Топливо из космического мусора
В научно-фантастическом триллере «Гравитация» (2013) американский астронавт оказывается в открытом космосе после разрушения корабля из-за того, что Россия взрывает ракетой спутник-шпион и создает быстро расширяющееся облако космического мусора. Иронично, но недавно этот сценарий повторился в реальности, когда Россия сбила старый советский спутник, в рамках испытаний противоспутниковой ракеты. Вероятность того, что обломки космического мусора могут пробить скафандр во время выхода в открытый космос, составляет обычно 1 к 2700, но российские испытания увеличили этот риск на 7%.
Космический мусор представляет опасность для активных спутников и космических кораблей. Предположительно, земная орбита станет непроходимой, когда риск столкновения будет слишком высоким. Сегодня, когда большая часть космического мусора каталогизирована, пока что особой проблемы с этим нет. Всеми мировыми космическими державами космическое пространство сканируется на наличие мусора, которого на низких орбитах много: неработающие спутники, разгонные блоки и обломки аппаратов. Быстро решить проблему космического мусора очень трудно из-за финансовых и политических проблем. Старые спутники, которые отслужили своё, должны либо введены в атмосферу Земли для утилизации на «кладбище космических кораблей» в Тихом океане, либо выведены на «орбиту захоронения», если аппарат находится далеко от Земли.
Учёные задались вопросом:, а почему бы не разработать космический аппарат, который будет утилизировать космический мусор непосредственно в космосе? И прототип такого аппарата существует. Идея создания аппарата для утилизации космического мусора основана на переработке космического мусора в топливо.
Не мусорить не получится
Космический мусор — это неработающие искусственные объекты на околоземной орбите, которые больше не выполняют полезной функции. К ним относятся нефункциональные космические аппараты и ступени ракет-носителей, а также их обломки, пятна краски, затвердевшие жидкости, выброшенные с космического корабля, и несгоревшие частицы из твердотопливных ракетных двигателей. НАСА заявила о 20 000 искусственных объектах на орбите над Землей, включая 2218 действующих спутников. По состоянию на январь 2019 года на орбите находилось 128 000 000 обломков размером менее 1 см, около 900 000 обломков размером 1–10 см и около 34 000 обломков размером более 10 см. К искусственному мусору следует добавить и метеороиды, находящиеся на околоземной орбите, которые могут группироваться с искусственным мусором и повышать риск столкновения. Это представляет опасность для космических кораблей: даже мельчайшие объекты вызывают повреждение, особенно у солнечных панелей, оптике телескопов и звездных трекеров, которые не могут быть легко защищены баллистическим щитом.
С годами земная орбита становится всё более и более замусоренной. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), человечество запустило 12 170 спутников с начала космической эры в 1957 году, и 7630 из них остаются на орбите сегодня, но только около 4700 всё ещё работают. Это означает, что почти 3000 нефункциональных космических кораблей пролетают вокруг Земли с огромной скоростью вместе с другими большими и опасными обломками. Например, орбитальная скорость на высоте 400 километров (высота, на которой работает МКС), составляет 27 500 км/ч. На таких скоростях даже крошечные осколки обломков могут нанести серьёзный ущерб космическому кораблю. По оценкам ЕКА, на околоземной орбите находится не менее 36 500 обломков размером более 10 сантиметров в ширину, 1 миллион объектов от от 1 до 10 см в поперечнике и более 300 миллионов объектов размером от 1 мм до 1 см.
«Каскадный эффект» (синдром Кесслера), который в долгосрочной перспективе может возникнуть от столкновения объектов и частиц космического мусора, можно считать, что уже даёт о себе знать, хотя до катаклизма масштабов «Гравитации» ещё далеко. Свидетельством тому, может быть столкновение двух спутников между собой. Самый известный подобный инцидент произошёл в феврале 2009 года, когда неработающий российский спутник «Космос-2251» врезался в корабль оперативной связи «Иридиум-33», образовав свыше 2000 обломков.
При существующих условиях засорения низких околоземных орбит, когда меры по уменьшению техногенного засорения космоса остаются лишь теоретическими, каскадный эффект может привести к катастрофическому росту количества космического мусора на низкой орбите, и как следствие, к практической невозможности дальнейшего освоения космоса.
Генеральная уборка
По мере того как проблема обостряется, организации по всему миру пытаются найти решения — от магнитов до «космических когтей» и гарпунов. Противодействовать космическому мусору можно по-разному: дробление крупного космического мусора, увод мусора с орбиты или увод космического аппарата с орбиты мусора, сбивание мусора лазером или его переработка в топливо. Невозможно использовать только один способ противодействия для всех типов мусора. Например, мелкий космический мусор невозможно ловить сетью, а крупный бесполезно останавливать газом.
В основном выделяют два направления по борьбе с космическим мусором:
- дробление космического мусора непосредственно на орбите;
- торможение и увод крупного космического мусора с низких орбит для последующего сгорания в атмосфере или увод космического мусора с геостационарной орбиты на орбиту захоронения.
Принцип работы сборщика мусора
Причем оба способа имеют недостатки, связанные с образованием обломков более мелкой фракции, падением на Землю несгоревших обломков и засорением более высоких орбит.
Самый простой способ очистить космическое пространство — приостановить космическую деятельность на десятилетие, пока гравитация Земли сделает своё дело, но тогда человечество остановится в развитии. Если ничего не делать, то при существующих темпах роста космической деятельности, вскоре мы попросту не сможем запускать космические аппараты из-за мусора на орбите и также остановимся в развитии.
Американская компания Cislunar Industries разрабатывает космический «литейный завод» для плавления обломков в однородные металлические стержни. И двигательная установка от Neumann Space может использовать эти металлические стержни в качестве топлива — их система ионизирует металл, который затем создает тягу для перемещения по орбите. Это всё равно что сделать заправочную станцию в космосе. СКМ перерабатывает мусор в топливо, которое позволяет космическому аппарату постепенно подниматься на более высокие орбиты, вплоть до орбиты захоронения (свыше 40 тыс. км), очищая космическое пространство.
В большинстве космических двигательных установок в качестве топлива используется газ. Даже в жидком виде топливо занимает много места и мало подходит для космических путешествий. А если возникнет проблема, как это случилось с миссией корабля «Челленджер», результаты могут быть катастрофическими. Лучше если двигательная установка будет работать на твердом топливе, которое намного безопаснее взрывоопасной жидкости или газа.
Ионный двигатель
Neumann Space сообщает о разработке ионного двигателя малой тяги, который использует электричество мощными импульсами, подобными дуговой сварке. Ионные двигатели — это двигатели космических кораблей, работающие на электричестве. Прототипы существуют с 50-х годов, а некоторые даже были испытаны в космосе. Устройство Ноймана немного отличается от более ранних прототипов, но имеет аналогичные компоненты. Когда система срабатывает, между анодом и катодом возникает электрическая искра.
Электричество подается на металлы, такие как титан или магний, или на любой твердый проводящий топливный стержень, для производства плазмы и выжигания заряженного газа через заднюю часть двигателя, создавая тягу.
Упрощенная схема двигателя Ноймана
Сам Падди Нойман
Автор проекта, доктор Падди Нойман будучи студентом участвовал в проекте по диагностике плазмы, который, заключался в том, чтобы диагностировать, насколько она горячая, насколько она плотная, с какой скоростью она движется, и т.п. Анализируя свои результаты, он смог определить среднюю эффективную скорость плазмы, которая составила 23 км/с. Он, что из этого можно сделать ракету.
Одна из метрик эффективности, о которой инженеры любят говорить в этой сфере, называется удельным импульсом. Удельный импульс — это, по сути, количество толчка, которое можно получить от заданного веса топлива. Таким образом, более высокий удельный импульс означает, что топливо используется более эффективно. Это всего лишь один элемент, который следует учитывать при разработке космического двигателя. Кроме того, поскольку вывести что-либо на орбиту очень дорого, иметь топливо, которое позволяет сделать это с меньшей массой или объёмом, очень удобно. Удельный импульс измеряется в секундах. Когда доктор Нойман начал испытания своего двигателя, существующие ионные двигатели выдавали 3500 секунд удельного импульса. Экспериментальная система НАСА HiPEP может работать чуть лучше, 10 000 секунд. После испытания нескольких различных видов топлива доктор Нойман опубликовал свои результаты: магний в качестве топлива и имел удельный импульс в 11 000 секунд. Итак, в три раза лучше, чем то, что используется сегодня.
Хотя двигатель Ноймана не сможет конкурировать с двигателями внутреннего сгорания на химическом топливе, чтобы вывести корабль в космос, его можно установить на меньших кораблях или спутниках, чтобы удерживать их на орбите. Луна и Солнце всегда будут немного тянуть спутники за собой, поэтому понадобится небольшой двигатель, чтобы держать их на правильной орбите.
В прошлом году Neumann Space получила 2 миллиона долларов в виде начального финансирования из государственных грантов. Там говорят, что планируют в ближайшее время испытать двигатель Ноймана в космосе.
Сейчас в околоземном космическом пространстве возникает своеобразная экосистема. В этой экосистеме, как и в любой другой, есть «существа», которые «живут», «питаются», выполняют свои функции и, «умирая», дают пищу другим существам. А существами, которые «питаются падалью», могут и должны стать сборщики космического мусора в самом широком понимании этого слова.
