Maan lähiavaruudessa on eri kiertoradoilla yli 30.000 yli kymmen sentin kokoista avaruusromun kappaletta. Avaruusromu aiheuttaa uhkaa toimiville satelliiteille ja avaruusasemille, koska kappaleiden suuresta suhteellisesta nopeudesta johtuen törmäysenergiat ovat valtavia ja saattavat hajottaa törmäävät satelliitit kappaleiksi.
Avaruusromu voidaan kategorisoida kokonsa perusteella periaatteessa kolmeen luokkaan. Isoimpia ovat ylimmät rakettivaiheet, jotka ovat kuljettaneet hyötykuormansa taivaalle ja jääneet itsekin kiertoradalle. Nämä ovat tyypillisesti pituudeltaan kymmenisen metriä ja massaa niillä saattaa olla useita tonneja. Rakettivaiheet voivat myös sisältää räjähdysherkkää polttoainetta.
Seuraavan luokan muodostavat rikkoutuneet tai käyttöikänsä ohittaneet satelliitit, jotka voivat olla hyvinkin monimuotoisia; isoimpien ollessa kuorma-auton kokoluokkaa.
Isojen kappaleiden lisäksi on pieniä kappeleita ja hyvin pientä avaruusromua. Tutkalla pystytään maan päältä seuraamaan yli 10 cm kokoisia pienkappaleita.
Vaarallisimpana ryhmänä voidaan lukumääränsä takia pitää pientä muutaman millimetrin tai senttimetrin kokoista silppua, kuten rakettien kyljestä irronneita maalilastuja. Varsinaisia roskapilviä on syntynyt muutamissa tapahtuneissa satelliittien törmäyksissä sekä satelliittien tai rakettivaiheiden spontaaneissa räjähdyksissä. Myös vakoilusatelliittien ydinreaktoreista on vuotanut NaK jäähdytysnestettä, jonka muutaman millin tai sentin kokoisia pisaroita on noin 45.000 kappaletta maata kiertämässä.
Roskapilvien vaarana on se, että ne saastuttavat kokonaisia kiertoratoja. Näiden sirpaleiden nopeus on sama kuin satelliiteillä yleensäkin, eli useita kilometrejä sekunnissa. Jos pilven eteen osuu toinen satelliitti tai muu avaruusromun kappale, niin tämä hauliparvi tekee siitä selvää ja kasvattaa edelleen avaruusromun määrää.
Sikailijan otollinen bisnes
Avaruusromun konkreettisen uhkan takia useimmat alan toimijat pyrkivät nykyisin siihen, että satelliittien käyttöiän jälkeen niiden tulisi tuhoutua 25 vuoden kuluessa syöksymällä maan ilmakehään. Matalilla, alle 400 km kiertoradoilla luonto hoitaa asian itse. Hieman kappaleiden ballistisesta kertoimesta riippuen ilmanvastus jarruttaa kappaleita sen verran, että 25 vuoden vaatimus täyttyy.
Korkeammilla radoilla satelliittioperaattoreiden täytyy huolehtia itse siitä, että satelliitti saadaan syöksymään ilmakehään. Tätä varten on kehitteillä useita teknisiä ratkaisuja. Yksinkertaisimmillaan tähän voidaan käyttää rakettimoottoria, joka on joko erikseen asennettu satelliitin maahan tuomista varten tai sitten satelliitin päämoottoria käytetään tähän tarkoitukseen. Herää kuitenkin kysymys siitä, ovatko kaupalliset toimijat aina valmiita käyttämään viimeiset ajoaineen rippeet satelliitin tuhoamiseen vai siihen, että jatkavat satelliitin kaupallista käyttöä ja antavat sen sen jälkeen jäädä ajelehtimaan avaruuteen.
Tärkeää on kehittää ratkaisu, joka toimii vuosikausia eikä ole riippuvainen satelliitin toimintakyvystä, koska jarrutusvaihe saattaa kestää vuosikymmeniä. Yksinkertaisin ratkaisu on passiivinen tapa kasvattaa satelliitin ilmanvastusta. Tämä voidaan toteuttaa aurinkopurjeella, jollaisia on demonstroitu muutamia. Aurinkopurjeen avulla saadaan jopa 500 kg satelliitti alas 1000 km kiertoradalta. Passiivisen menetelmän etuna on se, että kun purje on avattu, se ei tarvitse sen jälkeen aktiivista ohjausta. Haittapuolena saattaa olla purjeen mahdollinen repeytyminen, joka synnyttää lisää roskaa.
Suomalaista sähköpurjeinnovaatiota voi soveltaa myös satelliittijarruna. Sähköpurjeessa ulkoavaruudessa matkaavasta luotaimesta lasketaan ulos useita kilometrejä pitkä kaapeli, jossa oleva sähkövaraus reagoi auringosta tuleviin varattuihin hiukkasiin ja synnyttää työnvoiman. Jos sähköpurjeen lankaa käytetään maan ionosfäärissä, niin kaapelissa oleva varaus reagoi yläilmakehän varattujen ionien kanssa ja synnyttää jarruvaikutuksen. Tästä juontaa nimitys plasmajarru, jota keksinnöstä käytetään.
Plasmajarru on käytännössä yhdestä tai useammasta hiuksenohuesta alumiinijohdosta punottu usean kilometrin pituinen kaapeli, joka rullataan auki satelliitista. Kaapeliin varataan kilovoltin suuruusluokkaa oleva jännite ja jännitettä ylläpidetään jatkuvasti, koska harvan ilmakehän varatut hiukkaset kumoavat varausta. Varauksen ylläpitäminen onnistuu yksinkertaisella passiivisella elektroniikalla, jonka toimivuus voidaan taata avaruusolosuhteissa vuosikausiksi. Käyttöjännite laitteelle voidaan saada omista pienistä aurinkopaneeleista, jolloin plasmajarru ei ole riippuvainen satelliitin omasta sähkönsyöttöjärjestelmästä.
Plasmajarrun etuna on se, että se ei tarvitse polttoainetta. Kaapeli on ohutta ja kevyttä. Syntyvä jarrutusvoima on kuitenkin suhteellisen suuri. Esimerkiksi 5 km pituinen kaapeli painaa alle 100 grammaa, mutta sen avulla voidaan jarruttaa 800 km kiertoradalla oleva 250 kiloinen satelliitti alle kymmenessä vuodessa maan ilmakehään.
Plasmajarrua kehittää Suomessa aktiivisesti Otaniemessä toimiva Aurora Propulsion Technologies Oy. Auroran kehruukone pystyy tällä hetkellä valmistamaan jo satojen metrien pituista säiettä ja yritys kehittää myös aukirullausmekanismia. Kokonaisuus voidaan paketoida niin pieneksi komponentiksi, että se mahtuu jopa pieniin cubesateliiittehin. Kun tuote on valmis, sillä on edessään valmiiksi pedatut markkinat satelliittivalmistajien keskuudessa.
Just blast them from the orbit
Avaruusromun torjunnassa mielenkiintoisin kehitys liittyy olemassa olevan romun poistamiseen. Romun moninaisuudesta johtuen myös keinovalikoima on laaja.
Jo 1990-luvulta lähtien on pohdittu romun poistamista laserilla. Ajatuksena on ampua kappaleita pulssilaserilla, jolloin kappaleiden pinnasta höyrystyy ainetta. Lasersäde ammutaan kappaleen liikesuunnan vastaisesta suunnasta ja höyrystyvä aine aikaansaa pienen nopeudenmuutoksen. Prosessia toistetaan useina pulsseina, jolloin kappale ajautuu matalammalle radalle ja ilmakehä hoitaa loput. Laserin ei ole tarpeen olla kiertoradalla, vaan se voi sijaita aivan hyvin maan pinnalla.
Laskelmien mukaan menetelmällä voidaan poistaa jopa 1000 km radalla olevia kappaleita. Yhden kilon painoisen kappaleen poistamiseen riittää 100 sekunnin mittainen laservalaisu yhden ylilennon aikana. Myös suurempia satelliitteja voitaisiin tuoda alas, mutta tämä vaatisi valaisua usean ylilennon aikana. Todellinen tehokkuus riippuu kuitenkin satelliitin muodoista ja materiaaleista. Laserin tarvittava teho on luokkaa 100 kW.
Pienempitehoisia, 5 kW lasereita on suunniteltu käytettäväksi siten, että laserilla luodaan pitkäaikaisella valaisulla fotonipainetta kappaleen pintaan. Tällä menetelmällä voitaisiin tehdä pieniä ratamuutoksia, jos kappaleiden rataa haluttaisiin muuttaa törmäysten välttämiseksi. Kappaleiden syöksemiseen ilmakehään tämä menetelmä ei kuitenkaan sovellu.
Katastrofin aineksia
Keväällä 2012 suurin siviilikäyttöön ikinä laukaistu tekokuu, Envisat-1, pimeni. Envisat oli ollut tieteellinen menestys ja sen käyttöikä oli kestänyt yli viisi vuotta suunnitellun. Nyt 780 km polaariradalla kiertävästä jättiläisestä oli tullut vaaniva hirviö. Jo vuonna 2010 Envisat oli joutunut suorittamaan väistömanööverin välttääkseen törmäyksen kiinalaisen rakettivaiheen kanssa. Jos törmäys olisi tapahtunut, se olisi synnyttänyt kymmenkertaisen määrän romua verrattuna 2009 tapahtuneeseen Iridiumin ja Cosmos satelliitin törmäykseen.
Envisat on radalla, josta maahan syöksyminen kestää 150 vuotta. Tämänhetkisen avaruusromun määrällä laskettuna on 15-30% todennäköisyys, että ohjauskyvytön Envisat törmää jossain vaiheessa toiseen kappaleeseen. Jos avaruusromun määrä kasvaa, kuten on ennustettu, niin Envisatin törmäys näyttää vääjäämättömältä.
Torjuakseen Envisatin synnyttämää uhkaa ESA aloitti vuonna 2013 Clean Space -ohjelman, jonka päämääränä oli kehittää ratkaisu satelliitin poistamiseksi kiertoradalta. Hallitsemattomana liikkuvan satelliitin alastuomisessa on kuitenkin monta mutkaa matkassa. Satelliitti todennäköisesti pyörii, joten siitä ei saa helposti otetta. Lähestyvän huoltosatelliitin pitää havainnoida kohde ja lähestyä sitä varoen, ettei itse aiheuta törmäystä. Ennen telakoitumista satelliittien liikkeiden pitää tahdistua toisiinsa. Yhtenä nerokkaimpina ideana Envisatin vakauttamiseksi AIRBUS esitti ratkaisua, jossa huoltosatelliitti lähestyy Envisatia ja ampuu kaasusuihkuja satelliitin aurinkopaneeliin. Useilla suihkauksilla satelliitin pyöriminen saadaan rauhoitettua ja huoltosatelliitti voi tarttua siihen kouralla kiinni.
Valtavista haasteista johtuen ESAssa todettiin, että on parempi lähteä ratkomaan ongelmaa pienempinä palasina. Mielenkiitoisin tähän saakka toteutettu koe on ollut RemoveDEBRIS hankkeen satelliitti, joka laukaistiin Kansainväliseltä avaruusasemalta syksyllä 2018. Koesatelliitti laukaisi ensin 2U kokoisen tytärsatelliitin, jonka annettiin etääntyä kuuden metrin päähän. Tämän jälkeen sitä kohti ammuttiin verkko, jolla se pyydystettiin. Toisena kokeena satelliitista työnnettiin varren päähän asennettu maalitaulu, jota ammuttiin harppuunalla. Kokeessa oli lopuksi tarkoitus avata jarruvarjo, mutta tämä koe epäonnistui.
Seuraava varsinaisesti ESAn rahoittama koe on ensimmäinen yritys poistaa todellinen romunkappale avaruudesta. Vuonna 2025 ammuttavan lennon tehtävänä on ottaa kiinni vuonna 2013 ammutun Vega kantoraketin VESPA satelliittisovitin, joka on 100 kg painoinen ja pienen satelliitin kokoluokkaa. Hanke sai vastikään rahoituksen ESAn ministerineuvoston päätöksellä. Hankkeesta vastaa sveitsiläinen ClearSpace yritys.
Kuva 1: Avaruusromun määrän kehitys (>10 cm kokoiset kappaleet) (ESA)
Kuva 2: Satelliitin tuhoaminen jarruvarjolla (Surrey Space Center)
Kuva 3: Videokuva RemoveDebris verkkokokeesta (Surrey Space Center)