Грядущий кошмар синдрома Кесслера
Хэллоуин в год пандемии не пир во время чумы, но неизбежно имеет мрачноватый оттенок. А в космосе есть аналог зомби-апокалипсиса, пандемии или еще какого ужаса, в который кто-то из вас мог наряжаться в прошедшие выходные. Синдром Кесслера — это столкновения спутников с эффектом домино: объекты в космосе сталкиваются, порождают космический мусор, который сталкивается с новыми объектами и так по нарастающей. А по-настоящему страшно то, что это наше вполне реальное будущее.
Синдром Кесслера в представлении художника
Все будет плохо
Численное выражение технического прогресса, тот факт, что количество спутников увеличивается, имеет и свою темную сторону. Далеко не каждый аппарат в конце своего срока активного существования культурно уходит на специальную орбиту захоронения, чтобы никому не мешать. Далее, когда спутник отделяется от разгонного блока или последней ступени ракеты носителя, они оба находятся на целевой или переходной орбите, и не всякий разгонный блок затем уходит на свою орбиту захоронения. Особенности конструкции ракет также приводят к тому, что на один запущенный аппарат могут появиться несколько объектов космического мусора. В результате на 2020 год количество отслеживаемых объектов на орбите приблизилось к 21 тысяче.
Изображение NASA ODPO
И расчеты количества космического мусора пессимистичны — спутники и отработанные ступени иногда взрываются (точнее лопаются, когда какой-нибудь бак, в котором сохранилось давление, разрушается) и, пока еще редко, сталкиваются между собой. В зависимости от настроек модели, количество мусора, медленно или быстро, но растет. И важно отметить, что эти модели пока не учитывают развертывание огромных космических созвездий Starlink, OneWeb, Project Kuiper от Amazon и нескольких возможных китайских аналогов.
Расчеты NASA в модели LEGEND
Опасные перекрестки
При всей серьезности грозящей нам опасности увеличения количества космического мусора есть два светлых факта, которые наиболее наглядны как ошибки фильма «Гравитация». Во-первых, не стоит опасаться мгновенного взрывного роста количества космического мусора. Модели показывают постепенный рост числа столкновений спутников на орбите. По расчетам Европейского космического агентства серьезное столкновение объектов на орбите происходит с частотой примерно раз в пять лет. А делающая практически невозможным выведение новых спутников частота в пять столкновений в год ожидается примерно в 22 веке. Во-вторых, подобные столкновения не выбьют все спутники на всех орбитах, в космосе есть как еще сравнительно безопасные трассы, так и очень опасные перекрестки.
Концентрация спутников на определенных орбитах, источник
Низкая околоземная орбита. Ее главное преимущество в том, что, чем меньше высота орбиты, тем быстрее спутник затормозится об остатки атмосферы и сгорит в ее плотных слоях. Для высот до 600 км, в зависимости от площади и массы аппарата, срок может очень сильно разниться, но оценки Европейского космического агентства говорят, что за 25 лет любой мусор сгинет без всякого нашего участия.
Распределение объектов по орбите в модели MASTER Европейского космического агентства
Полярные и солнечно-синхронные орбиты. Орбиты с наклонением в районе 90° и высотой 800–1200 км сейчас являются самым опасным местом в космосе. Во-первых, туда уже успели запустить много спутников — эти орбиты очень удобны для наблюдения за Землей. Далее, орбиты пересекаются над полюсами, где опасность столкновения возрастает многократно, причем столкновение возможно под любым углом, включая лоб в лоб, когда высвободится максимум энергии, и обломки разбросает на самые разные траектории. И, наконец, здесь уже летает мусор от столкновения 2009 года, когда давно сломавшийся советский спутник «Космос-2251» и работающий «Иридиум-33» столкнулись на пересекающихся курсах и образовали 2296 заметных обломков. Собственно говоря, это столкновение и произошло в наиболее вероятном месте — в районе полюса на высоте 789 км. Созвездия спутников сделают это место еще опасней — OneWeb должен будет работать на полярной орбите высотой 1200 км, а в планах Starlink обозначены орбиты высотой 1100, 1325, 1130 и 1275 км, и компанию уже просили ограничиться только аппаратами на высоте 550 км.
Навигационные спутники на средних орбитах. Спутники ГЛОНАСС расположены в трех плоскостях на высоте 19400 км, GPS — 20180, «Бэйдоу» — 21500 и «Галилео» — 23222. Этого достаточно, чтобы сформировать заметные на графиках всплески плотности, но даже с учетом сломавшихся аппаратов вероятность столкновения здесь весьма мала — спутников еще не так много, а места пока хватает.
Геопереходные орбиты. Заметные на графиках всплески плотности дают геопереходные орбиты, на которых остаются последние или предпоследние ступени ракет, выводящих спутники на геостационарные орбиты. Разная требуемая характеристическая скорость (delta-V) дают аж три заметных группы — с Байконура, мыса Канаверал и Куру. Здесь нет живых аппаратов, только старый мусор, и пока что вероятность столкновения сравнительно невелика.
Объекты на орбите, изображение NASA
Геостационарная орбита. Очень удобная для работы спутников-ретрансляторов и метеорологических аппаратов, наблюдающих за целым полушарием, поэтому там сравнительно много спутников, а то, что она давно используется, означает, что и старого сломанного мусора там хватает. Силы, которые оказывают возмущающее воздействие на орбиту и требуют расхода топлива на ее поддержание, здесь в своеобразном смысле помогают «убрать мусор» — оставшиеся без топлива или сломавшиеся аппараты Луна постепенно утаскивает на орбиту с наклонением 15°, а небольшая асимметрия Земли размещает мусор в районе одной из двух равновесных точек. Но здесь встречаются объекты на орбите с высоким эксцентриситетом (вытянутые, не круговые), поэтому возможны столкновения с относительной скоростью до 4 км/с. Еще здесь есть своя орбита захоронения чуть выше, и все большая доля спутников доживает до исчерпания топлива, затрачивая его последние капли на цивилизованный уход на кладбище. Также уникальность геостационарной орбиты в том, что здесь реально может работать специальный спутник-мусорщик (который, например, на полярной орбите мог бы наводить порядок только в аппаратах, летающих в одной плоскости).
Борьба за чистоту
Как говорится, постановка и понимание проблемы — уже половина ее решения. Тот факт, что синдром Кесслера будет развиваться медленно означает, что человечество имеет шансы успеть с ним справиться. Это не будет легко — уже находящиеся в космосе объекты постепенно будут порождать все больше мусора сами по себе, и никто не согласится вводить мораторий на запуск новых спутников. Но и нерешаемой проблема не является — в последние годы появляются самые разные проекты уборки космического мусора — от парусов и тросовых систем до экстравагантных идей вроде сетей или переработки мусора в топливо для перелетов мусорщика. Стандартов и обязательных требований пока что нет, но можно надеяться, что уже в обозримом будущем аппараты начнут получать надежные системы, которые смогут сводить с орбиты даже сломавшиеся спутники., Победа над синдромом Кесслера будет одной из важных задач 21 века, которую человечество должно будет решить, если не захочет остаться без доступа в космос.
