Kosmiczni towarzysze

Podnieś głowę i spójrz w niebo. Co nad nami wisi? Dziesiątki satelitów, pozostałości po kosmicznych eksperymentach i zwykłe śmieci.

Jest tego tyle, że gdyby wszystko naraz spadło, narobiłoby sporego zamieszania. Na dodatek wcale nie wisi to zbyt wysoko.

Pierwszego satelitę Rosjanie wystrzelili 4 października 1957 roku. Choć był tylko niewielką stalową kulą, która miała wewnątrz jedynie termometr i nadajnik radiowy, Sputnik 1 rozpoczął wielki wyścig kosmiczny. Następcy pierwszego sztucznego satelity Ziemi przez lata byli objęci klauzulą najwyższej tajności – ich głównym zadaniem było bowiem śledzenie tego wszystkiego, co przeciwnik próbował ukryć.
Szybko okazało się jednak, że nie tylko armia może korzystać ze sprzętu umieszczonego w kosmosie. Już w 1962 roku USA wystrzeliły Telstara – kulistego satelitę, który potrafił odbierać sygnały z Ziemi, wzmacniać je i odsyłać z powrotem. Sensacja była ogromna. Powstawały piosenki o Telstarze, a występ prezydenta JFK miał rozpocząć pierwszą w dziejach telewizyjną transmisję satelitarną. Niestety, Telstar krążył po takiej orbicie, która stwarzała możliwość prowadzenia tylko krótkich, 20-minutowych transmisji. Prezydent nie zdążył na początek, więc zamiast niego przez kilka minut widzowie mogli oglądać mecz ligi baseballa. Wraz ze Sputnikiem i Telstarem na dobre objęliśmy w posiadanie najbliższe sąsiedztwo naszej planety. I jak wszędzie, gdzie się pojawiamy, zrobiliśmy niewiarygodny bałagan.

Choć nie jest znana dokładna liczba sztucznych obiektów okrążających Ziemię, szacuje się, że tych większych, ważących ponad pięć kilogramów, jest blisko osiem tysięcy. Z tej masy zaledwie siedem procent, a więc około 560 sztuk, to działające satelity. Reszta to sprzęt, który przestał już działać lub nad którym utracono kontrolę, oraz kosmiczne złomowisko – głównie pozostałości rakiet wynoszących satelity.

Trudno uciec grawitacji
No właśnie – satelity. Już sama definicja tego słowa jest mocno nieprecyzyjna. Ściśle rzecz biorąc, satelitą jest każdy obiekt obiegający po orbicie inny obiekt mający większą masę. Satelitą są więc i Ziemia (Słońca), i Słońce (centrum galaktyki).
Chodzi nam więc o satelity Ziemi. Według ostrożnych szacunków tych jest nie mniej niż 26 tysięcy. Oczywiście mówimy tylko o tych większych, które możemy łatwo śledzić. Największy jest Księżyc, ale grawitacja planety wychwytuje mnóstwo rozmaitych śmieci.

Ustalmy więc wreszcie, że rozmawiamy tu o sztucznych satelitach Ziemi pozostających pod kontrolą ludzi. Te setki intensywnie pracujących maszyn rozmieszczone są wokół naszej planety w ciekawy sposób. Gdyby można było na nie spojrzeć na przykład z powierzchni Księżyca, dostrzeglibyśmy dwie główne satelitarne "chmury". Pierwsza to otoczka satelitów krążących po niskiej orbicie okołoziemskiej, a więc w odległości od 200 do 2000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Ten obszar jest szczególnie atrakcyjny dla satelitów, które muszą stale kontaktować się z Ziemią, bo przesyłanie danych nie wymaga tu użycia bardzo silnego sygnału. Poza tym wystrzelenie obiektu na niewielką odległość nie jest zbyt kosztowne. To tu krąży Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, teleskop Hubble’a i tu latają promy kosmiczne.

Ale tak niska orbita ma też mnóstwo wad. Jedną z głównych jest obecność resztek ziemskiej atmosfery. Choć na tej wysokości gazy są już bardzo rozrzedzone, to wciąż wytwarzają tarcie, które powolutku, powolutku hamuje satelitę i ściąga go w stronę powierzchni planety. Dlatego właśnie krążące tam urządzenia muszą od czasu do czasu korygować swoją orbitę, a czas ich życia jest mocno ograniczony.

Wbrew obiegowej opinii na niskiej orbicie okołoziemskiej oddziałuje całkiem silna grawitacja. Słabnie ona o jeden procent na każde 30 kilometrów wysokości, więc na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej wynosi niemal 90 procent tego, co odczuwamy na Ziemi. By zrównoważyć to przyciąganie, obiekty na niskiej orbicie muszą poruszać się na tyle szybko, by działała na nie odpowiednia siła odśrodkowa. Typowa prędkość dla tego obszaru to 27 400 kilometrów na godzinę, a więc niemal 8 kilometrów na sekundę, a czas okrążenia Ziemi wynosi około 90 minut.

Inną wadą niskiej orbity jest stosunkowo niewielki zasięg krążącego po niej satelity. Widzi on tylko kawałek planety, więc by jednocześnie pokryć całą jej powierzchnię, trzeba stworzyć sporą sieć takich urządzeń. Właśnie dlatego system telefonii satelitarnej Iridium korzysta z 66 satelitów umieszczonych na wysokości 780 kilometrów. Satelity Iridium można często dostrzec na wieczornym niebie w postaci długich, widocznych przez około 10 sekund smug światła – odbić słońca w bateriach zasilających urządzenie.

Również na tej orbicie można znaleźć satelity obserwacyjne, takie jak fotografujące powierzchnię Ziemi Landsaty (około 705 kilometrów) czy monitorujący stan środowiska europejski Envisat (blisko 790 kilometrów) lub rosyjski METEOR PRIRODA (mniej więcej 540 kilometrów).
Jak wychować córkę na kobietę spełnioną?

Jonosfera z igieł
Powyżej 2000 kilometrów zaczyna się znacznie mniej zatłoczona średnia orbita okołoziemska. To na niej na wysokości 20 200 kilometrów umieszczone są satelity systemu nawigacji GPS. Znacznie niżej, między 3. a 10. tysiącem kilometrów krąży grupa satelitów naukowych – na przykład obserwujący zorzę polarną FAST.

W tym rejonie można znaleźć też trochę kosmicznych dziwactw. Z pewnością należą do nich pozostałości projektu Westford Needles. W latach 50., gdy międzykontynentalna komunikacja opierała się na podwodnych kablach, w USA obawiano się, że radzieckie łodzie podwodne pewnego dnia przetną przewody, uniemożliwiając porozumiewanie się przez Atlantyk. W takiej sytuacji trzeba by polegać na falach radiowych, które mogą pokonywać wielkie odległości, odbijając się od jonosfery. Jednak ten system łatwo może zostać zakłócony przez aktywność Słońca czy inne czynniki. W tym czasie nie istniały jeszcze satelity telekomunikacyjne, więc naukowcy z Massachusetts Institute of Technology wymyślili, że warto by stworzyć "sztuczną jonosferę" – opasujący Ziemię pierścień, który odbijałby fale radiowe. Mimo licznych protestów na początku lat 60. rozpoczęto realizację szalonego planu. Zaczęto wystrzeliwać w kosmos pakiety cieniutkich, dwucentymetrowych igieł miedzianych, które miały się rozproszyć, tworząc chmurę antenę.

Główny pakiet liczący 480 milionów igieł trafił na orbitę 10 maja 1963 roku. Przez pierwsze dni nieźle spełniał swoje zadanie, jednak wraz z oddalaniem się igieł od siebie przestawały one skutecznie odbijać fale radiowe. Już po miesiącu system prawie nie działał, a na początku lipca 1963 roku projekt ostatecznie zlikwidowano. Większość igieł spadła na Ziemię jeszcze w latach 70., jednak część chmury nadal lata nad naszymi głowami. Gdy pisałem ten fragment tekstu, żałosne pozostałości projektu Westford przemknęły właśnie nad Polską na wysokości 5400 kilometrów i poleciały dalej, nad Afrykę.
Ponad strefą dziwactw znajduje się poważna i majestatyczna orbita geostacjonarna. Jej szczególną cechą jest to, że umieszczone na niej obiekty krążą wokół Ziemi dokładnie z prędkością, z jaką obraca się nasza planeta – 3,07 kilometra na sekundę, czyli 11 068 kilometrów na godzinę. Dzięki temu satelita telekomunikacyjny lub meteorologiczny pozostaje stale w tym samym miejscu nad powierzchnią Ziemi. Tu nie ma miejsca na jakieś "około" albo "w przybliżeniu" – by uzyskać "geostacjonarność", satelita musi być dokładnie 35 786 kilometrów nad Ziemią. Dzięki tej szczególnej orbicie może działać współczesna telewizja satelitarna – abonent raz ustawia antenę na konkretny punkt na niebie i ma pewność, że satelita stale się tam znajduje.

Właściwy czas i właściwe miejsce
Umieszczenie satelity na orbicie to zadanie wymagające niezwykłej precyzji. Jeśli urządzenie znajdzie się nieco za daleko od Ziemi, umknie jej grawitacji i ucieknie w kosmos. Z kolei ustawione trochę za blisko stopniowo będzie zacieśniało orbitę, aż do momentu wejścia w ziemską atmosferę.
Większość obecnie działających satelitów została wyniesiona w kosmos dzięki klasycznym rakietom, których konstrukcja wywodzi się od niemieckiej rakiety V-2. Niektóre trafiają w kosmos na pokładzie promów kosmicznych. Zawsze jednak najważniejszą sprawą jest wystrzelenie satelity we właściwym czasie i z odpowiednią prędkością. Dla niskich orbit będzie ona większa, dla wysokich mniejsza – to kwestia siły grawitacji. Na wysokości 300 kilometrów, by nie spaść na Ziemię, trzeba pędzić z prędkością 27 828 kilometrów na godzinę. Na 5000 kilometrów – już "tylko" 21 312 kilometrów na godzinę, a na 30 000 kilometrów – 11 916 kilometrów na godzinę. Rozpędzenie rakiety do takiej prędkości wymaga zużycia mnóstwa paliwa, więc by oszczędzić nieco energii, wystrzeliwuje się ją na wschód. Dzięki temu zyskuje się 229 kilometrów na godzinę, bo z tą właśnie prędkością obraca się Ziemia.

By dostarczyć ładunek na dokładnie określoną wysokość, rakieta korzysta z inercyjnego systemu nawigacyjnego – na tych wysokościach GPS staje się bezużyteczny. Dzięki układowi żyroskopów i akcelerometrów odnotowuje on każdy ruch rakiety i przebytą przez nią odległość. Znając precyzyjnie miejsce startu i całą drogę, można stwierdzić, czy osiągnięto już właściwą wysokość i orbitę. Pomyłka może być niezwykle kosztowna. Koszt samego satelity to zwykle 200–700 milionów dolarów, a koszt wystrzelenia, zależnie od zastosowanego napędu, może wynosić od 50 do 500 milionów dolarów.

Jak widać, nad naszymi głowami krąży mnóstwo pieniędzy. Jeśli chciałbyś sprawdzić, czy nad twoim domem nie przelatuje właśnie kupa miedzianych igieł lub radziecka konstrukcja z lat 60., skorzystaj z jednego z systemów śledzenia satelitów. Miłych obserwacji!

Piotr Stanisłwaski/ Przekrój Nauki
SKOMENTUJ
KOMENTARZE (0)