Vấn đề ô nhiễm không gian đang được cả cộng đồng hàng không vũ trụ quan tâm. Những phát triển giả thuyết như vậy trong quỹ đạo Trái đất thấp, chẳng hạn như hội chứng Kessler, dự đoán sự hình thành các mảnh vỡ không gian ngoài tầm kiểm soát, đã gây xôn xao ngay cả các phương tiện truyền thông đại chúng. Rõ ràng là cần có những nghiên cứu cơ bản để hiểu được mối nguy hiểm dù chỉ là một mảnh vỡ nhỏ cũng như tính toán số tiền chúng ta sẵn sàng trả để làm sạch không gian vũ trụ.
Ngày nay, các chính trị gia, nhà khoa học, kỹ thuật viên và công chúng đều nhận thức sâu sắc về sự gia tăng của các mảnh vỡ không gian. Nhờ công việc cơ bản của J-K. Liouville và Nicholas Johnson, xuất bản năm 2006, chúng tôi hiểu rằng tỷ lệ mảnh vỡ có khả năng tiếp tục tăng trong tương lai, ngay cả khi tất cả các vụ phóng bị dừng lại. Lý do cho sự tăng trưởng bền vững này là do các vụ va chạm được cho là sẽ xảy ra giữa các vệ tinh và các giai đoạn tên lửa đã ở trên quỹ đạo. Đây là mối quan tâm lớn của nhiều nhà khai thác vệ tinh, họ buộc phải thực hiện các biện pháp thích hợp để bảo vệ tài sản của mình.
Một số chuyên gia tin rằng những sự cố này sẽ chỉ là khởi đầu của một loạt vụ va chạm khiến nó gần như không thể tiếp cận quỹ đạo Trái đất tầm thấp. Hiện tượng này, lần đầu tiên được nhà tư vấn Donald Kessler của NASA mô tả chi tiết, thường được gọi là hội chứng Kessler. Nhưng thực tế rất có thể sẽ khác rất nhiều so với những dự đoán hoặc sự kiện tương tự được trình chiếu trong phim điện ảnh "Gravity". Thật vậy, kết quả được trình bày trước Ủy ban điều phối các mảnh vỡ không gian liên cơ quan (IADC) tại hội nghị châu Âu lần thứ sáu về chủ đề này cho thấy sự gia tăng các mảnh vỡ dự kiến chỉ 30% trong vòng 200 năm với các vụ phóng liên tục.
Các vụ va chạm vẫn sẽ xảy ra, nhưng thực tế sẽ khác xa với viễn cảnh thảm khốc mà một số người lo sợ. Sự phát triển về số lượng mảnh vỡ không gian có thể được giảm xuống mức khá khiêm tốn. Đề xuất của IADC là phổ biến rộng rãi và tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn giảm thiểu các mảnh vỡ trong không gian, đặc biệt là liên quan đến việc trung hòa các nguồn năng lượng cần được phát triển đầy đủ vào cuối chuyến bay và xử lý sau khi kết thúc chuyến bay. Tuy nhiên, theo quan điểm của IADC, sự gia tăng dự kiến về lượng chất thải, mặc dù đã có những nỗ lực liên tục, vẫn đòi hỏi phải đưa ra các biện pháp bổ sung để chống lại các yếu tố rủi ro hiện có.
Không có tiến bộ?
Sự quan tâm đáng kể đến việc cải tạo môi trường không gian đã được ghi nhận 9 năm sau khi công trình của Liouville và Johnson được công bố. Đặc biệt, các bước trên thế giới đã được thực hiện để phát triển các phương pháp loại bỏ các vật thể từ quỹ đạo thấp của Trái đất. Chẳng hạn, Cơ quan Vũ trụ châu Âu gần đây đã công bố ý định bảo đảm sự hỗ trợ của chính phủ cho việc phóng tàu vũ trụ châu Âu trong thập kỷ tới. Cơ quan này đã tiến hành nhiều nghiên cứu để xác định những cách thức hợp lý và đáng tin cậy để đạt được mục tiêu. Yếu tố quan trọng của quy hoạch là các mô hình máy tính của không gian mảnh vỡ, cho thấy rằng sự phát triển của mảnh vỡ có thể được ngăn chặn bằng cách loại bỏ các giai đoạn tàu vũ trụ hoặc tên lửa cụ thể. Trong các mô phỏng trên máy tính, những vật thể này được xác định là dễ bị va chạm nhất, vì vậy sau khi chúng rời khỏi quỹ đạo, số lượng va chạm sẽ giảm mạnh, điều này sẽ ngăn chặn sự xuất hiện của các mảnh vỡ mới do sự phân tán của các mảnh vỡ.
Gần mười năm đã trôi qua kể từ khi công trình của Liouville và Johnson được công bố, và điều đáng ngạc nhiên là ở cấp độ quốc tế hoặc quốc gia, không có nguyên tắc phương pháp luận nào xác định rõ ràng các biện pháp để loại bỏ hậu quả của ô nhiễm không gian gần Trái đất. Dường như có một số người thờ ơ về việc phát triển một quy trình xử lý các mảnh vỡ, bất chấp những lời kêu gọi hành động. Nhưng nó thực sự như vậy?
Trên thực tế, tình hình không đơn giản như người ta tưởng. Về quy trình loại bỏ các mảnh vỡ không gian, có một số câu hỏi cơ bản vẫn cần được trả lời. Đặc biệt quan tâm là các vấn đề liên quan đến quyền sở hữu, trách nhiệm giải trình và tính minh bạch. Ví dụ, nhiều công nghệ được cung cấp để loại bỏ mảnh vỡ cũng có thể được sử dụng để loại bỏ hoặc vô hiệu hóa một tàu vũ trụ đang hoạt động. Do đó, người ta có thể mong đợi những cáo buộc rằng những công nghệ này là vũ khí. Ngoài ra còn có các câu hỏi liên quan đến chi phí của một chương trình xử lý rác nhất quán. Một số kỹ thuật viên đã ước tính nó lên tới hàng chục nghìn tỷ đô la.
Tuy nhiên, có lẽ lý do quan trọng nhất của việc thiếu các nguyên tắc phương pháp luận đầy đủ nằm ở việc chúng ta chưa biết cách thực hiện việc khai hoang, trong thực tế, chúng ta muốn nói đến việc thanh lọc không gian bên ngoài. Nhưng điều này không có nghĩa là chúng ta không biết mình cần những công nghệ nào.
Các thuật toán sử dụng một lần đã được phát triển trên thực tế. Vấn đề thực sự nảy sinh từ một nhiệm vụ tưởng chừng đơn giản: xác định "chính xác" các mảnh vỡ cần loại bỏ khỏi quỹ đạo. Và cho đến khi chúng tôi có thể giải quyết vấn đề này, có vẻ như chúng tôi sẽ không thể lấy lại không gian.
Chơi đống đổ nát
Để nhận ra bản chất vấn đề của việc giải quyết một nhiệm vụ có vẻ đơn giản như xác định rác cần loại bỏ, chúng tôi sử dụng sự tương tự của một trò chơi với bộ bài 52 lá chơi thông thường. Tương tự như vậy, mỗi bản đồ đại diện cho một đối tượng trong không gian bên ngoài mà chúng ta có thể muốn loại bỏ để tránh va chạm. Sau khi các quân bài đã được chia, chúng ta đặt từng quân bài úp xuống bàn. Mục tiêu của chúng tôi bây giờ là cố gắng xác định các quân át chủ bài và loại bỏ chúng khỏi bảng, vì những lá bài này đại diện cho các vệ tinh hoặc các vật thể lớn khác của mảnh vỡ không gian có thể trở thành người tham gia vào vụ va chạm vào một thời điểm nào đó trong tương lai. Chúng tôi có thể xóa bao nhiêu thẻ khỏi bàn tùy thích, nhưng bất cứ khi nào xóa một thẻ, chúng tôi phải trả $ 10. Ngoài ra, khi di chuyển ra xa, chúng ta không có quyền nhìn vào bản đồ (nếu một vệ tinh bị di chuyển khỏi quỹ đạo, chúng ta không thể nói chắc chắn rằng chính xác nó có thể tham gia vào vụ va chạm là gì). Cuối cùng, chúng tôi phải trả 100 đô la cho mỗi quân át chủ bài còn lại trên bàn, con số này đại diện cho những tổn thất có thể xảy ra do các vụ va chạm liên quan đến vệ tinh của chúng tôi (trên thực tế, chi phí thay thế một vệ tinh có thể dao động từ 100.000 đô la đến 2 tỷ đô la).
Chà, làm thế nào chúng ta có thể giải quyết vấn đề này? Mặt ngược lại, tất cả các quân bài đều giống nhau, vì vậy không có cách nào để biết được đâu là quân Át, và cách duy nhất để đảm bảo rằng chúng ta đã xóa hết quân Át là xóa tất cả các quân bài ra khỏi bàn. Trong ví dụ của chúng tôi, điều này sẽ có giá tối đa là $ 520. Trong không gian vũ trụ, chúng ta phải đối mặt với cùng một vấn đề: chúng ta không biết chính xác vật thể nào có thể tham gia vào các vụ va chạm, nhưng quá đắt để loại bỏ tất cả chúng, vì vậy chúng ta phải lựa chọn. Giả sử chúng ta đã lựa chọn: loại bỏ một quân bài trị giá 10 đô la, khả năng chúng ta đã loại bỏ một quân át chủ bài là bao nhiêu? Chà, xác suất mà quân bài là một con át là bốn chia hết cho 52, hay nói cách khác là khoảng 0, 08 hoặc 8 phần trăm. Do đó, xác suất mà quân bài không phải là quân át chủ bài là 92 phần trăm. Đây là khả năng chúng tôi đã lãng phí 10 đô la của mình.
Điều gì sẽ xảy ra nếu lần này chúng ta lấy một thẻ thứ hai (sẽ khiến chúng ta mất thêm 10 đô la)? Khả năng lá bài thứ hai là quân át phụ thuộc vào việc quân bài đầu tiên có phải là quân át hay không. Nếu đúng như vậy, thì xác suất để quân bài thứ hai cũng là quân át là ba chia cho 51 (bởi vì bây giờ chỉ có ba quân át trong bộ bài, tức là đã giảm đi một quân bài). Nếu quân bài đầu tiên không phải là quân Át, thì xác suất để quân bài thứ hai là quân Át là bốn chia cho 51 (vì vẫn còn bốn quân Át trong bộ bài nhỏ hơn).
Chúng ta có thể sử dụng phương pháp này để xác định khả năng chúng ta đã loại bỏ cả hai quân át - chúng ta chỉ cần nhân các xác suất để tìm ra câu trả lời: 4/52 nhân với 3/51, cho chúng ta xác suất là 0,0045 hoặc 0,45 phần trăm trị giá 20 đô la cho mỗi hai thẻ loại bỏ. Không đáng khích lệ lắm.
Tuy nhiên, chúng ta cũng có thể xác định xác suất loại bỏ ít nhất một trong các quân át chủ bài. Sau khi rút hai quân bài, có 15 phần trăm khả năng là chúng ta đã loại bỏ thành công ít nhất một trong các quân át chủ bài. Điều này nghe có vẻ hứa hẹn hơn, nhưng tỷ lệ cược hiện tại cũng không tốt lắm.
Nó chỉ ra rằng để tăng cơ hội rút ra ít nhất một trong các quân át, chúng ta cần loại bỏ hơn chín thẻ (trị giá $ 90) hoặc hơn 22 thẻ (trị giá $ 220) nếu chúng ta muốn chắc chắn 90%. rằng chúng tôi đã loại bỏ một trong những con át chủ bài. Ngay cả khi chúng tôi thành công, ba quân át vẫn còn trên bàn, vì vậy tổng cộng chúng tôi vẫn phải trả $ 520, trùng hợp là số tiền mà chúng tôi phải trả nếu chúng tôi đã chọn tùy chọn với việc loại bỏ tất cả các thẻ.
Trò chơi kết thúc
Quay trở lại từ sự tương tự của chúng ta trở lại môi trường không gian thực, tình hình dường như đáng báo động hơn. Hiện tại, khoảng 20.000 vật thể được theo dõi trên quỹ đạo bằng mạng lưới các trạm quan sát không gian của Hoa Kỳ, với khoảng sáu phần trăm trong số các vật thể này nặng hơn một tấn, theo giả thuyết có thể tham gia vào một vụ va chạm và chúng ta có thể muốn loại bỏ … Trong phép tương tự lá bài, vấn đề của chúng ta là mặt sau của tất cả các quân bài đều giống nhau và xác suất một quân là quân át của quân bích cũng giống như xác suất quân kia cũng là quân át. Không có cách nào để xác định các thẻ bạn muốn và xóa chúng khỏi bàn. Trong thực tế, cơ hội tránh va chạm của chúng ta cao hơn nhiều so với trong một trò chơi bài, bởi vì trong quỹ đạo, chúng ta có thể thấy khả năng xảy ra va chạm của một số vật thể và chúng ta có thể tập trung chú ý vào chúng. Ví dụ, các vật thể ở quỹ đạo đông dân cư như không đồng bộ ở độ cao từ 600 đến 900 km có nhiều khả năng tham gia vào các vụ va chạm do tắc nghẽn trong khu vực này. Nếu chúng ta tập trung sự chú ý vào các vật thể tương tự (và những vật thể khác trên quỹ đạo tắc nghẽn tương tự) và tính đến các dự đoán về khả năng xảy ra vụ va chạm của chúng, thì hóa ra chúng ta phải loại bỏ khoảng 50 vật thể để giảm số vụ va chạm thảm khốc dự kiến bằng chỉ một đơn vị, theo sau từ kết quả nghiên cứu do các thành viên của cơ quan vũ trụ IADC thực hiện.
Và nó chỉ ra rằng ngay cả khi một số vật thể có thể được loại bỏ bằng một tàu vũ trụ sạch hơn (và năm mục tiêu dường như là một sự thay thế linh hoạt), thì nhiều chuyến bay - thường là thách thức và đầy tham vọng - phải được thực hiện chỉ để ngăn một vụ va chạm.
Tại sao chúng ta không thể dự đoán chính xác hơn khả năng xảy ra va chạm và chỉ loại bỏ những vật thể mà chúng ta biết chắc chắn là sẽ nguy hiểm? Có nhiều thông số có thể ảnh hưởng đến quỹ đạo của vệ tinh, bao gồm định hướng của vệ tinh, cho dù đó là chuyển động thất thường hay thời tiết không gian (có thể ảnh hưởng đến lực cản của vệ tinh). Ngay cả những sai sót nhỏ trong các giá trị ban đầu cũng có thể dẫn đến sự chênh lệch lớn trong kết quả tính toán vị trí của vệ tinh so với thực tế và sau một khoảng thời gian tương đối ngắn. Trên thực tế, chúng tôi sử dụng kỹ thuật tương tự như những người dự báo: chúng tôi sử dụng các mô hình để tạo ra khả năng xảy ra các kết quả cụ thể, nhưng không phải là thực tế là những kết quả này sẽ thu được.
Do đó, chúng tôi có những công nghệ có thể được sử dụng đôi khi để loại bỏ các mảnh vụn không gian. Đây là vị trí được Cơ quan Vũ trụ Châu Âu thực hiện với sứ mệnh e. Deorbit đã lên kế hoạch của họ, nhưng vẫn còn những vấn đề cần giải quyết để xác định những vật thể phù hợp nhất để loại bỏ. Những vấn đề này phải được giải quyết trước khi các hướng dẫn cần thiết và các nguyên tắc phương pháp luận có thể được cung cấp cho những người quan tâm đến việc chuẩn bị một chương trình loại bỏ các mảnh vỡ không gian dài hạn cần thiết cho việc xử lý môi trường hiệu quả.
Các nguyên tắc phương pháp luận về địa điểm cụ thể, số lượng, yêu cầu và ràng buộc của chúng là cần thiết để tăng khả năng các nỗ lực khắc phục môi trường sẽ có hiệu quả và đáng giá. Để phát triển các nguyên tắc phương pháp luận như vậy, chúng ta phải xem xét lại những kỳ vọng không hợp lý của chúng ta về một kết quả thuận lợi.
