Satelit Telkom-3 dan Kisah Planet Bercincin Besi

Selasa 7 Agustus 2012 seharusnya menjadi salah satu hari bersejarah bagi Indonesia. Di hari itu satelit telekomunikasi Telkom-3, yang dipersiapkan oleh ISS Reshetnev (Russia) bekerja sama dengan Thales Aleniaspace (Perancis) dengan biaya Rp 1,9 trilyun dan bakal dioperasikan oleh PT Telkom, siap meluncur ke orbit dari landasan peluncuran 81 di kompleks kosmodrom Baikonur yang legendaris. Direncanakan untuk menempati orbit geostasioner pada ketinggian 35.786 km di atas khatulistiwa pada garis bujur 118 BT di atas pulau Sulawesi, satelit Telkom-3 bakal bekerja selama 15 tahun penuh dengan mengandalkan 24 transponder C-band 36 MHz, 8 transponder C-band 54 MHz dan 6 transponder Ku-band 54 MHz. Satelit ini tak hanya mengemban rencana bisnis PT Telkom semata, namun juga berguna bagi kepentingan strategis Indonesia khususnya sebagai salah satu tulang punggung komunikasi militer, pemerintahan dan antar badan-badan usaha milik negara.

Apa lacur, semua rencana indah itu menguap seiring gagalnya satelit Telkom-3 menempati orbit yang dituju. Roket Proton-M memang bekerja baik sehingga mulus meluncur dari Baikonur pada Selasa dinihari waktu Indonesia tanpa masalah berarti. Roket tiga tingkat dengan tinggi total 53 meter, diameter terbesar 7,4 meter dan bobot total 713 ton yang adalah kuda beban Russia menuju antariksa bekerja dengan baik mengantarkan satelit Telkom-3 dan satelit Ekspress-MD2 yang menjadi tandemnya ke orbit sirkular setinggi 173 km dengan inklinasi 50 derajat. Masalah justru terjadi pada roket pedorong Briz-M Phase III upperstage, yang di luar dugaan tidak bekerja dengan semestinya.

Gambar 1. Roket Proton-M saat meluncur pada Selasa dinihari 7 Agustus 2012 waktu Indonesia dengan membawa satelit Telkom-3 dan Ekspress-MD2.
Sumber : Roscosmos, 2012

Gagal di Penyalaan Ketiga

Dengan posisi kosmodrom Baikonur di lintang tinggi (yakni di sekitar garis 50 LU), satelit Telkom-3 tidak bisa dikirim langsung ke orbit geostasioner kecuali melewati satu orbit parkir dan dua orbit transfer, masing-masing dengan inklinasi 50 derajat. Karena itu, setelah tingkat ketiga roket Proton-M menempatkan satelit Telkom-3 ke orbit parkir sirkular setinggi 173 km, dibutuhkan roket pendorong guna menempatkan satelit di orbit transfer pertama dan orbit transfer kedua. Dari orbit transfer kedua, satelit Telkom-3 masih harus melakukan manuver untuk menuju orbit geostasioner. Orbit transfer pertama dan kedua masing-masing berbentuk lonjong, dengan orbit transfer kedua adalah orbit transfer geosinkron karena memiliki apogee (titik terjauh dari Bumi) yang sama dengan ketinggian orbit geostasioner, meski berbeda inklinasinya.

Guna melakukan rangkaian manuver tersebut, satelit Telkom-3 dan Ekspress-MD2 bakal didorong roket Briz-M Phase II upperstage yang mengandung bahan bakar hipergolik berupa kombinasi dimetil hidrazin asimetrik-nitrogen tetroksida (DHA-N2O4), yang bakal menyala sendiri tatkala keduanya bersentuhan sehingga tidak memerlukan sistem pengapian. Di tanki utama saja tersedia 5,2 ton DHA-N2O4 sementara di tanki tambahan (auxilliary propellant tank/APT) terdapat 7 ton DHA-N2O4. Mesin roket Briz-M Phase III upperstage akan dinyalakan dan dimatikan secara beruntun selama lima kali berturut-turut, dengan total waktu penyalaan hingga 50 menit.

Faktanya, hanya dua tahap penyalaan yang berhasil dilakukan. Penyalaan pertama berjalan lancar, demikian halnya penyalaan kedua yang berlangsung pada 7 Agustus 2012 pukul 02:38 WIB selama 17 menit 55 detik. Seiring sukses ini, satelit Telkom-3 dan tandemnya lantas menempati orbit transfer pertama yang memiliki perigee 266 km dan apogee 5.014 km. Namun bencana datang dalam penyalaan tahap ketiga, yang bertugas menggeser satelit Telkom-3 dan tandemnya menuju orbit transfer kedua. Direncanakan menyala selama 18 menit 7 detik sejak pukul 06:00 WIB, faktanya mesin roket Briz-M hanya menyala 7 detik. Akibatnya satelit Telkom-3 dan tandemnya tidak beringsut jauh dari orbitnya semula. Investigasi memperlihatkan matinya mesin roket Briz-M secara mendadak ini merupakan persoalan fisis akibat mendadak tersumbatnya salah satu saluran bahan bakar seperti diperlihatkan oleh data tekanan yang mendadak anjlok.

Seiring kegagalan ini, sistem komputer di roket pendorong Briz-M Phase II upperstage pun secara otomatis memerintahkan pelepasan satelit Telkom-3 dan Ekspress-MD2 yang segera dipungkasi dengan dilepaskannya tanki tambahan. Maka keempat benda tersebut (satelit Telkom-3, satelit Ekspress-MD2, tanki tambahan dan roket Briz-M) pun melayang pada orbit yang hampir serupa, yakni orbit lonjong dengan perigee 267 km dan apogee 5.017 km pada inklinasi 49,9 derajat terhadap ekuator Bumi. Kegagalan ini mengulangi kejadian serupa tepat setahun silam, saat roket pendorong Briz-M juga bermasalah yang membuat satelit Ekspress-AM4 pun gagal menempati orbit geostasioner. Secara keseluruhan, dengan jumlah peluncuran hingga 377 kali sejak pertama kali diperkenalkan pada dekade 1960-an, roket Proton memiliki tingkat kegagalan akumulatif 11 % (parsial dan total). Khusus untuk varian roket Proton-M yang mulai beroperasi sejak 2001, tingkat kegagalan akumulatif itu mencapai 8 %.

Gambar 2.
Satelit Telkom-3 di Baikonur, sebelum dirakit dengan roket pendorong Briz-M.
Sumber : Khrunichev, 2012

Sampah Antariksa

Dengan menempati orbit lonjong pada perigee 267 km dan apogee 5.017 km, satelit Telkom-3 pada hakikatnya telah menjadi sampah antariksa meskipun ia telah membuka panel suryanya, mampu berkomunikasi dengan stasiun pengendali di Bumi dan seluruh instrumennya bekerja dengan sempurna.

Permasalahannya, meskipun satelit Telkom-3 mampu bekerja namun ia tidaklah berguna jika tidak menempati orbit geostasioner pada garis bujur 118 BT. Padahal guna menuju ke orbit geostasioner, satelit Telkom-3 membutuhkan dorongan mesin roket dengan jumlah bahan bakar minimal 4,3 ton berupa kombinasi DHA-N2O4. Sementara satelit Telkom-3, meskipun memiliki mesin roket dan bahan bakar internal sendiri, namun jumlahnya jauh lebih kecil sehingga takkan sanggup menuju ke orbit geostasioner.
Situasi serupa juga muncul jika satelit Telkom-3 hendak dialihkan menuju orbit rendah untuk kemudian dijatuhkan kembali ke Bumi secara terkendali. Sebuah satelit buatan akan jatuh saat menjumpai lapisan udara yang lebih tebal mulai dari ketinggian 122 km di atas permukaan Bumi. Guna menggeser satelit Telkom-3 ke ketinggian ini, dibutuhkan dorongan mesin roket dengan jumlah bahan bakar minimal 2,5 ton dalam bentuk kombinasi DHA-N2O4. Padahal satelit Telkom-3 juga tidak punya bahan bakar sebanyak itu, karena bobot totalnya saja hanya 1,9 ton.

Dalam situasi demikian, satelit Telkom-3 sudah sulit untuk melakukan manuver lagi kecuali menunggu saat-saat kejatuhannya ke Bumi. Karena orbitnya memiliki perigee cukup rendah, satelit Telkom-3 pada hakikatnya tetap mengalami gesekan dengan molekul-molekul udara khususnya saat berada di sekitar perigee-nya. Sehingga kecepatannya pun melambat yang berujung pada berubahnya profil orbit satelit, ditandai dengan penurunan perigee/apogee, perubahan eksentrisitas dan mengecilnya nilai ketinggian rata-rata. Perlambatan itu amat terasa seiring telah membukanya panel surya satelit sejak 11 Agustus 2012, sehingga luas penampang lintang satelit pun membesar dari 8,4 meter persegi menjadi 9,1 meter persegi seperti diperlihatkan oleh radar US Strategic Command. Sebagai akibatnya, ketinggian rata-rata satelit Telkom-3 pun merosot sebesar 0,5 km per hari. Ekstrapolasi dengan basis regresi linear menunjukkan satelit Telkom-3 bakal menyentuh ketinggian 122 km pada bulan Agustus 2026 mendatang. Namun simulasi dengan software SatEvo pada situasi Matahari aktif seperti saat ini memperlihatkan satelit Telkom-3 bisa saja jatuh dalam lima tahun ke depan.

Planet Bercincin Besi

Status sampah antariksa yang diemban satelit Telkom-3 menambah jumlah daftar benda-benda buatan manusia yang masih melayang-layang di angkasa dekat Bumi. Saat fajar abad antariksa bersemi seiring mengorbitnya Sputnik 1 pada 4 Oktober 1957, tak ada yang menyangka kalau era baru ini bakal membawa efek samping yang dramatis hanya dalam setengah abad kemudian. Kini tercatat lebih dari 16.000 keping sampah antariksa dengan ukuran lebih besar dari 10 cm, belum terhitung puluhan ribu keping lainnya yang lebih kecil. Bobot total keseluruhan sampah antariksa ini diperkirakan setara dengan 62.000 ton. Mereka melayang-layang pada ketinggian beragam, namun dalam hakikatnya terkonsentrasi di orbit rendah dan medium, sehingga seakan-akan membentuk sebuah cincin tersendiri yang mengelilingi Bumi. Karena itu tak berlebihan jika sampah antariksa menyebabkan Bumi menjadi planet kelima di tata surya yang memiliki sistem cincin, hanya saja berupa cincin artifisial (buatan manusia).

Sejak era Sputnik-1, manusia telah meluncurkan lebih dari 30.000 roket ke antariksa. 902 diantaranya mengirim muatan berupa satelit ke orbit, namun kini hanya sebagian kecil yang masih aktif. Sebagian besar satelit yang pernah diluncurkan telah menjadi sampah antariksa, dengan yang tertua adalah bangkai satelit Vanguard 1 (diluncurkan tahun 1958). Namun proporsi terbesar sampah antariksa dimiliki oleh bagian-bagian roket, khususnya tingkat ketiga, keempat atau kelima. Misalnya roket IUS (Inertial Upper Stage) yang berbahan bakar padat dan digunakan secara rutin dalam dalam peluncuran satelit dari pesawat ulang alik. Demikian pula roket PAM (Payload Assist Module) yang berbahan bakar cair dan merupakan upperstage dari roket Delta/Atlas maupun Ariane. Termasuk juga roket tingkat 3 yang terpaksa dihancurkan bersama muatannya akibat kegagalan sistemik. Sampah ini berupa mesin, tanki bahan bakar, tanki helium, pipa atau pecahannya serta serpihan-serpihan kulit dan cat. Peringkat kedua diduduki oleh sampah antariksa produk ujicoba sistem senjata antisatelit, baik dalam bentuk satelit yang dihancurkan oleh satelit penabrak maupun rudal. Eks Uni Soviet menyumbangkan saham terbesar terhadap sampah antariksa jenis ini, menyusul kemudian AS dan belakangan Cina.

Gambar 3.
Empat benda artifisial dalam orbit yang seharusnya ditempati roket pendorong Briz-M beserta kedua muatannya, berdasarkan observasi Kevin Fetter (Canada) pada 7 Agustus 2012. Observasi dan analisis lebih lanjut memperlihatkan, A = tanki bahan bakar tambahan, B = Ekspress-MD2, C = roket Briz-M, D = Telkom-3.
Sumber : Fetter, 2012.

Meski setiap keping sampah antariksa bakal meluruh dari orbitnya akibat gesekan dengan molekul-molekul udara disekitarnya di bawah pengaruh aktivitas Matahari dalam beberapa tahun hingga dekade ke depan, eksistensinya menjadikan antariksa kian berbahaya. Sebagai ilustrasi, 1 kg sampah antariksa yang melesat secepat 10 km/detik mampu meremukkan satelit/wahana antariksa seberat 1 ton yang sedang berada di orbitnya. Seiring kian tumbuhnya industri penerbangan antariksa ke depan, pertumbuhan sampah antariksa pun bakal kian membumbung tinggi. Ini menciptakan sindrom Kessler, saat penambahan sampah antariksa melampaui kemampuan alami atmosfer Bumi guna meluruhkannya sehingga jumlahnya kian lama kian meningkat.

Jika tak ada langkah signifikan dan rekayasa manusia, dalam seabad ke depan jumlah sampah antariksa bisa membengkak tak terkendali. Sebagai dampaknya penerbangan antariksa masa depan akan menghadapi resiko tabrakan dengan sampah antariksa yang kian meningkat. Dalam satu dekade ke depan, resiko itu akan meningkat 50 % sedangkan dalam setengah abad ke depan diduga bakal melonjak hingga empat kali lipat. Sekeping logam 10 cm, satu dari 1.000 keping seukuran lebih dari 10 cm yang dihasilkan dari tabrakan satelit Cosmos 2251 dan Iridium 33 pada 2009 silam, melesat dalam jarak yang tergolong berbahaya bagi ISS pada Januari 2012 lalu. Akibatnya roket modul Zvezda pun harus dinyalakan selama 54 detik guna mendorong ISS ke ketinggian obit rata-rata 391,4 km atau lebih tinggi 1,5 km dari semula. Penyalaan ini merupakan penyalaan tak terjadwal yang ke-13 sejak 1998 dan semuanya ditujukan guna menghindari kepingan sampah antariksa.

Peluruhan sampah antariksa pun mendatangkan masalah tersendiri seiring munculnya resiko jatuh di kawasan yang berpopulasi manusia. dalam setahun terakhir kita menyaksikan betapa problem sampah antariksa demikian terasa seiring jatuhnya sejumlah satelit besar. Diawali oleh UARS (Upper Atmospheric Research Satellite), satelit uzur yang berbobot 6,5 ton dan jatuh pada 23 September 2011 di Samudera Pasifik. Sebulan kemudian satelit uzur lainnya yakni ROSAT milik Jerman dengan bobot 2,4 ton menyusul jatuh, tepatnya pada 23 Oktober 2011 di kawasan hutan lebat Thailand utara. Menyusul kemudian Phobos-Grunt, wahana antariksa jumbo dengan bobot total 13,5 ton yang gagal terbang ke Mars akibat gangguan perangkat lunak dan menjadi  sampah antariksa terberat dalam satu dasawarsa terakhir setelah stasiun antariksa Mir, jatuh pada 15 Januari 2012 di Samudera Pasifik bagian timur. Harap dicatat, ketiganya jatuh tanpa bisa dikendalikan posisi kejatuhannya oleh stasiun-stasiun pengendali di Bumi seiring terbatasnya bahan bakar dan tiadanya mekanisme penggandeng untuk roket tambahan.