolsó rakétafokozatok és az űrséták, szerelések során elszabadult eszközök. Az objektumok veszélyt jelentenek a működő műholdakra, az űrhajókra, és az űrhajózásra, mert nagy sebességgel mozognak a Föld körül. Az ütközések apró darabokra darabolódnak szét az ütközések következtében, ami tovább növeli a veszélyt a ≈ 28 ezer kilométer/óra sebességük (alacsony pályán). Az űrtörmelék összegyűjtése vagy eltávolítása a Föld körüli pályáról bonyolult, drága és veszélyes feladat, pillanatnyilag (2025) még megoldatlan feladat. A Föld körül keringő, ember alkotta tárgyak anyagának másodlagos felhasználása nem megoldott, pedig sok energiát fordítottunk arra, hogy fent legyenek, nyersanyagforrásként szolgálhatnának később, de amikor egyes űreszközöket kivonnak a szolgálatból, rendszerint magasabb, úgynevezett „temetői” pályára emelik. Amennyiben, pl egy napvihar miatt megszünne az irányítás, nagy rendetlenség lenne odafent.
Föld körül keringő törmelékek száma (https://hu.wikipedia.org/wiki/%C5%B0rszem%C3%A9t)
A geoszinkron pályák speciális esete a geostacionárius pálya, amely pálya nem tér ki az Egyenlítőtől északra és délre, hanem pontosan az Egyenlítő fölött helyezkedik el. A kommunikációs műholdakat gyakran erre a pályára állítják, mivel így a földi antennáknak nem kell mozgathatóaknak lenniük, és nem kell követniük a műhold mozgását az égbolton, hogy adatkapcsolatban tudjanak maradni vele. Ez egyszerűbb földi berendezést jelent és egyúttal alacsonyabb működtetési költségeket is. A Föld körüli, kör alakú geoszinkron pályák sugara 42 164 km a Föld középpontjától számítva, a magasságuk a földfelszíntől 35 790 km. Minden Föld körüli, akár kör alakú, akár elliptikus geoszinkron pályának a fél nagytengelye egyforma hosszú. (Az L2 Lagrange pont, https://hu.wikipedia.org/wiki/Lagrange-pont, távolága a Földtől 1,5 millió kilométerre található, pl. a James Webb űrtávcső kering a Nap körül, az L2 pontonnál. Későbbi felhasználás reményében egy másik Lagrange ponton érdemes lehet összegyűjteni?)
A Föld gravitációs terében további Lagrange-pontok is léteznek, amelyek közül a leggyakrabban említett az L2 pont, mivel a Föld távolsága 1,5 millió km.
A Föld gravitációs terében további Lagrange-pontok is léteznek, amelyek közül a leggyakrabban említett az L2 pont, mivel a Föld távolsága 1,5 millió km.
A geostacionárius műholdak az Egyenlítőn a megfigyelő feje fölött helyezkednek el (ha azonos meridiánon vannak). A sarkok felé közeledve ez a magasság egyre kisebbnek látszik, a kommunikáció egyre nehezebb a légköri jelszóródás, a Föld termikus sugárzása, és a látóirányba eső tereptárgyak árnyékoló és jelvisszaverő hatásai miatt. Nagyjából a 81° szélesség felett a műholdak a horizont alá buknak, azaz nem láthatóak. Oroszország kommunikációs műholdjai elliptikus Molnyija-pályán (https://hu.wikipedia.org/wiki/Molnyija-p%C3%A1lya) és Tundra-pályán mozognak, amik kiváló láthatóságot biztosítanak nagy földrajzi szélességű helyek számára is (azaz ezek nem geostacionárius műholdak, (https://hu.wikipedia.org/wiki/Geostacion%C3%A1rius_p%C3%A1lya).
Pályastabilitás: a geostacionárius pálya csak a pontos magasságban (35 786 km) és az egyenlítő fölött érhető el , és 3,07 km/s keringési sebességet jelent, míg az alacsony pályán 7,8 km/másodperc sebességet. A geostacionárius keringés periódusa 1436 perc, ami pontosan egy nap, ami biztosítja azt, hogy a földről nézve a műhold látszólag mindig az égbolt ugyanazon a helyén „állni látszik”. De vannak zavaró hatások. A Hold és a Nap gravitációs ereje (bár eltérő mértékben), továbbá a Föld lapultsága a sarkoknál hatással vannak a műholdakra is. A Föld sarkoknál való lapultsága precessziós mozgást okoz a keringés műhold pályasíkjában. Ennek periódusa kb. 53 év, és van egy inklinációs gradiense is, ami 0,85° évente, ami 26,5 év alatt 15° maximális inklinációt jelent. A pályaperturbációs (=keringést megzavaró) hatások miatt a műholdak pozícióját folyamatosan figyelik, és egy bizonyos eltérés esetén rendszeresen pályakorrekciókat hajtanak végre.
**A műholdak alacsony Föld körüli pályákon keringenek, a Föld felszínétől legfeljebb 2000 km távolságra. Mivel a 200 km alatt keringő testek gyorsan veszítenek magasságukból, ezért általánosan a földfelszín fölött 200–2000 km-re keringő műholdakra használják az "alacsony Föld körüli pálya" kifejezést. (Pl. https://www.portfolio.hu/global/20251027/rejtelyes-kinai-ureszkozrol-erkeztek-felvetelek-eddig-nem-ismert-reszletekre-derult-feny-795618) Pályájuk nagy általánosságban kör alakú, és nagyjából 90 perc alatt kerülik meg a Földet, pl. a Nemzetközi Űrállomás, és ezt a pályát használták a Space Shuttle-küldetések alatt is. A pálya gyakori használata miatt sok űrszemét itt található. A Föld körül keringő műholdak sebessége jellemzően körülbelül 7,8 km/másodperc. Egy kicsi, mondjuk 5 dkg-os törmeléknek az impulzusa: 0.05 x 7800 = 390 kgm/sec, ami elegendően nagy a további, lavinaszerű törmelék képzéséhez.
Az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak sebessége jellemzően körülbelül 7,8 km/másodperc, azaz 28 000 km/óra szükséges ahhoz, hogy a műholdak ne zuhanjanak vissza a Földre, hanem stabilan keringjenek a gravitációs vonzás hatására. 90–120 perc alatt megkerülik meg a Földet. A magasságuk 160–2000 km között változik, de a leggyakoribb pályamagasságok 400–800 km között vannak (pl. a Nemzetközi Űrállomás kb. 400 km-en kering). A gyors mozgás miatt egy adott földi pontról csak rövid ideig láthatóak, ezért a folyamatos lefedettséghez több műholdból álló rendszerre van szükség.
A nagy sebesség és alacsony magasság előnye, hogy az adatátvitel késleltetése minimális, ami különösen fontos a kommunikációs és megfigyelési rendszerekben. Az alacsony Föld körüli pálya további előnyei: a legkisebb energiabefektetéssel elérhető pálya, ezért a pályák közül ez a legolcsóbb. A műhold méretétől függően kisebb rakétával is el lehet érni (a kisebb rakéta költsége a nagyobbnak mindössze 10%-a is lehet). Mivel a műhold közel van a földfelszínhez, ezért kisebb teljesítményű és méretű optika is elegendő a megfigyelésekhez. A kis távolság miatt kis teljesítményű rádió-adóvevő is megfelelő a jelek vételéhez.
Az alacsony Föld körüli pálya hátrányai: a kis magasság miatt nagyobb a légkör fékező hatása (ami végső soron a műhold lezuhanásához vagy a légkörben való elégéséhez vezet), amit hajtómű működtetésével kell kompenzálni, ez azonban a legtöbb kis műholdon nem áll rendelkezésre (ilyen például a Hubble űrtávcső). A magasságemelést jellemzően egy külső űrjármű hozzákapcsolásával és annak a hajtóművével oldják meg. A műhold élettartama nagyban függ a kezdeti pálya magasságától és a levegő sűrűségétől a felső atmoszférában. Mivel erre hatással van a Nap aktivitása, az sem mindegy, mikor indítják a műholdat, és milyen irányban.
Az I impulzus sűrűség modellezése, valószínűségi változó, a pályaterületen lévő objektumok impulzusűrűsége.
Kritikus az impulzussűrűség, amikor csak összeomló törmelék lavinák keletkeznek (I0). Ha a lavina nem omlik össze, akkor a pálya nagy részén maradandó károsodást okoz az I impulzussűrűség [tömeg x sebesség / felület]:
I = I0 eλx
ahol I0 a kritikus impulzussűrűség [tömeg x sebesség / felület], és e az Euler-féle szám. λ együttható, amely a keletkező törmelékek számával kapcsolatos egységnyi távolságon, [szám x távolság]. (Hasonló jelenség a gázkisüléses csöveknél fordul elő.)