Неземная уборка

— Эй, куда вы тащите это кресло?

— О, я больше не нуждаюсь в его услугах. Поэтому мы провожаем его к месту, где большая клешня сможет найти его и отвезти в волшебные мусорные земли!

«Обычный мультик»

Околоземные обитатели

4 октября 1957 года в околоземном пространстве появился первый космический мусор — ракета-носитель космического аппарата «Спутник-1». С тех пор, после запуска первого искусственного спутника Земли, прошло 64 года. За это время на орбиту были запущены десятки тысяч спутников, обеспечивших нас навигацией и связью. Теперь спутники образуют на небе новые созвездия. Но куда пропадают космические аппараты по завершении их миссии? А также ступени ракет-носителей, разгонные блоки, фрагменты, образующиеся при распаде и столкновениях? Все это мы будем называть техногенным космическим мусором. 

Между тем и до начала эры освоения космоса околоземное пространство не было стерильным: порядка 20 тыс. тонн метеороидов ежегодно входит в атмосферу Земли. Такие объекты, называемые космическим мусором естественного происхождения, пронизывают околоземное пространство, а затем либо покидают его, либо сгорают в атмосфере. И только некоторые из них достигают поверхности Земли. Падение подобных тел на землю может представлять серьезную опасность для человечества.

 

Мусор всех сортов

Более 40% всего техногенного космического мусора — последствия разрушения крупных объектов на околоземных орбитах. При этом, в отличие от космического мусора естественного происхождения, эти объекты надолго сохраняются в околоземном пространстве и угрожают столкновением с действующими космическими аппаратами. 

Все космические объекты в зависимости от их размера делятся на классы: с 1-го (от 0,1 до 0,25 см) по 8-й (более 20 см). 

На сегодня защитные оболочки космических аппаратов способны обеспечить защиту лишь от космического мусора первого класса. 

Алексей Васюков, сотрудник кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ:

Реально сейчас защитные экраны проектируют из расчета на частицу из алюминия диаметром около 1 см на скорости 7–15 км/c. Это вполне реалистичная оценка того, что может прилететь на орбите. Все, что крупнее, — совершенно за гранью того, что можно надежно остановить на современных технологиях. 

В зависимости от размера космического мусора возможны различные последствия столкновений с действующими космическими аппаратами — начиная с серьезных повреждений и заканчивая полным уничтожением. Сейчас в околоземном пространстве насчитывается около 130 млн единиц мелкого космического мусора (1–3 классы), 1 млн среднего (4–6 классы) и 40 тыс. крупного (8 класс). Соответственно, количество объектов, способных вывести космический аппарат из строя, достигает сотен тысяч, а способных нанести серьезные повреждения — миллионов. От столкновений космических объектов каждый год образуется более 30 млн фрагментов первого класса, и только 10% из них сгорает в атмосфере. 

Среднее число взаимных столкновений также зависит от размеров космических объектов: например, количество столкновений мелких космических объектов  в тысячи раз превосходит этот показатель для крупных. И хотя повреждений, наносимых объектами 1–3 классов, возможно избежать применением защитных экранов, не стоит недооценивать этих «малышей». Дело в том, что крупные объекты отслеживаются в системе контроля космического пространства, где особое внимание уделяется области низких орбит (особенно солнечно-синхронных), геостационарным орбитам и орбитам навигационных космических аппаратов. Непрерывное наблюдение позволяет предвидеть опасные сближения с действующими космическими аппаратами и успешно проводить маневры уклонения. Однако с мелкими объектами дело обстоит иначе: мониторинг потоков таких объектов затруднен, и в основном отслеживаются потоки на высотах до 600 км. Отслеживание же отдельных объектов и вовсе невозможно, как и  расчет маневров уклонения. Между тем столкновение с мелким космическим мусором может не только повредить чувствительные поверхности таких приборов, как солнечные панели, уголковые отражатели или детекторы столкновений, но и вывести космический аппарат из строя.

 

Космические пробки

Количество объектов космического мусора стремительно растет, что подтверждается многолетними наблюдениями. По данным открытых источников SSA (Space Situational Awareness) и других международных организаций, на текущий момент в околоземном пространстве находятся более 29 тыс «мертвых» космических аппаратов и выполнивших свою миссию верхних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков. Над нашими головами каждую секунду пролетает несколько тысяч тонн металлолома. 

Отметим, что космический мусор на низких орбитах за счет трения о воздух снижается и сгорает в нижних слоях атмосферы. Даже МКС, летящая на высоте 400 км, ежедневно теряет в высоте по 100 м. Однако время схода для орбит различных высот сильно отличается: например, если высота орбиты 200 км, то это считанные дни или недели, 600 км — уже несколько лет, а для высот более 800 км этот показатель может достигать веков. 

© NASA/ODPO Рост массы космического мусора и Динамика засорения околоземного пространства

Такой космический мусор может десятилетиями сталкиваться друг с другом, порождая лавинообразный эффект. Это явление называется синдромом Кесслера. Согласно теории, при превышении некоторого критического количества космического мусора его неконтролируемое саморазмножение, даже если прекратить любые запуски, приведет к невозможности дальнейших космических полетов. 

Но это чересчур пессимистичный прогноз. Специалисты считают, что такой сценарий не приведет к столь печальным последствиям, а лишь повысит сложность и стоимость планирования будущих миссий из-за необходимости постоянных маневров для уклонения от скопившегося мусора. С точки зрения теории управления такая задача будет равна по сложности маневрированию беспилотным автомобилем в московских пробках.

 

Околоземный клининг

В 2020 году в околоземном пространстве появилось рекордное количество новых спутников: их число составило 1263. «Сейчас мы переходим к более опасной фазе использования околоземного космического пространства в связи с появлением малых спутников, количество которых на орбитах растет со страшной силой. Особую роль здесь играют спутники, обеспечивающие широкополосный доступ в Интернет. Это такие спутниковые системы, как Starlink, OneWeb. И если спутники на орбитах ниже 700–600 км по окончании срока службы могут быть сведены в атмосферу, то на высоких орбитах эта задача представляет немалые трудности», — говорит Натан Эйсмонт, ведущий научный сотрудник ИКИ РАН. 

Раньше основной составляющей техногенного космического мусора были ракеты-носители. Сейчас же запуски проектируются так, чтобы последняя ступень не входила в околоземное пространство, оставаясь там неуправляемой космической миной, а сгорала в атмосфере. Конечно, подобные меры улучшили ситуацию. Однако космические аппараты не обладают бесконечным сроком годности и по выполнении миссии так или иначе становятся мусором. При этом их распределение по орбитам разных высот неравномерно — соответственно, не существует универсального способа решения проблемы утилизации. 

На данный момент разделяют пассивные и активные методы решения проблемы. Пассивные предполагают повторное применение отдельных составных частей ракет-носителей. Активные же требуют изменения орбит или разрушения потенциально опасных объектов космического мусора. 

К активным методам можно отнести перевод завершивших свою миссию аппаратов на орбиты захоронения. Однако при этом увеличивается вероятность столкновений объектов космического мусора в областях захоронения. Это означает, что данный метод нельзя считать идеальным способом борьбы с засорением. Кроме того, не следует исключать возможность взрывов космических объектов из-за остатков топлива на борту. И в том, и в другом случае следствием может стать образование многочисленных осколков, способных встать на пути действующих спутников. 

Для объектов космического мусора на высотах до 800 км применяются методы схода на более низкую орбиту, чтобы в дальнейшем этот объект сгорел при входе в атмосферу. Для низких околоземных орбит — от 900 до 1500 км — существует возможность удаления крупного космического мусора на орбиты увода с ограниченным сроком существования. 

Следует отметить, что все активные методы, предполагающие изменение орбит, требуют решения весьма сложных задач — из-за необходимости учитывать существование действующих космических аппаратов и орбит захоронения аппаратов с ядерными энергоустановками. 

Рассматриваются также идеи  создания специальных космических аппаратов для утилизации космического мусора. Но и здесь есть проблемы. Во-первых, из-за неравномерного распределения мусора по орбитам необходимо создание целой космической группировки аппаратов такого типа. Во-вторых, необходимо точное определение орбитальной области осуществления таких операций для снижения вероятности  уничтожения действующих космических аппаратов. В-третьих, в связи с различными рисками такая космическая группировка требует постоянного наблюдения и управления, для чего необходима устойчивая связь. В противном случае, эти аппараты утилизации сами рискуют стать объектами космического мусора и не оправдать затраты на их разработку. 

От астероидов к мусору

Ученые сейчас изучают возможность использования удаленного ядерного взрыва для предотвращения столкновения опасных астероидов с Землей. «Существует два возможных варианта стратегии предотвращения столкновения. Стратегия разрушения заключается в применении контактного ядерного заряда для фрагментации астероида на мелкие осколки, которые либо сгорают в атмосфере Земли, либо вообще пролетают мимо нее. В другом варианте предусматривается изменение траектории движения астероида при помощи удаленного ядерного взрыва. Второй вариант имеет как положительные, так и отрицательные перспективы. К положительным относится сохранение целостности астероида, что не вызывает необходимости в дальнейшем отслеживать траектории его больших осколков, падение которых на Землю может вызвать значительные разрушения. К отрицательным следует отнести то, что воздействие заряда будет относительно слабым по сравнению с контактным взрывом. С учетом скорости движения астероида по его орбите порядка 10–40 км/сек запуск носителя ядерного заряда должен быть осуществлен задолго до предполагаемого момента столкновения», — объясняет доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Юфа. 

Возможно, в будущем подобные технологии можно будет применять для удаления техногенного космического мусора или хотя бы изменения его орбиты.

Владимир Юфа, доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ:

С помощью лазерной абляции — испарения вещества с облучаемой поверхности — можно сообщить мусорному объекту некоторый импульс и вызвать его направленное движение. Это годится для изменения орбиты и дальнейшего сжигания объекта в атмосфере. Но для уничтожения объекта в космосе необходим лазер с колоссальным ресурсом и запасом энергии. Выведение такого устройства в космическое пространство будет весьма непростой и дорогостоящей задачей. Понятно, что одного такого устройства не хватит: необходима целая группировка на разных орбитах и в разных точках пространства. Думаю, это задача — на ближайшие 10–20 лет. 

Подводя итоги, в первую очередь следует делать упор на разработку правил, ограничивающих дальнейшее загрязнение околоземного пространства. Его разумное использование позволит предотвратить катастрофическое засорение и дать надежду на дальнейшее освоение космоса человеком.

Натан Эйсмонт, ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН:

Конечно, все космические аппараты снабжены двигателями, а значит, по истечении срока службы могут быть сведены в атмосферу. И хотя надежность космических аппаратов сейчас сильно выросла, отказы все равно неизбежны. Получается, что на орбите высотой более 800 км космический аппарат, у которого по какой-то причине отказали системы и двигатели уже не могут быть включены, становится неуправляемым космическим мусором. Объемы этого мусора  растут с каждым годом огромными темпами. Согласно действующим в настоящее время правилам, космический аппарат, прекративший свою работу, должен оставаться в космосе не более 12 лет. То есть его орбита должна быть спланирована таким образом, чтобы даже при полном выходе спутника из строя он сошел с орбиты в течение этого срока. Хороший пример соблюдения этого правила — астрофизическая обсерватория «Интеграл», выведенная на орбиту с помощью российской ракеты-носителя «Протон». Именно к ней впервые было применено планирование операций, предвосхищающих возможные события полного отказа систем (то есть когда аппарат станет космическим мусором весом в четыре тонны). В результате обсерватория была выведена на промежуточную высокоэллиптическую орбиту, благодаря чему время существования аппарата на ней оказалось гораздо больше требуемых 5,5 лет и составило более 30 лет. По истечении этого срока будет проведен запланированный управляемый сход аппарата с орбиты. Однако работы такого типа требуют значительных ресурсов: не только материальных, но и человеческих. Получается, что убирать космический мусор стоит намного дороже, чем его создавать.