Teknik Mencegah Sampah Luar Angkasa

Dalam dunia penerbangan antariksa, diperlukan teknik mencegah sampah luar angka kedepannya agar ruang orbit bumi tidak lagi penuh. Sebut saja setidaknya ada 27.000 keping sampah antariksa mengelilingi bumi kita dan ikut mengorbit. Berdasarkan data dari Nasa, jumlah tersebut tidak termasuk benda angkasa buangan yang memiliki diameter kecil. Bisa anda bayangkan bagaimana jadinya jika nanti kedepannya kegiatan menjelajah luar angkasa terus dilakukan.

Semakin menuju era dimana kita akan bisa menjelajah luar angkasa dengan mudah. Misi ke planet luar bisa dinikmati oleh masyarakat biasa. Tidaklah mengherankan bahwa akan semakin banyak sampah berterbangan di luar angkasa. Karena metode peluncuran roket yang menyisakan berbagai batang tubuh pesawat. Jika kita tidak mencegah sampah luar angkasa terus bertambah, maka nantinya bisa merusak satelit lain dan mengganggu penerbangan selanjutnya. Apa saja upaya untuk mencegahnya?

Teknik Mencegah Sampah Luar Angkasa

Menurut berbagai sumber terdapat beberapa cara untuk mencegah sampah luar angkasa sehingga tidak bertambah dan mengurangi dampak buruk sampah. Beberapa konsep tersebut diantaranya:

Meminimalkan Pelepasan Objek Terkait Misi

Ada tiga jenis utama puing terkait misi: (1) benda yang dilepaskan dalam penyebaran dan operasi pesawat ruang angkasa, (2) penolakan dari misi berawak, dan (3) produk buangan roket. Masing-masing jenis puing ini memiliki karakteristik orbit dan distribusi ukuran yang sangat berbeda. Bersama-sama, mereka membentuk 13% dari total populasi objek luar angkasa yang dikatalogkan; sebagian besar objek. Meskipun mengakhiri pelepasan puing-puing terkait misi jelas akan mencegah bahaya dari benda-benda ini tumbuh dan semakin membahayakan operasi ruang angkasa di masa depan, keseimbangan antara biaya dan manfaat tindakan pengurangan sangat bervariasi untuk berbagai jenis puing terkait misi.

Mengurangi jumlah puing terkait misi yang dilepaskan dalam penyebaran dan operasi pesawat ruang angkasa (misalnya, klem, penutup untuk lensa atau sensor, perangkat de-spin, perangkat keras pelepas piroteknik, kabel sampul) mungkin merupakan salah satu cara yang lebih mudah untuk mengurangi bahaya puing di masa depan untuk operasi luar angkasa. Objek-objek ini membentuk sebagian besar populasi puing-puing terkait misi yang dikatalogkan dan biasanya memiliki masa hidup orbital terpanjang dari semua puing terkait misi. Di masa lalu, praktiknya sering kali hanya membuang barang-barang tersebut saat terpisah dari kendaraan peluncuran atau selama penempatan embel-embel. Namun, dengan menggunakan tethers atau perangkat sederhana lainnya, pelepasan sebagian besar item ini dapat dihindari. Demikian pula, baut peledak, yang biasanya digunakan untuk memisahkan tahap atas roket, dapat dirancang untuk tidak melepaskan puing-puing dalam jumlah besar saat diaktifkan. Karena pesawat ruang angkasa atau badan roket induk akan mempertahankan sebagian besar objek, penerapan tindakan tersebut tidak akan mengurangi massa total puing di orbit.

Mengurangi jumlah puing-puing terkait misi yang dibuat selama kegiatan ruang angkasa berawak akan memiliki sedikit efek pada bahaya puing-puing keseluruhan untuk operasi ruang angkasa. Karena aktivitas manusia di luar angkasa saat ini berlangsung di ketinggian rendah, puing-puing yang mereka lepaskan (kebanyakan dari pembuangan sampah yang disengaja dan aktivitas di luar kendaraan) mengalami peluruhan orbit yang cepat dan tidak berkontribusi pada populasi puing-puing jangka panjang. Meskipun ada sejumlah metode yang mungkin untuk lebih mengurangi bahaya terhadap operasi ruang angkasa dari puing-puing tersebut (misalnya, membawa sampah kembali ke Bumi selama rotasi kru yang dijadwalkan atau memasang perangkat augmentasi drag untuk mempercepat peluruhan orbitnya), menerapkan metode tersebut tidak akan mengurangi bahaya puing-puing jangka panjang secara keseluruhan. Namun, karena puing-puing ini berkontribusi pada bahaya jangka pendek di daerah yang berisi pesawat ruang angkasa yang berharga, penggunaan metode pengurangan puing-puing yang murah (jika metode tersebut tersedia) tampaknya bermanfaat.

Satu-satunya metode untuk mengurangi populasi ini secara bermakna adalah dengan membatasi penembakan motor roket padat di orbit atau mengubah komposisi bahan bakar motor roket padat. Karena salah satu tindakan akan memaksakan kenaikan biaya atau pengurangan kinerja pada banyak aktivitas ruang angkasa, dan masa pakai partikel buangan ini serta potensi kerusakan yang dapat ditimbulkannya pada pesawat ruang angkasa fungsional sangat kecil, tampaknya jelas bahwa tidak ada langkah yang diperlukan saat ini. Namun, belum jelas apakah ada yang harus dilakukan untuk membatasi populasi terak berukuran 1 cm dan lebih besar yang juga diyakini dikeluarkan selama pembakaran roket padat. Sedangkan ukuran yang lebih besar dan masa orbital yang lebih lama dari partikel-partikel ini dapat membuat mereka menjadi bahaya yang lebih besar untuk pesawat ruang angkasa daripada partikel aluminium oksida kecil, terlalu sedikit yang diketahui saat ini tentang mereka (khususnya, berapa banyak yang biasanya diproduksi dalam penembakan motor roket padat) untuk menentukan apakah ada kebutuhan untuk mencari cara untuk mencegah penciptaan mereka.

Mengurangi Puing-Puing Dari Ledakan

Puing-puing fragmentasi membentuk 42% dari populasi objek luar angkasa yang dikatalogkan dan mungkin fraksi yang jauh lebih besar dari populasi yang tidak dikatalogkan. Karena hanya ada dua pecahan benda luar angkasa yang dikonfirmasi hingga saat ini karena tabrakan (keduanya uji coba militer yang disengaja), sebagian besar puing ini diyakini telah dibuat dalam pecahan pesawat ruang angkasa dan badan roket yang eksplosif. Populasi puing-puing ini mencakup semua rentang ukuran dan didistribusikan secara luas, meskipun terkonsentrasi di dekat orbit tempat ia diciptakan

Membuat Pesawat Luar Angkasa Utama Menjadi Pasif

Puing-puing dari ledakan pesawat ruang angkasa membuat sekitar 12,5 persen dari populasi objek ruang angkasa yang dikatalogkan. Pesawat ruang angkasa dapat meledak selama dan setelah masa pakai fungsionalnya karena berbagai alasan, termasuk ledakan tangki propelan, malfungsi pendorong, kegagalan tangki karena dampak puing-puing kecil, baterai pecah, laju rotasi tinggi yang tidak disengaja, degradasi lain dari struktur, atau ledakan yang disengaja. Oleh karena itu, ada banyak kemungkinan tindakan untuk mencegah pecahnya pesawat ruang angkasa. Tidak ada obat tunggal, dan mungkin tidak ada cara yang mungkin untuk menghindari semua pecahnya pesawat ruang angkasa di masa depan: meskipun ada pengamanan, sejumlah sisa pecahan pesawat ruang angkasa akan terus menghasilkan puing-puing, jika pada tingkat yang dikurangi.

Namun, perancang pesawat ruang angkasa dapat mengambil pendekatan tingkat sistem umum untuk mencegah pecahnya pesawat ruang angkasa yang tidak disengaja. Pendekatannya adalah (1) untuk menentukan semua sumber potensial energi tersimpan yang tersisa di pesawat ruang angkasa di akhir masa aktifnya; (2) untuk setiap sumber, menyediakan metode untuk membuang energi yang tersimpan dengan cara yang ramah; dan (3) untuk mengaktifkan sarana-sarana ini pada akhir masa pakai fungsional pesawat ruang angkasa (yaitu, "pasifkan" pesawat ruang angkasa). Melindungi pesawat ruang angkasa dari kerusakan akibat puing-puing, serta metode lain untuk meningkatkan kemampuan bertahan pesawat ruang angkasa, dapat membantu memastikan bahwa pesawat ruang angkasa mampu melakukan tindakan pasif di EOL-nya.

Mengakhiri atau mengurangi pemutusan pesawat ruang angkasa yang disengaja juga akan, tentu saja, mengurangi populasi fragmen pesawat ruang angkasa. Secara historis, pesawat ruang angkasa telah dipecah dengan sengaja untuk pengujian struktural, untuk menghancurkan peralatan sensitif sehingga tidak akan diambil oleh pasukan musuh, dan dalam uji senjata anti satelit (Johnson dan McKnight, 1991). Perpisahan yang disengaja diyakini menyebabkan sedikit lebih dari sepertiga dari semua perpisahan pesawat ruang angkasa. 20 persen lainnya dari semua pecahnya pesawat ruang angkasa mungkin disebabkan oleh ledakan yang tidak disengaja dari sistem penghancuran diri di dalam pesawat. Gabungan, jenis perpisahan ini adalah sumber sekitar 6 persen dari populasi objek luar angkasa yang dikatalogkan saat ini. Pecahnya pesawat ruang angkasa yang disengaja yang akan memasuki kembali atmosfer tidak berkontribusi besar terhadap bahaya puing; puing-puing yang tercipta dalam peristiwa semacam itu biasanya dikeluarkan ke orbit yang meluruh dengan cepat. Fragmen dari perpisahan yang disengaja di ketinggian (> 600 km) dapat, bagaimanapun, tetap berada di orbit selama ribuan tahun atau lebih. Memastikan bahwa setiap penghancuran pesawat ruang angkasa yang disengaja di masa depan tidak dilakukan di orbit tinggi akan membantu mengatasi bahaya puing-puing di masa depan.

Membuat Pasif Roket Pendorong

Puing-puing yang dihasilkan melalui pemecahan eksplosif badan roket berbahan bakar cair setelah mereka menyelesaikan misi mereka membentuk 25 persen dari populasi objek ruang angkasa yang dikatalogkan, dan mungkin sebagian besar dari populasi puing-puing berukuran besar dan sedang yang tidak terdaftar. Pecahnya badan roket diyakini paling sering disebabkan oleh sisa propelan (sebanyak beberapa ratus liter) yang mungkin tertinggal di tangki bahan bakar dan pengoksidasi badan roket pada akhir misi. Ledakan yang memecah badan roket paling sering disebabkan oleh pencampuran yang tidak disengaja dari komponen propelan sisa ini atau oleh faktor fisik seperti tekanan berlebih.

Pencampuran yang tidak disengaja paling sering terjadi pada badan roket yang menyimpan bahan bakar dan oksidator dalam tangki tipis dengan sekat umum. Selama ground handling dan peluncuran, terdapat perbedaan tekanan positif antara tangki oksidator dan tangki bahan bakar, tetapi setelah pemisahan pesawat ruang angkasa, perbedaan tekanan ini dapat hilang karena kebocoran pada pipa dan katup, yang mengakibatkan kerusakan pada sekat. Bahan bakar dan oksidator kemudian dapat bercampur melalui sekat yang rusak, yang menyebabkan ledakan. Sekat juga dapat pecah karena korosi atau tegangan termal; tekanan termal dari sekat tangki bahan bakar mungkin telah menyebabkan pecahnya tujuh badan roket Delta. Fragmentasi yang disebabkan oleh pencampuran bahan bakar yang tidak disengaja bisa sangat energik, karena banyaknya bahan bakar yang mungkin terlibat.

Ledakan badan roket juga dapat dihasilkan dengan cara nonkimia, seperti tekanan berlebih yang menyebabkan pecahnya tangki propelan. Tekanan berlebih dapat terjadi karena sejumlah alasan, termasuk pemanasan propelan dan kegagalan katup pelepas tekanan. Ledakan yang disebabkan oleh cara nonkimia seringkali kurang energik daripada yang disebabkan oleh pencampuran propelan. Karena ledakan yang disebabkan oleh tekanan berlebih tidak menyebabkan tegangan transien, secara teoritis tangki propelan akan robek sepanjang garis kelemahan, menghasilkan sedikit, jika ada, fragmen, dan kecepatan tambahan yang diberikan ke setiap fragmen juga harus rendah (Fucke, 1993). Namun, ledakan tahun 1986 dari tahap ketiga Ariane, yang diyakini disebabkan oleh tekanan berlebih, menghasilkan sejumlah rekor fragmen yang dikatalogkan, dan ledakan yang dihasilkan dengan cara nonkimia mungkin menyebabkan tujuh dari sepuluh peristiwa fragmentasi terbesar yang tercatat (semua dengan lebih dari 225 fragmen katalog).

Pembuat kendaraan peluncuran telah mengembangkan sejumlah metode untuk mengurangi potensi ledakan badan roket. Secara umum, metode ini melibatkan (1) luka bakar penipisan setelah badan roket terpisah dari pesawat ruang angkasa atau (2) pelepasan sisa propelan. Meskipun tindakan pasivasi ini tidak akan menghilangkan peristiwa pemutusan terkait propulsi (yaitu, pemutusan yang terjadi selama pengapian dan propulsi roket), peristiwa seperti itu jarang terjadi pada badan roket orbital.

Pada luka bakar deplesi, mesin dinyalakan kembali setelah proses staging selesai dan dioperasikan dalam kondisi normal sampai propelan habis. Pada prinsipnya, luka bakar penipisan dapat mempersingkat masa hidup orbit badan roket, meskipun luka bakar beberapa badan roket di masa lalu telah meningkatkan masa hidup orbital. Manuver semacam itu biasanya memerlukan penggunaan baterai badan roket untuk daya dan pendorong tambahannya untuk kontrol sikap. Untuk mendapatkan pengurangan seumur hidup maksimum dari manuver seperti itu, pembakaran deplesi harus dilakukan di dekat puncak orbit; untuk mencegah kontaminasi pesawat ruang angkasa di dekatnya, beberapa badan roket mungkin harus mempertahankan kemampuan untuk membuat luka bakar tersebut selama beberapa jam setelah pementasan. Saat ini, beberapa badan roket mampu melakukan luka bakar penipisan untuk waktu yang singkat setelah pengiriman pesawat ruang angkasa, dan sebagian besar badan roket lainnya hanya memerlukan modifikasi kecil untuk dapat melakukan luka bakar penipisan.

Mengurangi Penciptaan Puing-puing dari Degradasi

Produk dari kerusakan permukaan pesawat ruang angkasa termasuk bintik-bintik cat dan bahan permukaan lainnya yang terlepas dari benda luar angkasa di bawah pengaruh lingkungan luar angkasa. Sangat sedikit dari barang-barang ini yang cukup besar untuk dikatalogkan; sebagian besar kecil. Beberapa objek yang dikatalogkan diyakini terlepas karena degradasi permukaan memiliki rasio luas penampang dan massa yang tinggi dan telah mengalami peluruhan orbit yang relatif cepat. Sejumlah besar partikel kecil yang dilepaskan karena degradasi permukaan juga diduga memiliki rasio luas penampang terhadap massa yang tinggi dan dengan demikian masa hidup orbital yang cukup pendek . Namun, karena noda cat yang khas mungkin memiliki massa hanya 10-6 gram, kerusakan bahkan sejumlah kecil bahan permukaan dapat dengan cepat mengisi kembali populasi yang mengorbit. Partikel ini dapat menyebabkan degradasi permukaan dan juga berpotensi merusak komponen pesawat ruang angkasa yang tidak terlindungi seperti optik, jendela, dan tambatan.

Mengurangi Terbentuknya Puing-Puing Dari Tabrakan

Dua pendekatan utama secara teoritis dapat digunakan untuk mengurangi pembentukan puing-puing jangka panjang dari tabrakan. Ini adalah (1) untuk mengurangi jumlah tabrakan dengan menggunakan teknik penghindaran tabrakan atau (2) untuk menghilangkan objek yang mampu menyebabkan tabrakan menjauh dari daerah orbit yang padat. (Membatasi jumlah objek di orbit tanpa mengurangi massa tidak cukup untuk mengurangi potensi tabrakan jangka panjang, karena pengurangan tersebut tidak mempengaruhi total energi kinetik di orbit yang tersedia untuk menyebabkan tabrakan.) Masalah dengan pendekatan pertama adalah bahwa, sistem peringatan tabrakan saat ini tidak efektif, dan pengembangan sistem yang efektif akan menantang secara teknis dan mahal. Bahkan jika sistem peringatan tabrakan yang efektif diterapkan, itu mungkin tidak akan berguna dalam mencegah pecahnya baik pesawat ruang angkasa yang tidak berfungsi atau puing-puing lainnya (karena objek tersebut tidak mampu bermanuver untuk menghindari tabrakan). Akibatnya, menghilangkan puing-puing dari orbit yang padat mungkin menjadi satu-satunya alternatif praktis.

Meskipun pecahan pecahan melebihi jumlah semua jenis puing orbit lainnya, badan roket dan (pada tingkat lebih rendah) pesawat ruang angkasa sejauh ini memiliki fraksi massa dan luas penampang terbesar di orbit. Oleh karena itu, sebagian besar tumbukan akan melibatkan benda-benda ini. Ditinggalkannya badan roket dan pesawat ruang angkasa di orbit Bumi—terutama di orbit yang berumur panjang seperti GEO, orbit melingkar yang lebih tinggi dari 800 km, beberapa GTO, dan beberapa orbit tipe Molniya—sangat meningkatkan potensi jangka panjang untuk tabrakan di masa depan. Teknik yang mungkin untuk mengurangi orbit atau mempercepat peluruhan benda-benda ini termasuk penggunaan propulsi retrograde, gaya perturbing alami, dan perangkat augmentasi drag.

Pembakaran propulsi retrograde dapat dilakukan dengan pendorong roket kecil khusus atau, seperti yang telah dibahas sebelumnya, melalui penipisan bahan bakar di atas kapal dengan roket yang ada. Pembakaran retrograde dapat digunakan baik (1) untuk mencapai deorbit terkontrol, di mana badan roket atau pesawat ruang angkasa diarahkan untuk menabrak (atau terbakar saat masuk kembali) di lokasi yang telah ditentukan di atas lautan atau area tak berpenghuni lainnya, atau (2) untuk mengarahkan badan roket atau pesawat ruang angkasa ke orbit dengan perigee yang lebih rendah, yang akan menyebabkan masa hidup orbit yang lebih pendek diikuti oleh masuk kembali dan terbakarnya atmosfer yang tidak terkendali.

Baik pesawat ruang angkasa maupun badan roket mungkin memerlukan beberapa modifikasi untuk melakukan manuver deorbiting atau pengurangan seumur hidup. Beberapa pesawat ruang angkasa mungkin tidak memiliki sistem kontrol sikap atau orbit yang mampu melakukan pembakaran EOL; sistem tersebut diperlukan untuk melaksanakan reorbiting atau manuver pengurangan seumur hidup. Badan roket mungkin memerlukan baterai yang ditingkatkan, kontrol sikap, dan sistem perintah agar tetap berfungsi cukup lama untuk melakukan manuver dorong perlambatan. (Ini sangat penting untuk badan roket di orbit dekat pesawat ruang angkasa yang baru saja mereka lepaskan ke orbit; roket semacam itu harus sering melakukan dorong perlambatan dorongan mesin.

Orbit Pembuangan

Deorbiting atau percepatan yang berarti dari peluruhan orbit pesawat ruang angkasa atau badan roket dari daerah orbit dataran tinggi yang paling banyak digunakan akan sangat mahal. Salah satu cara untuk memindahkan objek dari wilayah ini adalah dengan mengorbitnya kembali ke "orbit pembuangan" di akhir masa pakai fungsionalnya. Ini meninggalkan objek di orbit Bumi tetapi memindahkannya dari wilayah di mana objek tersebut akan menimbulkan bahaya tabrakan langsung ke pesawat ruang angkasa fungsional. Orbit pembuangan biasanya harus cukup jauh dari orbit awal sehingga gangguan orbital tidak membawa objek yang direorbit kembali melalui orbit awalnya, meskipun orbit pembuangan yang stabil dalam wilayah orbital yang banyak digunakan juga telah diusulkan.Mengorbit ulang ke orbit pembuangan biasanya membutuhkan dua luka bakar pendorong pada akhir masa hidup fungsional pesawat ruang angkasa atau badan roket.

Penghapusan Puing-puing Dalam Orbit Aktif

Penghapusan aktif puing-puing besar (seperti pesawat ruang angkasa nonfungsional dan badan roket) dari orbit sering diusulkan sebagai cara untuk mengurangi bahaya puing-puing. Penghapusan benda-benda besar akan membutuhkan semacam kendaraan luar angkasa yang didedikasikan untuk tujuan ini; semua indikasinya adalah bahwa biaya kendaraan semacam itu akan menjadi penghalang, terutama bila pengurangan kecil dalam bahaya puing-puing yang dapat dicapainya dipertimbangkan. (Satu studi memperkirakan biaya kasus terbaik lebih dari $15 juta untuk setiap potongan puing di LEO yang dibuang, tidak termasuk biaya pengembangan kendaraan manuver orbital [Petro dan Ashley, 1989].) Bahkan skema cerdik yang melibatkan penggunaan tambatan untuk mendeorbit objek besar kemungkinan akan sangat mahal