Párologtassunk műholdakat!
(Rovat: Környezetünk védelme, Új eszközök és anyagok - 2016.02.04 07:15.)

Miből kéne gyártani a jövő alacsony pályákra szánt műholdjait, hogy semmi ne érje el belőlük a felszínt, ha egyszer működésük végével belépnek a légkörbe?

Képzeljük el, hogy adott egy féltonnás vagy még nagyobb tömegű, főleg fémekből és kompozit anyagokból álló szerkezet. Vannak benne elektronikus alkatrészek, napelemtáblák is. Épp ilyen egy műhold, ami egy idő után, ha elvégezte a feladatát vagy elromlott, feleslegessé válik. A feladat, hogy mondjuk egy hegesztőpisztoly segítségével megsemmisítsük, elpárologtassuk az egészet. A valóságban ezt a feladatot – ha a műhold alacsony pályáról végül belép a sűrű légkörbe – Földünk légköre szerencsére a legtöbb esetben elvégzi. A 600 km-es pályamagasság alatt keringő űreszközök esetén a folyamatos légellenállás miatt a magasság fokozatosan csökken, és belátható időn belül eléri azt, ahol megkezdődik a gyors, tüzes megsemmisülés.

Sajnos azonban nem minden légkörbe lépő űreszköz semmisül meg teljes egészében. Bizonyos részegységek át tudják vészelni a zuhanást és a magas hőmérsékletet, amire az elmúlt években-évtizedekben számos példa akadt. Néhányuk mérete pedig vészesen nagy volt. Szerencsére emberi életet még nem veszélyeztetett ilyen lezuhanó, a felszínt elérő űrszemétdarab.

1997. január 22-én Texas államban egy farmer és felesége ezt a tartályt találta a házuktól mindössze 50 m-re. Ami első látásra, messziről egy döglött orrszarvúnak tűnhetett, az a valóságban egy Delta-2 hordozórakéta 250 kg-os, rozsdamentes acélból készült, kiürült hajtóanyagtartályának bizonyult. (Kép: NASA)

Az űrszemét keletkezési ütemének visszafogását célzó modern szabályozások igyekeznek megakadályozni, hogy ilyen incidensek történjenek. Az űreszközök irányítás nélküli visszatérése esetén követelmény, hogy bármilyen emberi sérülés okozásának statisztikai valószínűsége legfeljebb egy a tízezerhez lehet. Az Európai Űrügynökség (ESA) CleanSat nevű programjában azon is dolgozik, hogy a jövőben csak olyan alacsony pályás műholdak épüljenek, amelyek a légköri visszatérésük alkalmával biztosan maradéktalanul elpárolognak, még a felszínre érésük előtt. Ezeket a D4D (designed for demise, megsemmisülésre tervezve) rövidítéssel jelölik.

A műholdak légköri visszatérése egy összetett folyamat, amiről egyrészt nehéz pontos mérési adatokat gyűjteni, másrészt modelleket alkotni és számítógépes szimulációkat végezni. A műholdak teste jellemzően 70–80 km magasságban kisebb darabokra szakad. Ilyenkor szabadulnak ki és kezdenek önálló „életet élni” a belsejükben levő részegységek. Ezek közül általában a nagyobb méretű, viszonylag magas olvadáspontú alapanyagból, titánt tartalmazó ötvözetből vagy rozsdamentes acélból gyártott üzemanyagtartályok érhetik el többé-kevésbé épségben megmaradva a felszínt. Egyéb ilyen típusú alkatrészek a nagy sűrűségű, kompakt egységek, például optikai berendezések. A CleanSat keretében az ESA olyan anyagokkal kísérletezik, amelyek könnyebben elpárolognak a légkörben felhevülve. Ilyenek lehetnek például az alumíniumötvözetek az üzemanyagtartályok számára. Ugyanakkor még ez sem feltétlenül garancia a megsemmisülésükre, ha nem szabadulnak ki időben a műholdtest fogságából. Így a sikeres D4D műholdas megoldásnak az is része, hogy az űreszköz teste a légkörbe lépést követően a lehető leghamarabb darabjaira essen.

A légköri visszatérés körülményeit szimuláló plazma-szélcsatornás teszt a Német Repülő- és Űrügynökség (DLR) kölni létesítményében. Három különböző, a műholdak és hordozórakéta-fokozatok készítéséhez gyakran használt fémes anyag – alumínium- és titánötvözet, rozsdamentes acél – viselkedése látható a rövid filmen. (Videó: ESA)

A tervezési munkák segítésére többféle számítógépes programcsomagot használnak. Az eredményeket, anyagmintákat azonban a gyakorlatban is ellenőrizni kell. Erre szolgálnak a hiperszonikus szélcsatornás kísérletek, ahol elektromos ívkisüléssel állítják elő a megfelelő forró plazmát. Többféle kísérleti eszközt is használnak, és az eredmények néha nem teljesen felelnek meg a várakozásoknak. A műholdak szerkezeti elemeihez elterjedten használt szénszálas kompozit anyagok például lassabban semmisülnek meg, mint azt eredetileg gondolták.

Az ESA Clean Space (tiszta világűr) kezdeményezésének a CleanSat program csak az egyik része, és ezen belül is a maguktól megsemmisülő D4D műholdakkal való kísérletezés csak az egyik kutatási irány. Másik lehetőség például az irányított visszatérés lehetőségének biztosítása, amikor az elhasznált űreszköz garantáltan lakatlan területek fölött tér vissza a légkörbe. Így ha maradnak is a tüzes zuhanást átvészelő alkatrészeik, azok nem okozhatnak kárt a felszínre érve. Új műszaki megoldásokkal csökkenthetik a műholdak tömegét, így több hajtóanyag maradhat arra, hogy a hasznos élettartam befejeztével biztonságos módon visszahozzák a légkörbe a már haszontalanná vált űreszközt. A szokásos óvintézkedések közé tartozik az elöregedő műholdak energiarendszerének, az akkumulátoroknak a lekapcsolása, a hajtóanyag kiürítése. Így elkerülhetik az esetleges robbanást és nagyszámú törmelék keletkezését még a Föld körüli pályán.