Полетал – убери за собой: чем грозит проблема орбитального мусора — zod-al.ru

15

©Shutterstock/FOTODOM

Тема космического мусора, долгие годы обсуждавшаяся в узком кругу отраслевого сообщества, близка к тому, чтобы стать причиной международного скандала. Испытания Россией ракеты противоспутниковой обороны, проведенные в ноябре, создали облако летающих на высокой скорости обломков, что, по мнению западных экспертов, может представлять угрозу для МКС и китайской станции «Тяньгун». Также они якобы повышают вероятность «синдрома Кесслера» – нарастающей череды столкновений спутников, из-за которых околоземное пространство станет практически непригодным для использования. И хотя такой сценарий эксперты «Профиля» оценивают как далекий от реальности, можно констатировать, что за 60 лет космической деятельности человек успел изрядно «наследить».

    Откуда берется космический мусор. Как растут темпы его накопления
    Насколько опасен космический мусор. Есть ли угроза для МКС
    Чем чреваты испытания ракет противоспутниковой обороны
    Можно ли убрать накопившийся на орбите мусор. Плюсы и минусы технологий
    Как предотвратить дальнейшее загрязнение космоса. Способы модернизации спутников
    Почему проблема не решается. Отсутствие согласованной международной политики
    Может ли орбитальный мусор поставить крест на полетах человека в космос
    Бонус. Мешают ли спутники астрономам

Что с этим делать, непонятно: предлагаемые технологии борьбы с орбитальным мусором сложны и дороги в использовании, а регуляторной основы, которая сподвигла бы участников индустрии на «космический субботник», не наблюдается. Дальше, по всей видимости, будет только хуже, учитывая планы SpaceX и других компаний по выводу многотысячных спутниковых группировок.

Откуда берется космический мусор. Как растут темпы его накопления

Спутники недолговечны: рано или поздно у них кончается топливо, деградируют солнечные панели, электроника выходит из строя из-за радиации. Лишь четверть вращающихся на орбите спутников являются действующими (около 4100 по состоянию на июль 2021 года). Аппарат, с которым утеряна связь, и отколовшиеся от него компоненты становятся космическим мусором. Еще один источник мусора – отработавшие ступени ракет.

Мониторингом этого «культурного слоя» занимаются в НАСА, «Роскосмосе» и других космических агентствах. Обломки каталогизируют, пытаясь рассчитать период их вращения и спрогнозировать сближение с орбитальными станциями. Система предупреждения «Роскосмоса» (АСПОС ОКП) насчитывает 36 телескопов, расположенных в России, Армении и Бразилии. К 2025 году количество телескопов планируется довести до 65.

По данным НАСА, на земной орбите насчитывается более 21 тысячи предметов диаметром более десяти сантиметров. За последние 15 лет это число выросло вдвое. Общая масса обломков составляет около 9300 тонн.

Какая страна захламила космос сильнее? На этот счет точной статистики нет, ведь летающие фрагменты довольно трудно идентифицировать. Но трех лидеров можно назвать с уверенностью: США, Россия, Китай.

Важнее то, что здесь идет речь только о каталогизированных объектах. Но есть еще и мелкие частицы, которые никак не отслеживаются с Земли. Их объем можно лишь рассчитать с помощью математических моделей. Так, по  Европейского космического агентства, предметов размером больше 1 см на орбите 900 тысяч. По российской версии, таких фрагментов . А если взять в расчет антропогенные «пылинки» размером от 1 мм, общая цифра возрастает на несколько порядков – до  частиц.

В некоторой мере можно надеяться на самоочищение орбиты. Земная атмосфера, хотя и в крайне разреженном состоянии, сохраняется на высоте до 1000 километров и более, оказывая влияние на курс космических аппаратов. С помощью двигателя они поддерживают скорость движения по орбите, если же мотор заглох, спускаются все ниже и наконец сгорают в плотных слоях атмосферы. По этой причине старые спутники периодически исключают из каталогов (примерно по 200–300 аппаратов за десятилетие).

Но все зависит от исходной орбиты: если на высоте 500–600 км спутник может существовать десятилетиями, то на высоте 700–1000 км – столетиями. Логично, что именно туда стремятся запустить свои аппараты многие космические компании – так можно сэкономить на топливе, которым заправляют спутник. А некоторые спутники имеют (или приобретают со временем) эллиптическую орбиту – на них воздействие атмосферы еще слабее. Например, запущенный в 1958 году спутник Vanguard в самой близкой к Земле точке находится на высоте 654 километра и, согласно результатам моделирования, будет летать еще 2000 лет.

Спутник Vanguard, 1958 год

PJF Military Collection/Vostock Photo

Насколько опасен космический мусор. Есть ли угроза для МКС

Космический мусор движется по орбите со скоростью 28 тыс. км/ч – в 10 раз быстрее стартовой скорости пули. Мешает ли он работающим аппаратам? Для ответа на этот вопрос можно вспомнить американскую экспедицию 2009 года, целью которой был ремонт орбитального телескопа «Хаббл». Астронавты заменили у него радиатор системы охлаждения, а затем на Земле изучили снятую деталь площадью 2 кв. м, отработавшую в космосе 16 лет, – на ней оказалось 685 выбоин от попадания мусорных фрагментов.

Главную угрозу обломки создают крупнейшему объекту на орбите – Международной космической станции. Ее экипаж все чаще вынужден совершать маневры уклонения, чтобы разминуться с приближающимися глыбами. В апреле 2019 года сообщалось, что за 20 лет работы МКС таких маневров  25, максимальное сближение с мусором составило 720 метров. В 2020-м  совершить три аварийных маневра. В июне этого года фрагмент мусора врезался в роботизированную руку МКС Canadarm2 и повредил ее.

Можно выделить три фактора, заставляющих беспокоиться за будущую судьбу станции. Во-первых, растущая плотность спутниковых группировок: так, компания SpaceX планирует довести численность констелляции интернет-спутников Starlink до 42 тысяч. Во-вторых, любое столкновение спутников чревато формированием крупного облака фрагментов, которые затем рассредоточиваются по орбите. Пока случилась лишь одна подобная авария: в 2009 году столкнулись американский Iridium 33 и российский «Космос-2251», итог – 1150 крупнокалиберных обломков. Такие события стремятся предотвращать с Земли, совершая те же маневры уклонения, но в том случае оба аппарата были неуправляемы.

Чем чреваты испытания ракет противоспутниковой обороны

В-третьих, есть фактор противоспутниковой обороны. Даже испытания соответствующих ракет, не говоря уже о гипотетическом военном столкновении, несут существенную угрозу. Государства стремятся сбивать низкие цели, чтобы они быстро сошли с орбиты. К примеру, США в 2008 году уничтожили свой спутник USA-193, который не вышел на расчетную орбиту, застряв на высоте 247 км (в противном случае он упал бы в океан с 454 кг токсичного топлива на борту). А Индия в 2019 году взорвала свой спутник на высоте 300 км.

Проблемы возникают, когда атака нацелена на более высокую орбиту. Так, Китай в 2007-м разрушил метеоспутник Fengyun-1C, летавший на высоте 865 км. Сначала было зарегистрировано около тысячи обломков, но со временем они распадаются на составные части, и в 2016-м их насчитывалось уже 3438 штук. Не далее как 11 ноября этого года орбиту МКС пришлось поднять на 1200 метров, чтобы спастись от куска Fengyun-1C.

А спустя несколько дней Россия провела испытания противоспутниковой ракеты, сбив спутник «Космос-1408» на высоте 485 км. По  космических войск США, образовалось 1,5 тыс. обломков каталожного размера и еще «сотни тысяч» частиц, за которыми невозможно уследить. Компания LeoLabs, занимающаяся отслеживанием космического мусора, , что за счет эллиптических орбит фрагменты «Космоса-1408» будут бороздить высоты от 400 до 600 км. Высота орбиты МКС – 400 км, китайской станции «Тяньгун» – 425 км.

Госсекретарь США Энтони Блинкен назвал случившееся «безответственным актом», глава НАСА Билл Нельсон – «безрассудными и опасными» действиями. «С ее долгой и легендарной историей пилотируемых космических полетов немыслимо, чтобы Россия подвергала опасности не только иностранных партнеров на МКС, но и своих собственных космонавтов», – добавил Нельсон.

«Для нас главным приоритетом было и остается обеспечение безусловной безопасности экипажа», –  в «Роскосмосе». Впрочем, едва ли решение об испытаниях космического оружия принималось в госкорпорации.

«В течение нескольких лет, пока будут падать обломки «Космоса-1408», опасность для МКС будет высокой, – комментирует «Профилю» сооснователь компании Orbital Express Виталий Егоров. – К счастью, сейчас солнечная активность растет, благодаря этому атмосфера набухает и эффективнее тормозит космический мусор на низких орбитах. Но в ближайшие три года сигнализация на МКС и рейды космонавтов с рабочего места до склада со скафандрами, а потом в корабль «Союз» или Crew Dragon для экстренной эвакуации будут постоянными. Что явно не упростит им жизнь».

Можно ли убрать накопившийся на орбите мусор. Плюсы и минусы технологий

Что делать в сложившейся ситуации? Срочно зачищать космос, считают разработчики технологий активного удаления мусора (active debris removal). Часть предлагаемых методов сводится к тому, чтобы зацепить нужный фрагмент и свести его с орбиты. Так, в 2018–2019 годах был проведен экспериментальный запуск аппарата RemoveDEBRIS от британской компании SSTL. Он справился с задачей: сблизился с обломком, выстрелил по нему гарпуном и захватил «в плен» (этот космический экшн был запечатлен на бортовую камеру,  доступно в сети).

Сегодня технологии активного удаления орбитального мусора (active debris removal) выглядят слишком сложными для реализации

David Ducros/ESA

Японская компания Astroscale сделала ставку на магнитный захват (magnetic capture): сейчас в космосе тестируется ее спутник ELSA-d, уже подтвердивший способность манипулировать мусорными фрагментами. На 2023 год намечен запуск аппарата ADRAS-J для захвата крупных обломков, его первой задачей будет свести ступень японской ракеты.

А в Университете Пердью (США) разработали буксир с парусом Spinnaker3, который, соединившись с искомым объектом, начинает активно его тормозить и способствовать снижению. Увы, ракета, которая должна была вывести Spinnaker3 на орбиту в сентябре этого года, не достигла цели.

Минус таких методов в том, что аппарат-уборщик получается одноразовым: вместе с «жертвой» он тоже опускается в плотные слои атмосферы и неминуемо сгорает.

Другая ветвь разработок заключается в том, чтобы стрелять по космическому мусору лазерными лучами (с этим  ученые из Инженерного университета ВВС Китая) или из ионных пушек ( из Королевского технологического института Швеции). Таким образом удастся разбить крупный обломок на множество мелких. Возможно, «артиллерийский» метод способен предотвратить аварию, если не остается других вариантов, но он не отвечает на вопрос, что делать с новообразовавшимися объектами. Да и в целом непонятно, как противостоять мелким частицам космического мусора.

«Можно ловить спутники сетью, отправлять на охоту за ними другие спутники, распылять облако газа, чтобы оно тормозило летящий фрагмент, – говорит Виталий Егоров. – Но надо понимать, что и сеть, и цистерна с газом – это тоже потенциальный мусор, то есть мы только преумножаем проблему. Реально на сегодняшний день эффективных идей по очистке орбиты нет».

Как предотвратить дальнейшее загрязнение космоса. Способы модернизации спутников

Большинство специалистов сходятся на том, что единственное разумное решение – постараться хотя бы не увеличивать существующее облако мусора. Для этого отправляемые аппараты следует снабжать системами по сведению с орбиты (deorbiting) по окончании срока службы. Это может быть наэлектризованный трос, взаимодействующий с магнитным полем Земли, надувной баллон или расправляющийся парус, увеличивающие площадь спутника, а вместе с ней силу сопротивления атмосферы. Словом, все, что может дать тормозной импульс и направить аппарат к Земле.

Можно также сделать это за счет работы двигателя на остатках топлива. В этом году такой тест провела компания D-Orbit: ее спутник D3 в назначенный час благополучно взял курс на снижение и сгорел. Стартап Aurora Propulsion Technologies до конца года собирается вывести на орбиту аппарат AuroraSat-1, где для этой же цели будет использован двигатель на водяной плазме.

Еще одна любопытная стратегия – разработать новые материалы для корпуса спутников, которые позволят утилизировать их наиболее безопасным способом (то есть без остатка). Так, Европейское космическое агентство разработало первый в истории деревянный спутник Woodsat, который должны запустить в первой половине 2022 года. А российские ученые в прошлом году  саморазлагающийся спутник. Он покрыт особой пленкой, которую можно расплавить по команде с Земли, из-за чего аппарат буквально испарится.

Все эти способы пригодны для низкоорбитальных спутников. Но в 36 тыс. км над Землей еще есть геостационарная орбита, на которой «висят» мощные телекоммуникационные спутники (период их вращения составляет ровно 24 часа, таким образом, для наблюдателя с Земли они всегда находятся в одной и той же точке неба). Для них обсуждается противоположный вариант – по завершении эксплуатации уходить на 100–200 км выше, на так называемую орбиту захоронения. Проблема в том, что в какой-то момент она окажется заполненной под завязку.

Эксперты видят будущее космической индустрии в создании спутников из унифицированных модулей, которые можно ремонтировать прямо на орбите: дозаправлять, менять детали, устанавливать новое ПО. Подвижки в этом направлении уже есть: в прошлом году сервисная станция MEV-1 от Northrop Grumman состыковалась со спутником Intelsat 901, который к тому моменту пять лет находился в «спячке». Успешный ремонт позволил его оживить, продлив срок службы еще на несколько лет.

«Сейчас эксплуатация спутников устроена крайне нерационально, – рассказывает футуролог, сооснователь венчурного фонда Orbita Capital Partners Евгений Кузнецов. – Представьте: вы едете на машине, у нее спустило колесо. Вы бросаете машину на обочине и идете покупать новую? Вряд ли. Но со спутниками поступают именно так! Маленькая поломка, и их бросают. Проблема в том, что сейчас ремонтировать невыгодно: тратится очень много топлива, а пока его можно доставить только с Земли. Вывод: сначала нужно научиться добывать топливо в космосе – подойдет вода, которая есть на Луне. Как только это произойдет, спутники превратятся в управляемую, постоянно модернизируемую инфраструктуру».

Следующий этап – переработка отслуживших спутников. Проекты в этом направлении есть у компании Nanoracks: она хочет собирать космический мусор и строить из него орбитальную жилплощадь под аренду. В следующем году созданный в Nanoracks робот-строитель отправится в космос, чтобы потренироваться в резке металлических деталей.

«Улавливание мусора с последующей переработкой явно перспективнее, чем просто палить по спутникам, – отмечает футуролог Кирилл Игнатьев. – На орбите летает множество ценных элементов, это миллиарды долларов, которые надо просто извлечь. И это обязательно сделают».

Почему проблема не решается. Отсутствие согласованной международной политики

Но если вернуться к реалиям сегодняшнего дня, остается вопрос, за чей счет финансировать экологические мероприятия на орбите. Компании, использующие спутниковые данные, едва ли станут добровольно тратиться на утилизацию аппаратов, отказавшись от части прибыли. Некоторые космические проекты при таком раскладе вовсе станут нерентабельными. «Парадокс: чистить орбиту уже надо, ситуация острая. Но если проинвестировать такие проекты сейчас, нужно будет ждать отдачу много лет», – сетует Евгений Кузнецов.

Четких инструкций в этой сфере пока нет – на уровне международных организаций выпущены только рекомендации, причем давно. В 2002 году комитет по космическому мусору, объединяющий национальные космические агентства,  удалять с орбиты по пять крупных объектов в год. А в 2010-м специальный комитет COPUOS в ООН , что по завершении работы спутник может оставаться на орбите не более 12 лет.

По словам главного редактора медиа «Pro Космос» Александра Баулина, эти документы ни к чему не обязывают: нет штрафных санкций, которые налагались бы на владельца спутника за их невыполнение.

«Боюсь, такое регулирование не появится, пока не пострадает МКС или какой-нибудь дорогой аппарат, – говорит Баулин. – У кого больше всего спутников? У США. Значит, им невыгодно поддерживать инициативы на эту тему, оплачивая общую безопасность и тормозя развитие своей программы».

«Все, что предложат Россия и Китай, США отвергают сразу, не читая, и наоборот, – развивает тему член-корреспондент Российской академии космонавтики им. Циолковского Андрей Ионин. – Тут подмешана политика, поэтому уже лет 30 тема обсуждается, а воз и ныне там. И с каждым годом возрастает регуляторный разрыв. Должна быть введена сертификация спутников на наличие систем схода с орбиты или утилизационный сбор, как на автомобили. Пока этого нет, поэтому SpaceX и торопится запустить свои 42 тысячи «старлинков». Это как самокаты в Москве: маржа есть, а регулирования нет. Поэтому и проходу от них нет».

Может ли орбитальный мусор поставить крест на полетах человека в космос

В 1978 году аналитики НАСА Дональд Кесслер и Бертон Кур-Пале опубликовали статью, в которой спрогнозировали, что столкновения между неуправляемыми частями спутников будут происходить все чаще. В итоге произойдет лавинообразное накопление обломков, на орбите Земли сформируется «мусорный пояс» (debris belt), похожий на кольца Сатурна, и дальнейшие исследования космоса станут невозможны. Этот сценарий получил название «синдром Кесслера».

Его на разные лады обыгрывали в научной фантастике, причем впервые это произошло до статьи американских ученых. В 1964 году писатель Станислав Лем опубликовал рассказ «Спасем космос», герой которого сетовал на «слабеющий блеск обеих звезд Центавра». «А как же ему не слабеть, если вся окрестность забита мусором!» – восклицал рассказчик. Правда, в той истории кольцо состояло из пивных и лимонадных бутылок, консервных банок и старых газет.

Позже кольцо мусора вокруг Земли было визуализировано в мультфильме «ВАЛЛ-И» (2008 год). А в фильме «Гравитация» 2013 года довольно реалистично показана цепная реакция столкновений орбитальных аппаратов.

Может ли подобная катастрофа случиться в реальности? «На мой взгляд, нет, – отвечает Андрей Ионин. – Она используется как фигура речи, чтобы подчеркнуть опасность. Но как только будет достигнута критическая масса проблем, страны начнут сотрудничать по этому вопросу. Ведь даже в годы холодной войны СССР и США договаривались о нераспространении ядерного оружия».

«Меньше всего по поводу мусора беспокоятся те, кто его создает, что характерно не только для космоса, – иронизирует Виталий Егоров. – Но в целом засорение орбиты и мешает только тем, кто является его виновниками, то есть субъектам космической отрасли. Да, есть тревога по поводу орбитальных станций, поскольку там присутствуют люди. Но в остальном спутники – это просто железки. Есть расчетный срок существования, окупаемость, страховые ставки. Да, ставки подрастут, но не настолько, чтобы отказываться от новых запусков».

Бонус. Мешают ли спутники астрономам

Отдельная проблема, связанная с освоением орбиты, – визуальные помехи наземным обсерваториям. В 2019 году на орбите заработали первые партии интернет-спутников Starlink, и астрономы забили тревогу: свет от них препятствует наблюдениям, оставляя яркие полосы на фотографиях.

Европейская южная обсерватория

Hernan Fernandez Retamal/Wikimedia Commons

Год назад вышло  Европейской южной обсерватории (ESO), где подробно расписаны риски для мировой астрономии. Во-первых, ярче всего «старлинки» виднеются на небосклоне несколько часов после заката, поскольку ловят боковой свет Солнца. Затем наступает глубокая ночь, и спутники «гаснут», больше не отражая солнечный свет. Правда, летом, особенно с телескопов, расположенных в высоких широтах, они могут оставаться видимыми почти всю ночь.

Во-вторых, имеет значение тип телескопа. Если он направлен на отдельно взятую звезду или другое небесное тело, спутник может помешать, только если он проходит прямо перед этим объектом. Другое дело – обзорные телескопы с широким полем зрения, которые за ночь должны составить полную карту звездного неба (на этой задаче, в частности, будет специализироваться строящаяся Обсерватория имени Веры Рубин в Чили). Здесь часть изображений будет неизбежно испорчена.

Кстати, SpaceX всячески выражает готовность к сотрудничеству с астрономами: то покрывает новые спутники светопоглощающими материалами, то снабжает их «зонтиками от Солнца».

«Теоретически проблема со Starlink решаема, – уверяет Виталий Егоров. – Например, можно создать нейросеть для замазывания спутников на снимках – главное, научиться отличать их от звезд. Вот у кого будут проблемы, так это радиоастрономы. Интернет-спутники передают сигнал на Землю в радиодиапазоне, забивая собой эфир. Придется выводить радиотелескопы на орбиту или устанавливать на обратной стороне Луны. Но это уже не совсем тема космического мусора, так как здесь, наоборот, мешают работающие аппараты».

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий