ניקיון החלל – בעיה ההולכת וגדלה

מאמר זה מציג את האתגרים, המשמעויות וההשלכות בנושא פסולת החלל.

נציג בקצרה את הרקע לבעיה, את התנאים הקיימים שמהווים את האתגר ההנדסי ואת גישת תעשיית החלל לפתרון הבעיה. מאמר זה יכלול שתי גישות לפתרון, האחת: מיגור היווצרות פסולת חדשה, השנייה: צמצום פסולת קיימת על ידי פיתוח שיטות שונות. נפרט על כל גישה בנפרד בעזרת דוגמאות רלוונטיות ועדכניות מתעשיית החלל המודרנית.

במרבד המפואר של הקוסמוס, החלל הקרוב של כדור הארץ מתחיל להידמות לחדר השינה שלי – עמוס, כאוטי וזקוק נואשות לניקוי. ככל שאנו משגרים יותר לוויינים מאי פעם, החצר האחורית החוץ-ארצית שלנו הולכת ונעשית עמוסה עוד ועוד בפסולת חלל. למרבה המזל, המוחות המבריקים בעולם לא מרימים ידיים וסוגרים את הדלת על הבלגן. במקום זה, הם רוקחים שיטות גאוניות להתמודדות עם “הכביסה המלוכלכת על הכיסא”. החל ממדחפי לייזר שדוחפים את ה”כתמים” הקטנים ביותר ועד לתמרונים מפוארים המתחמקים מהפסולת הקיימת במרחב, המרוץ לסדר את הסביבה העוטפת של הכדור הכחול הקטן שלנו מתחיל כבר אתמול ועל אחריותנו לדאוג שהכדור יישאר משאב בר-קיימא לדורות הבאים. הצטרפו אליי לחקר האסטרטגיות החדשניות, ולעתים הנועזות, שנועדו לצמצום פסולת החלל ולשימור על השמיים שלנו כבטוחים ובהירים בצורה מרהיבה.

אז האם תהיתם מהי פסולת חלל ומאין היא מגיעה? הנה ההסבר לשאלתכם:

פסולת חלל הינה שם כולל לעצמים מעשי ידי אדם הנמצאים במסלול כדור הארץ ואינם בשימוש. הפסולת כוללת חלליות לא מתפקדות, חלקי רכב שיגור נטושים (מרכבי שיגור מתפרקים), פסולת הקשורה למשימות, לוויינים שאינם בשימוש או מיצו את תפקידם, חלקי התנגשויות (מקריות ומכוונות – נגד לוויינים) בחלל, מטענים ייעודיים ועוד.

החלל הקרוב לכדור הארץ מתחלק לכמה חלקים, אנו נתרכז במסלול ה LEO.

המסלול הנמוך של כדור הארץ (LEO – Low Earth Orbit) הינו מסלול מגובה של כ-160 ק”מ עד כ-2,000 ק”מ מפני כדור הארץ. זהו המסלול הקרוב ביותר לכדור הארץ ובו נמצאים לוויינים לצפייה בכדור הארץ, למדע, ולתקשורת.

באיור הבא נתבונן בכמויות פסולת החלל לפי יחידות לכל שכבת חלל שונה, נשים לב שבשכבת הLEO מצויה רוב הפסולת.

איור 1- ספירת אובייקטים במסלולים שונים פר שנים. לפי סוכנות החלל האירופאית ESA.

והנה כמה עובדות אחרונות שנוסיף לכם לארגז הכלים המקצועי לפני שנתחיל.

בחלל אין חיכוך – לכן, כשחלק מתנתק מלוויין דרך התנתקות יזומה או פיצוץ, החלק ימשיך לנוע בחלל ללא שינוי ניכר במהירות. המון פסולת נעה במהירות של מעל 17 אלף קמ”ש ותמשיך לנוע במהירות זו במשך עשרות שנים.  חלקים אחרים שלא נעים במהירות – נמשכים לשדה הכבידה של כדור הארץ ונשרפים בחיכוך בכניסה לאטמוספירה.

באיור הבא נראה לוויני STARLINK נשרפים באטמוספירה כשיטת פינוי פסולת.

איור 2 –לווייני STARLINK נשרפים באטמוספירה. צולם בפורטו ריקו 2022

אז למה בעצם החליט אילון מאסק מנכ”ל חברת SPACEX להיפטר מכל כך הרבה לוויינים אחרי שעבד והשקיע הון בלשגר אותם? לחברת סטארלינק יש מעל 5000 לוויינים פעילים בחלל.

החלטת המנכ”ל לשרוף לוויינים היא חלק מתוכנית סדורה של החברה להיפטר מלווינים בעלי פגם פוטנציאלי שזוהה אשר עלול להגביר את הסיכון לכשל או בשל שמשך החיים של הלוויין שהסתיים. כדי למנוע כל סכנה אפשרית ללוויינים אחרים ולפסולת חלל, SpaceX בחרה להיפטר מיחידות אלו ולאפשר להן להישרף עם כניסה מחדש לאטמוספירה של כדור הארץ.

נשמע כמו סכנת נפשות? מפחדים שיום אחד ייפול לכם לווין על הראש? לגיטימי – הצד האופטימי הוא

ש ESA(Europe Space Agency) וNASA מכתיבים את שיטת שלב ה EOL (End Of Life) של הלוויינים והעצמים האחרים המשוגרים לחלל כך שתהיה סכנה מינימלית לחיי אדם. מיגור הוא אמצעי חשוב לצמצום יצירת פסולת החלל העתידית

ולכן ראוי לתת מודל אחיד לייצור לוויינים שיתחשב בכל האתגרים ההנדסיים. ESA ו NASA עושות מאמצים “ליישור קו” בנושא באמצעות תקנים בינלאומיים, או באמצעות דרישות לאומיות מחייבות לתכנון ותפעול של מערכות חלל.

לדוגמא  – שריפת עצמים תתרחש בעיקר מעל אוקיינוסים לא מאוכלסים עם כמה שפחות סיכון לחיי אדם.

חברות חלל “מערביות” מחויבות להתחשב בנושא ניקיון החלל ומתכננות את מוצריה כך שיוכלו לפנות אותם לשרפה\ל”בית קברות” מוגדר ללוויינים. הבעיה מתחילה בחברות חלל רוסיות או סיניות אשר לא מתחשבות כלל באיכות הסביבה ומעבר לכך, מביאות לעלייה משמעותית בכמות פסולת החלל.

לדוגמא – ניסוי נגד לוויינים שביצעה סין שלבדו הגדיל את אוכלוסיית האובייקטים בחלל הניתנים למעקב ב- 25% .

על פי הערכות הניסוי הותיר יותר מ- 2300 רסיסי פסולת אשר ניתנים למעקב, יותר מ- 35,000 חלקיקים שגודלם מעל סנטימטר בודד, ויותר ממיליון חלקיקים שגודלם מעל מילימטר. נזקיו של אירוע זה גדולים מניסויים אחרים בטילים נגד לוויינים כיוון שהפסולת נמצאת במסלול מרוחק יותר ועל פי חישובים, זמן דעיכת המסלול של פסולת זו הוא 35 שנה ויותר.

איור 3 מראה נזק קטן שקרה כתוצאה מפגיעת רסיס פסולת חלל בזרוע הרובוטית הקנדית המחוברת לתחנת החלל הבינלאומית:

איור 3 – באדיבות הCNN מאי 2021

חור כזה בגוף התחנה יכול להוות סכנת חיים לאסטרונאוטים השוהים בתחנה כמו גם להמשך קיום הפרויקט הבינלאומי.

אז אילו מאמצים חברות החלל בכדור הארץ עושות כדי לצמצם ולהיפטר מפסולת החלל? לצורך טיפול בפסולת החלל ניתן לחלק את המאמצים לשתי קטגוריות רחבות: אלו שמצמצמות את יצירת פסולת החלל שעלולה להזיק בטווח הקרוב ואלו המגבילות את ההיווצרות שלהם בטווח הארוך יותר. הראשונה כרוכה בצמצום הייצור של פסולת חלל הקשורה למשימה והימנעות מהתפרקות והשנייה נוגעת לנהלי “סוף חיים” (EOL) המסירים חלליות שהוצאו משימוש ומסלול כלי שיגור בשלבים מאזורים המאוכלסים בחללית מבצעית. תכנון נכון של לוויינים העתידים להישלח אל החלל עומד בקריטריונים שהוגדרו ובהנחיות צמצום פסולת שפותחו על ידי ועדת תיאום פסולת החלל בין סוכנויות ( IADC.) הנחיות אלו המשקפות את מרכיבי צמצום הפסולת הבסיסיים הינם סדרה של שיטות, תקנים, קודים וספרי עזר קיימים שפותחו על ידי מספר ארגונים לאומיים ובינלאומיים. מיתון בלבד לא יצליח לפתור את בעיית הפסולת בחלל. על פי מחקרים של J-C Liou ממשרד תוכנית הפסולת האורביטלים של נאס”א, אפילו עצירה מוחלטת של שיגורי החלל לא תספיק כדי לייצר ירידה משמעותית באוכלוסיית הפסולת במאה הבאה. רק מאמץ שיקום אקטיבי, כמו הוצאתם מהמסלול של לפחות חמישה עצמים גדולים בשנה בשילוב עם אמצעי ההפחתה הדרושים ישמור על המצב קבוע במשך 200 השנים הבאות. הוצאת לוויינים ממסלולם והכנסתם לצורך שריפתם באטמוספירה של כדור הארץ, תפחית אף היא את כמות הפסולת בחלל. במקרים בהם השבת הלוויין לאטמוספירה תצריך דלק רב מזה הנמצא בלוויין, ניתן להנחות את הלוויין למסלול שבו גרר אטמוספירי (עליו לא נרחיב במאמר זה) יגרום ללוויין לצאת ממסלולו בתוך שנים ספורות. במקרה של לוויינים הנמצאים במסלול הרחוק מכדור הארץ מכדי שניתן יהיה להשיבם לאטמוספירה, כדוגמת אלה החגים במסלול ה GEO ניתן להכווינם ל”בית קברות ללוויינים”, שם הוא לא יהווה סכנה. באמצעות יוזמת החלל הנקי של ESA , הסוכנות מחויבת לפיתוח ובדיקה של תפיסות טכנולוגיות חדשות שמטרתן להפחית את ייצור פסולת החלל. פעילויות אלה מקובצות תחת פרויקט Cleansat . תוכנית זו מפתחת דרכים חדשניות לפנות לוויינים ממסלולי כדור הארץ נמוכים, ושיטות לעיצוב והנדסת חומרים כדי להבטיח שריפת לוויינים במלואה במהלך הכניסה והיצירה מחדש. סטנדרטים משותפים מבטיחים שדה אחיד לתחרות תעשייתית ולגישה בטוחה לחלל בעתיד. תקנים בינלאומיים להפחתת פסולת פותחו ב- ISO , כמו ב- ISO24113 . שיתוף הפעולה האירופי בנושא תקינה בחלל ( ECSS ) אימץ את ISO24113 בענף קיימות החלל. מומחים מ- ESA תומכים בקביעות בפיתוחים אלה ובהתאמתם להנחיות ודרישות קיימות. השלב הבא לאחר הגדרה טכנית ותקינה בינלאומית הוא העברת ההנחיות לתקנות בפועל. בעוד שמדינות מסוימות כבר נקטו בצעד זה ושיקפו את הפחתת פסולת החלל בתקנות הלאומיות שלהן, סוגיית היישום הגלובלי עדיין תלויה ועומדת. בהקשר זה, ועדת המשנה המדעית והטכנית של UN COPUOS השיגה לאחרונה קונצנזוס על מערכת קווים מנחים המתייחסים ליישום חשוב זה של התקנות במדינות החברות באו”ם.

חלק מתקני הISO כוללים תהליך של פאסיבציה, אז מעבר לשריפת הלווין או גרירתו לבית הקברות – יש עניין בנטרול  חומרים שיכולים לבצע ריאקציה אחד עם השני.

פסיבציה הוא תהליך כימי שגורם לחומר להיות אדיש ביחס לחומר אחר לפני שמשתמשים

בחומרים יחד.

כדי למנוע פיצוצים יזומים, חלק מתכנון הEOL של הלוויין כולל פריקה של כלל מקורות האנרגיה כמו סוללות ודלק. כיבוי כלל המערכות ו”אוורור” מקומות מסוימים בלוויין.

צעדים אלו קריטיים לצמצום הסיכויים לפיצוצים לא רצויים של לוויינים וליצירת פסולת חלל נוספת גם בבית הקברות.

עד עכשיו דיברנו על צמצום יצירת פסולת עתידית, אבל מה לגבי הפסולת הקיימת? מה עושים איתה? מה עושים עם שנים של הזנחה וחוסר הבנה של השלכות המצב?

נקדיש פסקה לטובת המהנדסים שבנינו הקוראים את המאמר הזה ונאמר – האתגר הוא משמעותי.

קודם כל בראש ובראשונה אסור ליצור מצב הנקרא תסמונת קסלר.

תסמונת קסלר היא תרחיש שבו פסולת חלל או התנגשות בין לוויינים תגרום לרצף של התנגשויות. כל התנגשות יוצרת פסולת נוספת, מה שמגדיל את הסיכוי להתנגשויות נוספות. תהליך זה עלול להתרחש בצורה קסקדית, מה שיכול לגרום להרס משמעותי של לוויינים וליצירת אזור פסולת חלל רחב היקף שיהיה קשה לטפל בו.

לכן ניתן לומר שהאתגר העיקרי בפרויקט הנדסי שמטרתו ניקוי פסולת חלל הינו תכנון מערכות כך שלא יהפכו בעצמן לפסולת חלל.  אתגר נוסף הוא שהפסולת בחלל היא ‘מטרה שאינה משתפת פעולה’. מטרה כזו אין מאפיינים

ברורים, אין לה זרועות או חיבורים שיועדו מראש שעוזרים לאחוז בה והצורה שלה לרוב לא מוגדרת.

בתחום ה ADR(Active Debris Removal) חברת AstroScale היפנית פורצת דרך בתחום פינוי פסולת חלל, אחד מהמוצרים המובילים שלה הינו ELSA – d . בשנת 2021, במסגרת מכרז של ESA – ביצעה אסטרוסקייל ניסוי בפועל.

הניסוי הורכב משני לוויינים: לוויין שירות ולווין לקוח שמדמה פסולת חלל, ששוגרו צמודים יחדיו. לוויין השירות פותח בכדי להסיר בבטחה חלקי פסולת חלל מהמסלול והוא מצויד בטכנולוגיות שמאפשרות לאתר ולהתחבר בבטחה לחפצים הנעים בחלל באמצעות מנגנון עגינה מגנטי. במהלך הניסוי נבדקו החיישנים האמורים לאתר את לוויין המטרה ובוצעה הכנסה לפעולה של מערכת הלכידה שתוכננה כדי ללכוד את האובייקט ולהחזיק בו. יכולות אלה הן קריטיות למשימות הלוויין כיוון שהן מעידות על יכולת המערכת ללכוד ולשחרר מספר רב של עצמים בחלל, מהלך שישמש כבסיס לטכנולוגיות שירות לסילוק זבל חללי ו/או להסרה מהחלל של לוויינים תקולים ונטושים. במהלך הניסוי, צוות התפעול שעל הקרקע בחן את פעילות החיישנים ושאר המערכות. אסטרוסקייל מדווחת על הפקת לקחים יקרי ערך מהשלב הראשון של המשימה, שבדק ואימת פעילות של מערכות חיוניות מרובות, שכללו מכ”ם לייזר,

מנגנון לכידה מגנטית, מצלמת אור נראה ומערכות ותת- מערכות נוספות.

ישנן עוד חברות אשר מפתחות מערכות הדומות למערכת זו באופן שיטת פינוי פסולת החלל אך AstroScale הינה המובילה בתחום.

שיטה נוספת מהחדשניות בתחום הינה העברת מומנטום מבוססת לייזר Laser based momentum transfer

שיטה זו משתמשת בקרן לייזר בעלת עוצמה גבוהה אשר מחממת אזור קטן על פני השטח של פסולת, מה שגורם לו ליצור כמות קטנה של דחף. המומנטום שנוצר מזה הוא אז מועבר לפסולת, מה שגורם לו לנוע לכיוון חדש בין אם זה לכיוון בית קברות ללוויינים או למסלול שבהכרח ידחוף אותו למסלול אשר יגרום לו להיכנס לשדה הכבידה של כדור הארץ לטובת שריפתו באטמוספירה. כמות הכוח הנדרשת להפעיל תלויה בגודל, במרחק ובכמות התנועה שנדרש על ידי הלוויין כדי למנוע התנגשות או לשנות מסלול. יישום זה דורש ידע מוקדם של מיקום,

מסלול ומהירות הן של החללית והן חפץ הפסולת אשר רוצים לפנות. תחנות קרקע “ירו” את הקרן לכיוון הפסולת.

שיטה זו עוד לא “בשלה” כמו שיטות ה ADR אך במידה והמחקרים יניבו תוצאות מבטיחות – השיטה מראה פוטנציאל משמעותי בפינוי הפסולת.

לסיכום,

אפשר עוד להרחיב ארוכות על פרוייקטים ותוכניות עתידיות לפינוי פסולת החלל ועוד התחום בתחילת דרכו.

אנחנו ממשיכים לפעול בשני צירי פעולה – צמצום ופינוי אקטיבי. צמצום הוא מקבץ פעולות שאנחנו צריכים ויכולים להתחיל ליישם מהיום, בין אם זה דרך סט חוקים ותקנים – אנחנו יכולים כבר מהיום ליישם ולהתקדם עם זה. פינוי הפסולת הקיימת הינה פעולה הגוררת משמעויות הנדסיות נרחבות הדורשות אומץ, תעוזה, מחקר וניסיון רב. ישנו אתגר הנדסי אדיר בלטפל בכל הטעויות שעשינו במהלך השנים.

רק דרך משמעת של משתמשי החלל ודאגה של אותן חברות נוכל לעשות צעדים משמעותיים להטיב את המצב.

החלל הוא הצעד הבא של האנושות. לעומת תקופות קודמות בהיסטוריה – היום אנחנו חכמים מספיק לטפל במצב לפני שהוא מגיע לנקודת האל חזור. חברות החלל ממשיכות לחקור ולפתח דרכים פורצות דרך על מנת שנוכל להנות מחלל נקי, בטוח וזמין למחקר ומדע.

ממה שהתרשמתי מהחקר שביצעתי במהלך כתיבת הכתבה – אנחנו (המין האנושי) לא בקצב טוב בהבנה שהחלל דורש טיפול מידי וכולנו צריכים להרים את הכפפה ביחד על מנת לטפל במפגעים כמה שיותר מהר לפני שקסלר ירים את הראש שלו.

איך אתה היית מנקה את החלל? אילו דרכים יצירתיות אתה יכול לחשוב עליהן? התעשייה תמיד מחפשת את הרעיון היצירתי הבא ועל אחריותנו לדאוג לכוכב הקטן שלנו על מנת שיוכל לשמש לדורות הבאים. החלל מאז ומתמיד חיבר בין אומות, אני מקווה שגם כאן יהיה מאמץ בינלאומי לטפל במצב – רק דרך מאמץ משותף של כולנו נוכל לסדר את החדר המבולגן שלי.

---