Početkom pedesetih, sa „Sputnjikom“ i programima „Vostok“ i „Mercury“, ljudi su počeli da upoznaju Zemlju i iz treće dimenzije. Sve misije su dospevale u tzv. Nisku orbitu oko Zemlje (LEO). Vremenom, sa programom „Apollo“ i deep-space misijama sa automatskim letilicama (poput misija „Voyager“ i sl.), započeta su putovanja i dalje, ka Mesecu i drugim planetama Sunčevog sistema.
Bilo kako bilo, najveći broj misija tokom svih ovih godina – bilo da su bespilotne ili sa ljudskim posadama – nalazio se na Niskoj orbiti oko Zemlje. Tu je danas smešten ogroman broj komunikacionih, meteoroloških, navigacionih, vojnih i bog te pita kakvih još satelita. Tu svoje zadatke obavlja i Međunarodna orbitna stanica (ISS), a takođe je mesto je na kome se obavljao najveći broj dosadašnjih misija sa posadom. Pogledajmo šta predstavlja i zbog čega je LEO orbita toliko interesantana da svi hrle tamo.
DEFINICIJA
Tehnički gledano, objekti na niskoj orbiti kruže na visinama između 160 i 2000 km iznad površine naše planete. Svaki objekat na manjoj visini počinje da gubi na visini i ubrzo upada u gušću atmosferu, gde će izgoreti ili pasti na zemlju. Objekti na toj visini imaju orbitni period između 88 i 127 minuta.
Atmosferski slojevi prikazuju visine najčešćih aurora.
Objekti na niskoj orbiti se nalaze pod uticajem atmosferskog trenja, budući da su još uvek u gornjim slojevima Zemljine atmosfere – konkretno, u termosferi (80-500 km), termopauzi (500-10000 km) i egzosferi (1000 km pa naviše). Što je viša orbitna visina objekta, manja je gustina atmosfere i njeno trenje.
Međutim, iznad 1000 km objekti bivaju izloženi Van Alenovim pojasevima zračenja – zoni naelektrisanih čestica koja se proteže na 60.000 km od Zemljine površine. U tim pojasevima Zemljino magnetno polje zarobljava čestice solarnog vetra i kosmičkog zračenja, što dovodi do različitih nivoa zračenja. To predstavlja jedan od glavnih razloga zbog koga se misije na orbite LEO planiraju uglavnom na visinama između 160 i 1000 km.
KARAKTERISTIKE
Unutar termosfere, termopauze i egzosfere atmosferski uslovi u mnogome variraju. Naprimer, dolji sloj termosfere (od 80 do 550 km) sadrži jonosferu, koja se tako naziva jer tu dolazi do jonizacije čestica usled solarnog zračenja. Kao rezultat, slaka letilica koja leti kroz taj deo atmosfere mora da je u stanju da izdrži UV zračenje i zračenje tvrdih jona.
Takođe u tim regionima raste i temperatura sa porastom visine, što se objašnjava ekstremno malom gustinom molekula. Tako da iako temperatura u termosferi može da se digne i do 1500° C, mala gistina molekula gasova znači da čovek ne bi to osetio čak ni kad bi bio u direktnom kontaktu sa vazduhom. Na tim visinama nastaju i fenomeni koje znamo kao Aurora Borealis i Aurara Australis.
Egzosfera, koja je poslednji sloj Zemljine atmosfere, prostire se od egzobaze (ili egzopauze) i stapa se sa prazninom spoljnjeg prostora, tamo gde ne postoji atmosfera. Taj sloj uglavnom sadrži gasove ekstremno male gustine, sa atomima vodonika, helijuma i nekoliko težih molekula koji sadrže azot, kiseonik i ugljen-dioksid (koji se nalazi bliže egzobazi). U zavisnosti od solarne aktvnosti, visina egzosfere je između 500 i 1000 km.
Ne mogu da izdržim a da ovde ne kažem i ovo. U principu, egzosfera pokriva distancu na kojoj su čestice atmosfere gravitaciono zavisne od Zemlje, tj. čestice još uvek imaju balističke orbite koje ih vraćaju nazad ka Zemlji. Gornju granicu egzosfere možemo da definišeo kao daljinu na kojoj pritisak solarnog zračenja na atomski vodonik nadjačava Zemljinu gravitaciju. To se događa otprilike na pola puta do Meseca (prosečna udaljenost je 384.400 km). Egzosfera, gledano iz kosmosa liči na geokoronu i prostire se na najmanje 10.000 km od Zemljine površine.
Da bi održavao nisku orbitu oko Zemlje, objekat mora da poseduje određenu orbitnu brzinu. Za objekte na visini od 150 i više kilometara, orbitna brzina mora da bude makar 7,8 km u sekundi (28.130 km/h). To je nešto manje od brzine bega potrebne za ulazak u orbitu, koja iznosi 11,3 km/sec (40.680 km/h).
Uprkos činjenici da gravitaciona sila na LEO nije bitnije manja od sile na površini Zemlje (približno 90%), ljudi i objekti na orbiti su u stanju konstantnog slobodnog pada, što stvara osećaj bestežinskog stanja.
KORIŠĆENJE LEO
Tokom istorije kosmičkog istraživanja, ogroman broj misija sa ljudskom posadom boravio je na niskoj orbiti. Međunarodna stanica orbitira takođe na LEO, na visinama između 330 i 410 km. Na LEO se nalazi i većina naših veštačkih satelita. Razlozi za to su prilično prosti.
Pod jedan, slanje raketa i šatlova na visine preko 1000 km zahteva značajno više skupog goriva. Na LEO orbiti, komunikacioni i navigacioni sateliti, kao i različite kosmičke misije, ostvaruju veliku brzinu slanja i primanja podataka a i vremensko kašnjenje je relativno malo.
Što se tiče izviđačkih i špijunskih satelita, LEO orbita je još uvek dovoljno niska da omogućava odličan pogled na površinu planete i raščlanjivanje velikih objekata i meteoroloških modela na površini. Visina takve orbite takođe dozvoljava kratke orbitne periode (malo preko jednog do dva sata), što omogućava kamerama snimanje istog regiona više puta u jednom danu.
I naravno, na visinama između 160 i 1000 km objekti nisu izloženi intenzivnoj radijaciji Van Alenovih pojaseva. Ukratko, LEO je najjeftinija, najprostija i najsigurnija lokacija za smeštanje satelita, kosmičkih stanica, i kosmičkih misija sa ljudskom posadom.
PROBLEMI SA OTPADOM
Zbog svoje popularnosti kao destinacije za brojne satelite i kosmičke misije, i sve brojnijih lansiranja tokom poslednjih par decenija, LEO je postala svojevrsno okupljalište kosmičkog otpada. Tamo se nalaze bezbrojni potrošeni raketni stepeni („busteri“), pokvareni i istrošeni sateliti, izgubljena oprema, i krhotine nastale sudarima[1] velikih komada đubreta.
Postojanje tog pojasa otpada na LEO uzrok je narastajućeg straha u proteklim godinama, jer sudari pri velikim brzinama po pravilu znače katastrofu za kosmičke misije. Svaki sudar stvara dodatne krhotine, koje pokreću destruktivni ciklus poznat kao Kesslerov efekat – nazvan po Nasinom naučniku Donaldu L. Kessleru, koji ga je prvi predvideo 1978.
U 2013, NASA je procenila da možda ima preko 29.000 komada đubreta većeg od 10 cm, 670.000 između 1 i 10 cm, i preko 170 miliona manjeg od 1 cm. Preko 98% od 1900 tona objekata na LEO otpada na 1500 objekata koji su veći od 100 kg. Kao rezultat, pokrenuti su ozbiljni programi čiji je jedini zadatak da detektuju, prate i alarmiraju moguće sudare otpada.
Naprimer, 1995, NASA je postala prva kosmička agencija na svetu koja je uspostavila opremi koja pouzdano obaveštava kako izbeći orbitni otpad. Od 1997, američka vlada je odgovorna za razvoj Orbital Debris Mitigation Standard Practices, programa koji je baziran na Nasinom.
NASA je takođe osnovala kancelariju Orbital Debris Program Office, koja sarađuje sa ostalim federalnim organizacijama radi monitoringa kosmičkog otpada i vodi računa o delovima nastalim posle sudara. Uz to, mreža US Space Surveillance Network trenutno prati oko 8000 objekata koji bi mogli da predstsavljaju opasnost od sudara. Oko 8% su operativni sateliti, 15% su raketni delovi, a 78% su neaktivni sateliti i njihovi delovi.
Uprava Space Debris Office Evropske agencija ESA poseduje svoj sistem Database and Information System Characterizing Objects in Space (DISCOS), koji obezbeđuje informacije o detaljima lansiranja, orbitne istorije, fizička svojstva i opise misija za sve objekte koje trenitno prati ESA. Ta baza podataka je međunarodno priznata i njene usluge koristi skoro 40 agencija, organizacija i kompanija širom sveta.
Tokom više od 70 godina, niska orbita je predstavljala poligon za ljudske aktivnosti u kosmosu. Vremenom, uspeli smo da prevaziđemo to igralište i otišli dalje u solarni sistem (čak i van njega!). U sledećim decenijama očekujemo da će naše aktivnosti u LEO još više porasti, što podrazumeva lansiranje više satelita (trenutno ih ima preko 1750), minijaturne satelite CubeSat, nastavak operacija na ISS i budućoij kineskoj stanici, pa čak i aeronautički turizam.
Nepotrebno je podvući da će ta povećana aktivnost zahtevati da uradimo nešto sa narastajućim kosmičkim orbitnim otpadom. Sa sve više kosmičkih agencija, privatnih aeronautičkih kompanija, i ostalih korisnika koji će hteti da imaju prednost na LEO, zahtevaće jedno ozbiljno čišćenje. Verovatno će biti potrebni i neki dodatni protokoli koji će osigurati čist i bezbedan prostora tamo gore.
LEO NIJE ZAUVEK
Kada letilica stigne na LEO, ne može da tamo ostane doveka. Svaki objekat koji kruži oko Zemlje, reaguje na atmosferu. Na LEO je broj atoma i molekula vrlo mali ali ipak dovoljan da vremenom izaziva dovoljno trenja da uspori letilicu i izazove njeno spuštanje.
Generalno, veći objekti su manje izloženi efektu trenja jer su najčešće vrlo velikih masa. Sila trenja je proporcionalna površiini poprečnog preseka objekta, ali je masa proporcijalna zapremini. Dakle, ako dupliramo dužinu letilice (takođe i ostale dimenzije) površina će se povećati 4 puta, ali će se zapremina povećati 8 puta. Sa porastom mase sila trenja se manje oseća.
Kako održati letilicu na niskoj orbiti? Njoj je za to potrebna mala pomoć prijatelja. Za ISS, ta pomoć (rebooting) dolazi ili od dva sopstvena motora na modulu „Zvezda“, ili od ruskih („Progress“) ili evropskih („ATV“) letilica koje povremeno doleću na stanicu, i koje svojim motorima svaki put malo „podignu“ stanicu na veću visinu.
LEO JE UVEK PRVI KORAK
Iako LEO ima i neke nedostatke, nudi ipak nešto vrlo korisno – vreme. Kada letilica jednom dospe na LEO, ima vremena da se pripremi za sledeći korak. Orbita nije trajna ali je zato polu-trajna. Niska orbita oko Zemlje na neki način podseća na prvu prečku na merdevinama. Ona nas neće odneti negde visoko, ali je neophodna kao prvi korak.
Ali šta je sledeći korak? Verovatno je sledeća prečka na merdevinama izlazak iz Zemljinog gravitacionog bunara. Uzlećući sa površine Zemlje brzinom od 11,3 km/sec, raketa ima dovoljno energije da ode i nikad se ne vrati – tu brzinu zovemo brzinom bega.
Naravno kada jednom pobegneš od uticaja Zemlje još uvek na tebe utiče Sunce. Ako želiš da pobegneš iz čitavog solarnog sistema (uzletevši sa Zemlje), potrebna ti je početna brzina od 42,1 km/sec. Naravno, konačno se otvara ključno pitanje: gde krenuti posle toga?
[1] Do kraja 2015. zvanično je zabeleženo 5 sudara satelita u orbiti.
Zašto se ISS okreće po orbiti nagiba 51,6°?
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
