Űrszemét ütközések, műhold pályák
(2025 október)
Az űrszemét, kozmikus hulladék vagy űrtörmelék, a Föld körül keringő, 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 (https://hu.wikipedia.org/wiki/%C5%B0rszem%C3%A9t). Az
objektumok veszélyt jelentenek a működő műholdakra, 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
objektumok veszélyt jelentenek a működő műholdakra, 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
Föld körül keringő rörmelékek száma (https://hu.wikipedia.org/wiki/%C5%B0rszem%C3%A9t)
A Kessler-szindróma (vagy Kessler-effektus) 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. 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).
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 űrszemét-ütközések modellezése statisztikai szimulációkat, pályadinamikát és valószínűségi kockázatértékeléseket foglal magában, a jövőbeli űrszemét-események Kepler-féle pályák előrejelzésére: Statisztikai eloszlások segítségével a modellek a pályaterületeken lévő objektumok sűrűsége alapján becsülik meg az ütközések valószínűségét. Itt a Kessler-szindróma egy kaszkádhatást ír le, ahol az ütközések több törmeléket generálnak, növelve a jövőbeli ütközési kockázatot. Modellek segítenek a biztonságos indítási ablakok és pályaútvonalak kiválasztásában. Tájékoztatást adnak a törmelékcsökkentésre, és a műholdak élettartamának végén történő ártalmatlanítására vonatkozóan.
Modellek leírása
MOCAT (MIT Orbital Capacity Assessment Tool) Nyílt forráskódú eszköz egyedi objektumok, a törmelékképződés és ütközési valószínűségek modellezésére. Tartalmaz nagy pontosságú (MOCAT-MC) és gyors, alacsony pontosságú (MOCAT-SSEM) komponenseket. Nyilvános a GitHub-on keresztül
NASA ORDEM 3.0 mérnöki modell orbitális törmelékkörnyezethez, amelyet az ütközési arányok és a földi balesetek kockázatának kiszámítására használnak. Nyilvánosan elérhető
PROP3D és GEOPROP Általános célú orbitális törmelék valószínűségek, amelyeket a NASA MMOD (meteoroid és orbitális törmelék) csomagjában használnak. Nyilvánosan elérhető.
MOCAT (MIT Orbital Capacity Assessment Tool) Nyílt forráskódú eszköz egyedi objektumok, a törmelékképződés és ütközési valószínűségek modellezésére. Tartalmaz nagy pontosságú (MOCAT-MC) és gyors, alacsony pontosságú (MOCAT-SSEM) komponenseket. Nyilvános a GitHub-on keresztül
NASA ORDEM 3.0 mérnöki modell orbitális törmelékkörnyezethez, amelyet az ütközési arányok és a földi balesetek kockázatának kiszámítására használnak. Nyilvánosan elérhető
PROP3D és GEOPROP Általános célú orbitális törmelék valószínűségek, amelyeket a NASA MMOD (meteoroid és orbitális törmelék) csomagjában használnak. Nyilvánosan elérhető.
*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.)