विज्ञान लेखमाला : २ : स्पेस जंक

१२ मार्च २००९, पृथ्वीवर नेहमीचाच दिवस. मागच्या पानावरून आयुष्य पुढे चालू. पण दूर.. थेट अवकाशात
वेगळंच घडत होतं. इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनवर अंतराळवीर दैनंदिन दिनक्रमात गुंतलेले असताना, अचानक कंट्रोल रूममधून संदेश आला - "We are having red conjunction!" जे घडतं होतं, घडणार होतं, ती धोक्याची नांदी होती. Red Conjunction - अंतराळात निरुद्देशीय, दिशहीन वेगाने फिरत असलेले धातूचे तुकडे इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनवर आदळले असते, तर त्यातून होणारी हानी अपरिमित होती. Red Conjunction अर्थातच स्पेस जंक - अंतरिक्षातला कचरा.

###

दुसरं महायुद्ध संपलं आणि शीतयुद्धाची नांदी झाली. अमेरिका आणि रशिया एकमेकांवर कुरघोडी करण्यासाठी क्लृप्त्या योजत असताना हेरगिरीचा एक नवीन मार्ग शोधण्यात आला - 'अंतराळ'. या स्पेस रेसमध्ये पहिली बाजी मारली ती अर्थात सोव्हिएत युनियनने. सन १९५७. अवकाश युगाची सुरुवात.. मानवी इतिहासातील एक महत्त्वपूर्ण टप्पा. ऑक्टोबर ४, १९५७, रशियाने स्पुटनिक नावाचा पहिला मानवनिर्मित उपग्रह अवकाशात सोडला. स्पुटनिक ५८ से.मी. आकाराचा धातूचा गोळा, ज्याला ४ रेडिओ अ‍ॅन्टेना जोडलेले. स्पुटनिकवर कोणतीही शास्त्रीय उपकरणं नव्हती. स्पुटनिक अवकाशात सोडताना आणि तिथे तो बसवताना वातावरणाच्या थरांविषयी (तपांबर, दलांबर, स्थितांबर) शास्त्रज्ञांना भरपूर माहिती मिळाली. स्पुटनिकच्या यशाचा खगोलशास्त्रासाठी जेवढा उपयोग झाला, त्यापेक्षा आंतरराष्ट्रीय राजकारणावर जास्त परिणाम झाला. रशियाला मिळालेल्या या यशामुळे अमेरिकेत अर्थातच चिंतेचं वातावरण तयार झालं. या घटनेला 'स्पुटनिक क्रायसिस' असंही म्हणतात. अमेरिका आणि रशिया या दोघांमध्ये सुरू झालेल्या या शर्यतीत हळूहळू इतर देशही सामील झाले.

Sputnik 1

आजतागायत विविध देशांनी अवकाशात सोडलेल्या उपग्रहांची बेरीज मांडली, तर ती अंदाजे ७०००पेक्षाही जास्त असेल. त्यापैकी १२००पेक्षा जास्त उपग्रह उत्तम स्थितीत कार्यरत आहेत, उरलेले काहीनाकाही कारणांमुळे निकामी झालेत. निकामी झालेल्यांपैकी काही उपग्रह पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे वातावरणात खेचले गेले, तर बरेचसे उपग्रह अजूनही अवकाशातच दिशाहीन फिरत आहेत. कृत्रिम उपग्रह हा काही विशिष्ट उद्देशाने बनविला जातो. काही उपग्रह रेडिओ आणि टेलिफोन संदेश पाठविण्याचे काम करतात, काही हवामानाचा अंदाज बांधण्यास मदत करतात, तर काही हेरगिरी करण्यासाठी वापरले जातात. उपग्रहाकडून अपेक्षित असलेल्या कामानुसार अवकाशात त्याची कक्षा निश्चित केली जाते.
१. (LEO – Low Earth Orbit - 112 to 1242 miles / 180 to 2000 KM) - रेडिओ, टेलिफोन संदेश दळणवळण करण्यासाठी वापरण्यात येणारे उपग्रह हे सर्वात जवळच्या कक्षेत (LEO) स्थापन केले जातात.
२. (MEO – Mid Earth Orbit – 1243 to 22,233 / 2000 and 35,780 KM ) - GPS उपग्रह मध्य कक्षेत (MEO) असतात.
३. (HEO – High Earth Orbit) - टीव्ही आणि हवामान अंदाजसाठी वापरांतले उपग्रह हे त्याही पुढील कक्षेत ठेवले जातात.

LEO, MEO, HEO

कृत्रिम उपग्रह पृथ्वीभोवती वेगाने - एका विशिष्ट वेगात सतत फिरत असतात, तसं न झाल्यास गुरुत्वाकर्षणामुळे उपग्रह जमिनीकडे खेचले जातात. उपग्रहाचा वेग जितका जरुरी आहे तितकाच असावा लागतो. वेग अधिक असला तर उपग्रह पृथ्वीच्या कक्षेतून बाहेर जाईल, व कमी असला तर उपग्रह पृथ्वीकडे खेचला जाईल. हा वेग प्रत्येक कक्षेत कमी-अधिक असतो. सर्वात जवळच्या कक्षेत (LEO) गुरुत्वाकर्षणाचा परिणाम जास्त असल्याने उपग्रहांचा वेग जास्त असावा लागतो, तर लांबच्या कक्षेत (HEO) वेग कमी असतो. उपग्रहांना ठरावीक कक्षेत ठेवण्याकरिता त्यांचा वेग आणि मार्ग यावर सतत लक्ष ठेवावं लागतं. बहुतेक उपग्रहामध्ये लागेल एवढ्या इंधनाची सोय केली असते, जेणेकरून गरज पडल्यास पृथ्वीवर संदेश पाठवून उपग्रहाचा मार्गात आणि वेगात बदल करता येईल. अनेक वेळा इंधन संपल्यामुळे अथवा संपर्क तुटल्यामुळे उपग्रह निकामी होतात. असे हे उपग्रह गुरुत्वाकर्षणामुळे आपल्या मार्गपासून भरकटत जातात आणि जोपर्यंत पृथ्वीच्या अगदी जवळ येऊन वातावरणात खेचले जात नाहीत, तोपर्यंत अवकाशात दिशाहीन भ्रमण करत राहतात. अवकाशात निर्माण होणारा निरुपयोगी कचरा साठत राहतो.

Satellites and Orbital Speed

###

अवकाशात अशा अनावश्यक मानवनिर्मित कचर्‍याला शास्त्रज्ञांनी 'स्पेस जंक' असं नाव दिलं आहे. या कचर्‍यात पत्र्याच्या अगदी लहान तुकड्यापासून ते उपयोगात नसलेल्या, बिघाड झालेल्या उपग्रहांचा समावेश होतो. सध्या अवकाशात फिरत असलेल्या कचर्‍यामध्ये लहानात लहान कचरा - खिळे, पेच, अगदी लहान अशा रंगाच्या पापुद्र्यापर्यंत सगळ्याचा समावेश होतो; तर उपयोगात नसलेले उपग्रह, रॉकेटचे उरलेले अवशेष आकाराने सगळ्यात मोठ्या अशा कचर्‍यापैकी एक आहेत.
स्पेस एजच्या सुरुवातीच्या काळात शास्त्रज्ञ मानायचे की अवकाश अनंत आहे. त्यात काहीही, कितीही कचरा टाकला तरी फरक पडणार नाही. त्यामुळे अवकाशात यान, कृत्रिम उपग्रह सोडताना या कचर्‍याचा विचार केला गेला नाही. कृत्रिम उपग्रह पृथ्वीवर परत येण्यासाठी बनवले जात नसत. काही बिघाड झालाच, तर ते अवकाशातच सोडले जात असत. कारण त्यांना पृथ्वीवर परत आणणं आजही खर्चीक आहे.

###

कॉसमॉस-२२५१ हा कृत्रिम उपग्रह रशियाने १९९३मध्ये अवकाशात सोडला. त्यानंतर दोनच वर्षांत काही तांत्रिक बिघाडामुळे त्याचा जमिनीवरील कंट्रोल रुमशी संपर्क तुटला आणि तेव्हापासून कॉसमॉस अवकाशात भरकट होता. १० फेब्रुवारी २००९, इरिडिअम-३३ या अमेरिकन उपग्रहाला कॉसमॉस-२२५१ने ताशी १७००० मैल (२७,००० किलोमीटर) या वेगाने धडक मारली. या टकरीत दोन्ही उपग्रहांचे अनेक तुकडे झाले. हे तुकडे आजतागायत अवकाशात तितक्याच वेगाने फिरत आहेत.

Iridium Kosmos Collision

अनेकदा अशा दुर्घटना अवकाशात अपघातानेच घडतात. परंतु २००७ साली चीनने हवामान अंदाजासाठी वापरण्यात येणारा चायनीज कृत्रिम उपग्रह Fengyun हेतुपुरस्सर पाडला. इतर देशांनी भविष्यात अवकाशातून कृत्रिम उपग्रहाद्वारे हेरगिरी केल्यास त्यांचा बंदोबस्त कसा करता येईल, याचं प्रात्यक्षिक म्हणून चीनने मिसाईल वापरून हा उपग्रह पाडला. तासाला १८००० मैल वेगाने फिरणारा हा उपग्रह जेव्हा ७०० किलो वजनाच्या मिसाईलला अवकाशात धडकला, तेव्हा २८०००हून अधिक छोटे-मोठे तुकडे अवकाशात पसरले. हे तुकडे याच वेगात पृथ्वीच्या बाह्य वातावरणात फिरत आहेत. हे तुकडे अध्येमध्ये एकमेकांवर आदळून पुन्हा पुन्हा कचरा तयार करीत आहेत. अवकाशात असलेल्या एकूण कचर्‍यापैकी ४०% कचरा हा चीनने या टकरीतून घडवून आणलेला आहे. उरलेला कचरा वाढवण्यात अमेरिका, रशिया आघाडीवर आहेत.

Fengyun-1 debris

अंतराळात अनेक दिवस मुक्काम करणार्‍या अंतराळवीरांना यानात तयार होणार्‍या अनेक प्रकारच्या कचर्‍याची विल्हेवाट लावावी लागते. अशा वेळेस अंतराळवीर मालवाहूसदॄश वाहनात कचरा गोळा करून पृथ्वीच्या दिशेने सोडून देतात, जेणेकडून वातावरणाच्या कक्षेत आल्यावर सर्व कचरा जळून खाक होतो. २००६ साली इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनमधल्या रशियन अंतराळवीरांनी सहज मजा म्हणून स्पेस स्टेशनमधला सर्व कचरा एकत्र करून एका जुन्या स्पेस सूटमध्ये भरला. त्याला नाव दिलं 'इवान इवानोविच'. या कचरा भरलेल्या स्पेससूटमध्ये रेडिओ ट्रान्समिटर बसवून पृथ्वीच्या दिशेने सोडला. हा स्पेससूट तब्बल २१६ दिवस अवकाशात दिशाहीन फिरत होता. २१६ दिवसांनी हा स्पेससूट वातावरणाच्या संपर्कात येऊन जळून खाक झाला. अर्थातच ही घटना Fengyun, कॉसमॉस-इरीडीयम टकरीच्या आधीची. या घटनांनंतर अर्थातच कुठलाही अंतरळवीर स्वप्नातही अंतराळात मुद्दाम कचरा फेकणार नाही.

###

१९७८मध्ये डोनाल्ड केस्सलर या शास्त्रज्ञाने अवकाशात वाढत्या उपग्रहांच्या संख्येबद्दल आणि त्यातून तयार होणार्‍या कचर्‍याबाबत पहिल्यांदा चिंता व्यक्त केली. डोनाल्ड केस्सलरला 'फादर ऑफ द स्पेस जंक' असं संबोधलं जातं. भविष्यात अवकाशात दोन कृत्रिम उपग्रहांची टक्कर झाली, तर त्यातून तयार होणारा कचरा आणि त्याचे दूरगामी परीणाम केस्सलरने एका सूत्राद्वारे जगापुढे मांडले. या गणिती सूत्राला 'केस्सलर सिंड्रोम' अथवा 'केस्सलर इफेक्ट (Kesslar Effect)' असं नाव आहे. केस्सलरच्या मते, अवकाशात लहानातल्या लहान दोन वस्तूंच्या टकरीतून तयार होणारे अवशेष मूळ अवशेषांच्या कैक पट अधिक अणकुचीदार, जास्त वेगाने फिरणारे व अधिक धोकादायक बनतात. हे नवीन अवशेष एकमेकांवर धडकून पुन्हा नवीन कचर्‍याला जन्म देतात. 'डॉमिनो इफेक्ट'चा धर्तीवर हा प्रवास असाच चालत राहून अवकाशात नवनवीन कचर्‍याला जन्म देत राहतो. हे असे अनेकानेक तुकडे अवकाशात घातक ठरू शकतात, (आठवा 'ग्रॅव्हिटी' सिनेमा!) किंबहुना ठरत आहेत.
कृत्रिम उपग्रह खूप वेगाने पृथ्वीभोवती फिरतात. हा वेग साधारण ४ ते ५ मैल प्रतिसेकंद (७ ते ८ कि.मी) एवढा असतो. अशा या प्रचंड वेगाने फिरणार्‍या छोट्याशा वस्तूचा आघात हा एका अतिप्रचंड स्फोटासारखा असतो. जेवढा वेग जास्त, तेवढा आघात जास्त. १९९४ साली Endeavour या यानाच्या खिडकीवर रंगाचा छोटासा पापुद्रा आदळला. हा आघात इतका जबरदस्त होता की हा पापुद्रा खिडकीच्या काचेत आरपार अर्ध्यापर्यंत घुसला.

Challenger's front window on STS-7

२००६ साली Atlantis या यानाला सर्किट बोर्डचा छोटा तुकडा आपटला. हा तुकडा यानाच्या रेडिएटर पॅनलला छिद्र करून आरपार निघून गेला. अगदी असाच अनुभव Endeavour STS-118 या अमेरीकन यानाला आला.

Endeavour's (STS-118) radiator hit by space debris (Entry hole)

२०१४ साली इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनला असाच धोका निर्माण झाला होता. इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनच्या मार्गात वर उल्लेखलेल्या इरिडिअम-कॉसमॉस यांच्या धडकेने तयार झालेला कचरा आला होता. नशिबाने अन्नपुरवठा करणारं रॉकेट चालू करून तत्काळ स्पेस स्टेशनचा मार्ग बदलण्यात आला आणि मोठी हानी टळली. २०१४ साली याच करणामुळे इंटरनॅशनल स्पेस स्टेशनचा मार्ग तीन वेळा बदलण्यात आला.

###

केस्सलरच्या या शोधानंतर नासाने आंतरिक्षातील कचर्‍याची नोंद करायला सुरुवात केली, जेणेकरून विध्वंस होण्याआधी उपग्रहांच्या मार्गात येणारा हा कचरा नष्ट करता येईल. अवकाशात प्रचंड वेगाने पृथ्वीभोवती फिरत असलेले हे तुकडे शास्त्रज्ञांनी अंदाज केल्याप्रमाणे १ सें.मी.पेक्षा कमी आकाराचे साधारण १० कोटी असतील. १ से.मी.पेक्षा मोठे, पण १० से.मी.पेक्षा लहान असे साधारण १०,०००० तुकडे आहेत. NASAने स्थापन केलेली Orbital Debris Program आणि US Air Force Space Surveillance Network या संस्था आंतरिक्षातील या कचर्‍यावर नजर ठेवून असतात. या तुकड्यांचे आकार, त्यांचा मार्ग आणि गती यांची नोंद ठेवली जाते. इतर देशांच्या स्पेस एजन्सीजदेखील यावर नजर ठेवून असतात. या संस्थांच्या संपर्कात असतात. जगभरातल्या १३ राष्ट्रांनी एकत्र येऊन Inter-Agency Space Debris Coordination committee स्थापन केली आहे.

Simulation of Space Junk based on available data

१९५९मध्ये United Nations (UN)ने COPUOS (Committee on the Peaceful Uses of Outer space) कमिटी स्थापन केली. ही कमिटी अवकाश संशोधनाचे नियम ठरवते. २००८मध्ये अवकाशातील कचरा कमी करण्यासाठी त्यांनी नवीन नियम सादर केले आहेत. त्यांना “Space Debris Mitigation Guidelines” असं संबोधलं जातं. या नियमावलीमध्ये ७७ राष्ट्रांचा सहभाग आहे. (हे नियम ऐच्छिक आहेत)
जगभरातील शास्त्रज्ञ या कचर्‍याची विल्हेवाट लावण्यासाठी सुसज्ज झाले आहेत. विविध उपाययोजना करत आहेत. कृत्रिम उपग्रहमध्ये कार्यप्रणाली तयार करायची की गरज संपल्यावर, उपग्रह पृथ्वीवर परत आणता येईल. तसंच, बंद पडलेल्या निरुपयोगी कृत्रिम उपग्रहांना रॉकेटच्या साहाय्याने धक्का मारून पृथ्वीच्या वातावरण कक्षेत आणता येईल. उपग्रह वातावरण कक्षेत आला की गुरुत्वाकर्षणामुळे खेचला जाऊन नष्ट होईल. रशियन स्पेस एजन्सी अशाच एका 'लिक्विडेटर' या रॉकेटवर काम करीत आहे.

जपानी शास्त्रज्ञांनी कचरा साफ करण्यासाठी 'electrodynamic tether'चा शोध लावलाय. विद्युत लहरींच्या साहाय्याने अतिप्रचंड वेगाने फिरणार्‍या कचर्‍याचा वेग कमी केला जाईल. वेग कमी झालेले हे तुकडे पृथ्वीच्या वातावरण कक्षेत येऊन जळून जातील. 'Capture mechanisms' वापरून ब्रिटिश शास्त्रज्ञ अवकाशात फिरत असलेले छोटे तुकडे, खिळे, रंगाचे पापुद्रे पकडून गोळा करण्याच्या प्रयत्नात आहेत. या कार्यक्रमाला e.DeOrbit mission असं नाव देण्यात आलंय. अमेरिकेत दोन अभियंत्यांनी मिळून TAMU Sweeper या यंत्राचा शोध लावलाय. या यंत्राचे दोन लांब हात अवकाशातील कचरा, तुकडे गोळा करून पृथ्वीच्या वातावरणाच्या दिशेने ढकलतील.

जगभरातून अनेक शास्त्रज्ञ, तंत्रज्ञ, संस्था यावर काम करीत आहेत. परंतु हा कचरा साफ करणं अशक्य नसलं तरी फार कठीण आहे. तसंच खर्चीकही. हवामान खातं असो वा विमान कंपनी, मोबाईल फोन्स, जी.पी.एस, मोठमोठी जहा़जं, रेल्वे... आपल्याला माहीतही नसतं, अनेकदा लक्षातही येत नाही, पण आपलं आयुष्य या कृत्रिम उपग्रहांनी किती व्यापलं आहे ते. हे कृत्रिम उपग्रह रोजच्या आयुष्याचा एक भाग आहेत. दैनंदिन आयुष्य सुखकर बनवण्याबरोबरच हे उपग्रह आपलं रक्षणंही करीत असतात. या कृत्रिम उपग्रहांशिवाय जगणं मुश्कील आहे. परंतु त्यासाठी मोठी किंमत मोजावी लागतेय. पृथ्वीवरचा कचरा नष्ट करण्याचे अनेक मार्ग आपल्याला माहीत आहेत, ते आपल्या हातात आहेत. पाव शतकापूर्वी केस्सलरने वर्तवलेली भविष्यवाणी खरी ठरत आहे. जग एकीकडे दहशतवाद, ग्लोबल वॉर्मिंग, भूकबळी अशा अनेक संकटांचा सामना करीत असताना वर अवकाशात वेगळीच समस्या आकार घेतेय, दिवसेनदिवस वाढतेय. पृथ्वीवर नष्ट झालेल्या अनेक वास्तू पुन्हा निर्माण करता येतील, परंतु पृथ्वी (सध्यातरी) एकच आहे!

(लेखात वापरलेली सर्व चित्रे अंतरजालावरून घेतलेली आहेत व प्रताधिकारमुक्त आहेत.)

संदर्भ -
(१) Space Junk - The Danger of Polluting Earth's Orbit by Karen Romano Young
(२) Space junk: Pollution beyond the earth by Judy Donnelly
(३) The Trouble with Space Junk (2015) : Horizon - BBC Documentry
(४) Space Junk (२०१२) - Melissa R. Butts
(५) ह्युस्टन, टेक्सास येथील स्पेस सेंटरला दिलेल्या भेटीतून मिळालेली माहिती.
(६) Space Junk: Traffic Cops in Space
(७) Iridium 33 and Cosmos 2251 Collision Simulation