Na naszej orbicie umieszczono tysiące satelitów, a kolejne dziesiątki tysięcy mają zostać wysłane. Wiele z nich powróci na Ziemię, najpewniej tonąc w ocenie lub rozbijając się na pustyni. Niektóre z tych konstrukcji miało wykorzystywać jako paliwo rtęć. Tak się jednak na szczęście nie stało. Dlaczego to paliwo jest tak dużym problemem i co oznacza zakaz jego stosowania w przyszłych misjach? Na te i inne pytania spróbujemy odpowiedzieć w tym tekście.
- Rtęć to tani i łatwo dostępny metal. Dlatego próbowano go wykorzystać jako paliwo w satelitach, by obniżyć koszty ich działania
- Jest to równocześnie pierwiastek niezwykle szkodliwy, który niszczy ośrodek nerwowy człowieka, a w skrajnych wypadkach może doprowadzić do jego śmierci
- Badania nad stosowaniem rtęci jako paliwa w satelitach szybko przerwano ze względu na potencjalny wpływ metalu na środowisko
- Po prawie 50 latach jedna z amerykańskich firm powróciła jednak do prac nad stosowaniem rtęci. Pociągnęło to za sobą wprowadzenie nowych regulacji, zakazujących budowy satelitów z paliwem rtęciowym
Pod koniec 2021 r. na orbicie ziemskiej znajdowały się 4852 działające satelity, z których zdecydowana większość należała do Stanów Zjednoczonych. W drodze jest kilkadziesiąt tysięcy kolejnych konstrukcji, w tym choćby 12 tys. satelitów Starlink, jakie mają zostać wysłane przez należącą do Elona Muska firmę SpaceX. Na niebie robi się więc bardzo tłoczno, co w przyszłości może spowodować problemy z obserwowaniem kosmosu — astronomowie już teraz wyrażają niezadowolenie.
Jest też chyba nawet istotniejsza kwestia, która przez wiele lat nie była poruszana. Chodzi o wykorzystanie rtęci, jako paliwa w przemyśle kosmicznym, które testowano w latach 70. XX w. Temat jednak powrócił za sprawą firmy Apollo Fusion, która w 2018 r. zaproponowała ponowne użycie rtęci zamiast pierwiastków, stosowanych do tej pory. Wiadomość ta wywołała ogromne poruszenie w środowisku naukowców, którzy zdawali sobie sprawę, z czym pomysł mógł się wiązać.
Nim jednak do tego przejdziemy, musimy wytłumaczyć, jak w ogóle satelity manewrują na orbicie. Większość z wysłanych jednostek musi cały czas dostosowywać swoją pozycję, która jest zaburzana m.in. przez przyciąganie ziemskie i inne oddziaływania grawitacyjne. Co więcej, czasem ruch satelity jest też niezbędny do uniknięcia uderzenia z innym obiektem znajdującym się w przestrzeni.
Dlatego właśnie jednostki te mają na pokładzie silniki Halla. Rozwiązanie to jest stosowane od 1974 r., kiedy to wysłano na orbitę satelitę Meteor-8. To elektrostatyczne napędy elektryczne, wytwarzające ciąg poprzez jonizację propelentu, by w ten sposób przekształcić go w cząsteczki z ładunkiem elektrycznym. Te z kolei są przyspieszane do ogromnych wartości przy pomocy pola magnetycznego.
Silniki te działają sprawnie i mogą pracować przez dziesięciolecia, o ile oczywiście mają odpowiednią ilość paliwa. W zdecydowanej większości satelitów silniki Halla są zasilane propylentem złożonym z kryptonu lub ksenonu. To pierwiastki z grupy helowców, należące do gazów szlachetnych, których ważną cechą jest obojętność dla środowiska. Warto to zapamiętać w kontekście naszych dalszych rozważań. Oba gazy są również rzadkie, dlatego 50 lat temu NASA szukała dla nich tańszego i łatwiejszego w pozyskaniu zastępstwa.
Tutaj na scenę wkracza rtęć, z którą eksperymentowano w ramach programu Space Electric Propulsion Test. Wystarczyły jednak tylko dwie misje, by podjęto decyzję o rezygnacji z tego metalu ciężkiego. Naukowcy z NASA obawiali się o to, co może stać się ze środowiskiem i zdrowiem ludzi oraz zwierząt na Ziemi, jeśli paliwo powróci z orbity razem ze złomowanym satelitą. Obawy są zresztą słuszne, zważywszy na fakt, że rtęć jest silną neurotoksyną.
Cechą charakterystyczną tego niezwykle szkodliwego, choć po części też całkiem przydatnego pierwiastka (stosowanego przecież choćby w termometrach), jest jego zdolność do gromadzenia się w organizmach żywych. Niestety przemieszcza się ona w górę łańcucha pokarmowego, na którego końcu zwykle jest właśnie człowiek. Rtęć bardzo silnie oddziałuje z wodą, przekształcając się w niej i wszystkich mikroorganizmach wodnych w metylortęć. Ryby pochłaniające wspomniane organizmy gromadzą rtęć w swoich tkankach zgodnie z zasadami procesu biomagnifikacji. Oznacza ona wzrost stężenia substancji toksycznej w organizmie zajmujące wyższy poziom troficzny.
Zatrucia rtęcią są bardzo poważne i mogą prowadzić do śmierci, czego najlepszym przykładem są wydarzenia z japońskiej Minamaty z lat 50. XX w. Duże ilości rtęci trafiły wtedy do zatoki i zostały wchłonięte przez tamtejsze ryby. Te z kolei zostały zjedzone przez okolicznych mieszkańców, co skończyło się prawdziwą tragedią – w wyniku zatrucia zmarło ponad 1000 osób, a wśród tych, którzy przeżyli, zdiagnozowano uszkodzenia mózgu. Te ostatnie są nieodwracalne i powodują m.in. utratę słuchu czy drętwienie kończyn.
Informacje o możliwym powrocie paliwa rtęciowego spowodowały ożywioną dyskusję badaczy, której efektem był obszerny raport. Znalazły się w nim ciekawe wyliczenia. Jeśli na orbicie umieszczono by konstelację 2000 satelitów, z których każda przenosiłaby 100 kg paliwa, w ciągu 10-letniego okresu eksploatacji wykorzystano by aż 20 ton rtęci. Co gorsze, aż 75 proc. wypalonego paliwa wylądowałoby w ocenach. Zgodnie z badaniami naukowymi stałoby się tak nawet z rtęcią emitowaną do kosmosu.
Dzieje się tak dlatego, że atomy rtęci zderzają się z rzadką atmosferą przestrzeni kosmicznej, co powoduje utratę ich prędkości. Wtedy zaczyna działać grawitacja, sprawiająca, że atomy rtęci opadają do gęstszej atmosfery i stamtąd niżej, na Ziemię. Do tego doszłyby inne procesy atmosferyczne, transportujące rtęć m.in. w rejony polarne.
Trzeba też brać pod uwagę to, że coś może pójść nie tak przy samym wystrzeleniu satelity. Gdy tego typu katastrofa będzie mieć miejsce w przypadku konstrukcji przewożącej ksenon lub krypton, nie odnotujemy żadnego wpływu na środowisko. Gorzej, gdy w satelicie znajdować będzie się właśnie rtęć. Co więcej, zgodnie z Traktatem o Przestrzeni Kosmicznej, satelity z niskiej orbity muszą być celowo sprowadzane maksymalnie po 25 latach pracy. Wtedy zwykle ich paliwo zostanie w pełni wypalone.
Zdarza się jednak, że satelita zawiedzie i zejdzie z orbity w sposób niezamierzony. Tak przecież stało się z 40 satelitami Starlink, które zmiotła burza geomagnetyczna. Wystarczy teraz pomyśleć, co by się stało, gdyby każda z tych satelit miała po kilkadziesiąt kg paliwa rtęciowego na pokładzie.
Zakaz stosowania rtęci wydawał się sensowny, ale przez bardzo długi czas właściwie nie działał. Brakowało odpowiednich regulacji w amerykańskim prawie kosmicznym, które zresztą chciała wykorzystać wspomniana wyżej firma Apollo Fusion. Na szczęście ONZ w końcu poważnie zabrało się za tę kwestię i w marcu 2022 r. zakazało satelitów napędzanych rtęcią na mocy nowych postanowień traktatu z Minamaty. Tym razem USA w pełni poprało to ograniczenie, co sprawia, że temat wykorzystania rtęci jako paliwa rakietowego raczej nie wróci w najbliższym czasie.
Naukowcy przekonują, że przy obecnym poziomie wiedzy, raczej nie będzie to potrzebne. W niektórych silnikach używa się już bizmutu, tytanu i aluminium, które są zdecydowanie bezpieczniejsze niż rtęć, a dodatkowo przechowywane są jako ciała stałe. W kontekście możliwych wycieków nawet podczas testów to spora przewaga nad rtęcią.
