8 Minutės
Kai paleidimų skaičius, palydovų konstelacijos ir planai skristi į Mėnulį bei Marsą sparčiai daugėja, žemutinėje Žemės orbitoje susiformuojantis atiduotų palydovų, raketų dalių ir fragmentų debesis kelia rimtą riziką ir ekonomiškai švaisto erdvės išteklius. Tyrėjai vis dažniau tvirtina, kad veiksmingiausias sprendimas — ne vien tik geresnė susidūrimų prevencija ar mechaninis orbitos valymas, bet sisteminis perėjimas prie žiedinės kosmoso ekonomikos, kurioje kosmoso įrenginiai, medžiagos ir dizainas iš anksto numato pakartotinį naudojimą, remontą bei perdirbimą.
Kodėl orbitinės atliekos yra neatidėliotina sisteminė problema
Orbitinės atliekos — ne tik estetinis ar logistinis nepatogumas. Fragmentacijos įvykiai — tarpusavio susidūrimai, sprogimai dėl likusio propelento ir spontaniškas skyla — sudaro maždaug 65 % visų stebimų orbitinių fragmentų. Išjungtos kosminės stotys ir sunaudoti raketų korpusai sudaro apie 30 %, o misijai priklausančios operacijų metu išleistos detalės — likusius ~5 %. Toks disbalansas generuoja savarankiškai sustiprėjantį ciklą: daugiau fragmentų reiškia didesnį susidūrimų pavojų, o susidūrimai sukuria dar daugiau fragmentų, ilgainiui keliančių grėsmę aktyviems palydovams, astronautų misijoms ir space infrastruktūrai.
Be tiesioginės grėsmės veikiančiai įrangai, dabartinė praktika linkusi traktuoti brangią aukšto našumo techniką kaip vienkartinę. Palydovai, baigę eksploataciją, dažnai išmetami į „kapinių“ orbitas arba paliekami kaip atliekos, o saugūs valdomi įėjimai į atmosferą ir reentry sprendimai retai įgyvendinami dideliu mastu. Žemėje jau patyrėme, kad linijinis vartojimo modelis sukuria dideles ekologines ir ekonomines pasekmes; neseniai paskelbtas straipsnis žurnale Chem Circularity pabrėžia, kad kosmosas neturi pakartoti šių klaidų. Todėl orbitalių atliekų problema yra ne vien inžinerinė — ji yra sisteminė, apimanti dizainą, tiekimo grandines, teisines normas ir tarptautinę politiką.
Pagrindiniai orbitinių atliekų šaltiniai: fragmentacijos įvykiai (65 %) — susidūrimai, sprogimai iš likusio propelento ir spontaniškas išsiskaidymas; išjungtas kosmines priemones ir naudojami raketų korpusai (30 %); bei misijoms priklausančios operacijų metu išleistos detalės (5 %), tyčia ar netyčia paleistos. Fragmentacijos augimas paleidžia savireguliacinį susidūrimų ciklą, kuris kelia didėjančią riziką orbitos tvarumui. Šaltinis: Yang ir kt., iScience.
Applying reduce, reuse, recycle to spacecraft design
Pagrindinė idėja yra iš pirmo žvilgsnio paprasta: pritaikyti tris R principus (mažinti, pakartotinai naudoti, perdirbti) — tai, ką pramonė taiko buitinės elektronikos ir automobilių sektoriams — ir taikyti juos kosminių laivų bei raketų koncepcijose. Tai reiškia kurti palydovus ir paleidimo sistemas taip, kad jos naudotų mažiau pirminių žaliavų, būtų modularios ir remontuojamos, o gyvavimo pabaigoje leistųsi atgauti ir perdirbti komponentus. Praktinė eiga gali apimti kelis veiksmus:
- Modulinės architektūros, leidžiančios operatoriams keisti arba atnaujinti naudingąsias apkrovas (payload) ir avioniką vietoje viso palydovo pakeitimo; tai mažina paleidimų poreikį ir pagerina išteklių valdymą;
- Struktūrinės medžiagos ir tvirtinimo elementai, atrinkti dėl atsparumo terminiams ciklams, radiacijai ir mikrometeorų smūgiams, taip pat dėl galimybės perdirbti po atkūrimo; medžiagų pasirinkimas turi atsižvelgti į mechaninį ilgaamžiškumą ir ateities perdirbimo grandinę;
- Standartizuotos jungtys degalų papildymui, duomenų perdavimui, elektros energijos tiekimui ir mechaniniam tvirtinimui, kad servisą atliekančios kosminės stotys ar robotizuotos palydovų priežiūros priemonės galėtų aptarnauti arba perdaryti senesnius laivus;
- Orbitoje vykdoma gamyba arba papildomo gaminimo (additive manufacturing) centrai, kurie gamina atsargines dalis tiesiog orbitoje, mažindami naujų paleidimų poreikį ir leidžiant greičiau reaguoti į gedimus bei modifikacijas.
Dizainas, orientuotas į pakartotiną naudojimą ir remontą, taip pat sumažina pakėlimo masę ir bendras išlaidas per palydovo gyvavimo ciklą. Tyrimo vyriausiasis autorius, chemijos inžinierius Jin Xuan iš Surrey universiteto, pažymi, kad „tikrai tvari kosminė ateitis prasideda nuo technologijų, medžiagų ir sistemų integracijos“. Kitaip tariant, medžiagotyra, mechaninis dizainas ir eksploatacijos planavimas turi būti susieti jau projekte — nuo pradinių reikalavimų iki perdirbimo grandinių planavimo.
Technologies that make reuse and recovery possible
Saugus įrangos pargrąžinimas į Žemę arba jos pervežimas į perdirbimo platformą orbitoje yra būtinas komponentas, jeigu norima užtikrinti realų perdirbimą. Minkšto nusileidimo technologijos — parachutai, oro pagalvės, valdomos reentry kapsulės — gali leisti atgauti aukštos vertės komponentus. Aktyvūs orbitalių atliekų šalinimo metodai, pavyzdžiui, robotizuotos rankos, tinklai ar harpunai, paleidžiami iš servisinių kosminių laivų, testuojami ir gali įgalinti sugauti neveikiančius objektus jų tolimesniam parsigabenimui arba perdirbimui orbitoje.
Ši schemata suskirsto pagrindinius cheminius elementus, naudojamus svarbiausiose kosminių laivų funkcijose, į penkias medžiagų sritis: pagrindinės struktūrinės medžiagos, uždegimo ir paleidimo įranga, elektroninės sistemos ir komponentai, energijos kaupimo sistemos ir išorinės apsauginės dangos. Kiekviena sritis pažymėta spalvų kodais ir pritaikyta supaprastintiems raketų ir palydovų modeliams, kad būtų aiškus funkcionalinis padalijimas. Kritiškai svarbūs elementai, pagal didelį panaudojimą ar unikalią funkciją, pažymėti trikampiais kampuose nurodančiais tvarumo lygį (viršuje kairėje) ir pasaulines atsargas (apačioje dešinėje); raudona, oranžinė ir žalia reiškia aukštą, vidutinį ir žemą atitinkamai. Šaltinis: Yang ir kt., iScience.
Pakartotinai naudojami komponentai turi praeiti griežtas kvalifikacijos ir sertifikavimo procedūras, nes kosmoso aplinka sukelia didžiulį dėvėjimąsi — terminius ciklus, radiacinę degradaciją ir mikrometeorų eroziją. Tačiau, jei tokie komponentai bus patikimai patikrinti ir sertifikuoti, perdirbti ar atnaujinti vienetai gali sumažinti naujų dalių gamybos ir paleidimų poreikį, mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas ir sumažinti spaudimą kritinių mineralų atsargoms. Be to, remanufacturing ir refurbish procesai orbitoje gali sukurti naujas verslo modelių grandines bei sumažinti tiekimo grandinių pažeidžiamumą.
Cleaning up orbit with robots and algorithms
Įrangos atkūrimas bus ženkliai efektyvesnis derinant robotiką su duomenimis ir skaitmeniniais įrankiais. Dirbtinis intelektas (DI) ir pažangūs analizės metodai gali prognozuoti komponentų senėjimą, modeliuoti fragmentacijos riziką ir optimizuoti susitikimo bei pagavimo manevrus. Mašininis mokymasis, taikomas palydovų telemetrijai ir žemės stebėjimo duomenims, gali pagerinti susidūrimų prevenciją, tiksliau prognozuoti rizikingas trajektorijas ir padėti prioritetizuoti objektus pašalinimui arba serviso darbams.
Daugeliui užduočių simuliacijos ir skaitmeniniai dvyniai sumažina brangių fizinių bandymų skaičių, paspartina dizaino ciklus ir sutaupo medžiagų bei energijos. Autonominės aptarnavimo priemonės, vedamos vietinio DI, gali atlikti apžiūros, dokingo, papildymo kuro, remonto ir programinės įrangos atnaujinimo užduotis su minimaliu žmogiškuoju įsikišimu. Tokiu būdu robotika ir programinė įranga tampa operacine stuburo dalimi, reikalinga žiediniam požiūriui orbitoje įgyvendinti.
Why policy and global cooperation matter
Pereiti prie žiedinės kosmoso ekonomikos — ne tik technologinis iššūkis, bet ir institucinis. Tarptautiniai standartai dėl moduliarių sąsajų, gyvavimo pabaigos procedūrų, medžiagų žymėjimo ir atsargų apskaitos leistų vienos valstybės servisui aptarnauti kito valstybės palydovą. Eksporto kontrolė, atsakomybės taisyklės ir viešojo pirkimo politika turi būti atnaujintos taip, kad pakartotinis naudojimas, atkūrimas ir perdirbimas būtų skatinami, o ne baudžiami. Be to, apdraudimo rinka, civilinė atsakomybė ir tarptautinės sutartys turi atspindėti naują realybę, kai objektai gali būti remontuojami ar perdirbami trečiųjų šalių servisų.
Kaip pažymi minėtas tyrimas, daliniai arba fragmentiniai sprendimai nebus pakankami. Reikalingas sisteminis mąstymas: lydinių ir dangų pasirinkimas turi būti suderintas su gamybos metodais, misijų planavimu ir teisinėmis nuostatomis. Tik tokiu būdu tvarumas gali tapti numatytu režimu, o ne atsitiktine papildoma nuostata. Svarbu ir ekonominių paskatų kūrimas — mokesčių lengvatos, subsidijos servisui orbitoje, arba privalomi gyvavimo pabaigos reikalavimai galėtų pakeisti komercines motyvacijas.
Expert Insight
Dr. Maya R. Ortiz, hipotetinė vyresnioji sistemų inžierė su dviejų dešimtmečių palydovų eksploatacijos patirtimi, komentuoja: „Negalime toliau traktuoti palydovų kaip vienkartinių objektų. Ekonominis serviso ir perdirbimo modelių pagrindas stiprėja kiekvienais metais, kai mažėja paleidimų išlaidos ir didėja spaudimas kritinių žaliavų atsargoms. Startuoliai ir agentūros jau įrodo, kad kuro papildymas orbitoje ir robotizuoti remontai yra techniškai įmanomi. Ko reikia toliau — tai bendri standartai ir bendros komercinės paskatos, kad šios galimybės būtų išplėstos mastu.“
Per tarptautinę politiką, komercines inovacijas arba medžiagų mokslo proveržius, kosmoso skrydžių transformacija į žiedinę ekonomiką reikalauja tarpdisciplininės koordinacijos — chemijos, inžinerijos ir valdymo sankirtose. Atlygis gali būti didelis: saugesnės orbitos, mažesnės aplinkos išlaidos ir tvari kosmoso pramonė, galinti palaikyti dešimtmečius trunkančias tyrinėjimo bei paslaugų programas be nuolat augančio atliekų debesies aplink planetą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą