Восемь способов уборки мусора на орбите и синдром Кесслера
Уже сейчас на орбите Земли находится примерно полмиллиона объектов размером с пачку сигарет, а скоро там и вовсе будет не протолкнуться. Чем это все грозит, многие себе в целом представляют, но не все оценивают масштаб проблемы. Особенно с учетом того, что мусор движется со средней скоростью, в 10 раз превышающей начальную скорость пули, выпущенной из Калашникова.
Под катом про текущую ситуацию в космосе, несколько вариантов решения проблемы и краткое описание способов, о которых начинают поговаривать в научных кругах.
Аналог события, с которого начинается фильм 2013 года «Гравитация», произошел на самом деле в 2007
Статья написана по мотивам лекции заведующего лабораторией кафедры теоретической механики Руслана Пикалова из Самарского университета, которая прошла в Точке кипения при этом же вузе.
Что такое космический мусор?
Космический мусор — это объекты искусственного происхождения, которые находятся на орбите, но не представляют никакой практической значимости.
В основном это аппараты, которые закончили свое активное существование — вышли из строя в результате аварии или просто выработали свой ресурс:
— разгонные блоки верхних ступеней ракет-носителей;
— элементы конструкции ракетно-космической техники;
— детали и обломки, которые образовались вследствие аварий;
— потерянные элементы, например плитки термоизоляции;
частицы топлива, краски, обшивки.
По современному космическому законодательству страна, которая вывела объект в космос, после окончания срока его эксплуатации должна за собой убрать. Но пока это только теория. А на практике неограниченное распространение космического мусора может поставить под вопрос программу полетов.
Чем опасен космический мусор?
Первая проблема — это скорость.
Самый крупный искусственный объект на орбите Земли — МКС. Возьмем для расчетов ее орбиту — 390 км над поверхностью планеты. Мы знаем, что МКС делает один полный оборот вокруг Земли за 1,5 часа.
Отсюда легко рассчитать линейную скорость движения по орбите — 28 тыс. км/ч. Это в 10 раз быстрее, чем пуля патрона 7,62×39, вылетевшая из АК.
Представьте, что будет, если вам в голову прилетит пакет с мусором на такой скорости? И это не предельное значение, многие спутники летают значительно быстрее.
Вторая проблема — это количество космического мусора.
Ниже на картинке — результат моделирования с ресурса stuffin.space, который наглядно демонстрирует объекты искусственного происхождения, находящиеся на околоземной орбите: от 100 до 1000 км над поверхностью Земли. Почти все это — космический мусор. По каждому объекту есть информация.
Скриншот с сайта Stuff in Space. Зеленым выделена орбита разгонного блока «Фрегат» — он болтается там с 2011 года
Большая красная окружность — это популярная геостационарная орбита, на ней находятся спутники ГЛОНАСС и им подобные.
Классификация мусора
Космический мусор классифицируют по размеру.
Малый космический мусор — это объекты меньше 1 см. По самым оптимистичным расчетам, таких объектов около 10 млн. Пессимистичные оценки — порядка 20 млн.
Эти миллионы частиц никак не отслеживаются с Земли. Их полет непредсказуем.
Представьте, что в ваш аппарат попадает такая «пуля». Вероятно, она пробьет его насквозь. Скорее всего, аппарат сохранит свою функциональность, но это серьезное повреждение, в результате которого может отказать часть бортовой электроники.
В начале июня космический мусор проделал дыру в манипуляторе Canadarm2, пристыкованном к МКС. К счастью, на его работоспособность это не повлияло
Вторая группа — средний космический мусор. Это объекты с диаметром наибольшего поперечного сечения от 1 до 10 см. И хотя их существенно меньше — порядка 500 тыс. единиц, — они намного опаснее. Столкновение любого спутника с таким объектом вызовет серьезные повреждения. Скорее всего, аппарат потеряет функциональность, вдобавок образуются мелкие обломки нового космического мусора.
Плюс в том, что средние объекты мы можем отслеживать. Если автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС ОКП) заметит, что какой-то объект летит навстречу МКС, то орбиту последней корректируют — станцию поднимают или опускают, чтобы избежать столкновения.
Кстати, в «Роскосмосе» за космическим мусором следят 36 телескопов разного диаметра, расположенные в десяти пунктах мониторинга в России, Армении и Бразилии.
Самая малочисленная и самая опасная группа объектов — это крупный космический мусор. К нему относится все, что имеет диаметр поперечного сечения больше 10 см. Таких объектов порядка 21 тыс. единиц. Это космические аппараты и их крупные обломки. Столкновение с таким объектом подобно аварии с автомобилем на скорости 28 тыс. км/час. От аппарата, участвующего в таком столкновении, не останется ничего. Более того, при разрушении образуется большое количество мелкого космического мусора, который будет двигаться по непредсказуемым траекториям.
Как быстро накапливается мусор?
На 2021 год на околоземных орбитах находится порядка 21 тыс. объектов размером больше 10 см. Из них около 4 тыс. — функционирующие космические аппараты.
Вот как растет их число с 1957 года:
На этом графике на линии «различных обломков» заметны два скачка, подписанные как FY-1c и «Космос-Иридиум», в 2007 и 2009 годах соответственно. Сейчас поясню, откуда они.
В 2007 году КНР испытала технологию перехвата ИСЗ, выстрелив противоспутниковой ракетой в первый из серии собственных аппаратов, «Фэнъюнь 1C». К тому моменту аппарат уже не функционировал и представлял собой космический мусор. Ракета его уничтожила, взорвав почти на 2,5 тыс. частей. Результат того столкновения представлен на слайде:
Объекты космического мусора, образовавшиеся в результате взрыва «Фэнъюнь 1C»
Больше ни один космический аппарат не задели. Но с парой спутников была потеряна связь, и многие предполагают, что они вышли из строя в результате столкновения с обломками «Фэнъюнь 1C».
Второй скачок произошел в 2009 году. Над территорией России рабочий на тот момент американский телекоммуникационный аппарат «Иридиум 33» столкнулся с нерабочим российским «Космосом 2251». О сближении устройств знали заранее, но «Космос» уже вышел из строя, а «Иридиум» не имел средств управления — поэтому предотвратить столкновение не смогли.
Это было первая известная авария двух искусственных объектов в космосе. В результате образовалось порядка 3 тыс. обломков. На рисунке — модель их распространения вокруг Земли:
Синим отражены траектории частиц осколков, которые, как нитки в клубке, опоясывают всю планету
Синдром Кесслера
Американский астроинженер Дональд Кесслер первым описал явление хаотичного нарастания числа объектов искусственного происхождения на орбите Земли. По его мнению, этот рост приведет к запуску цепной реакции, которая сделает преумножение космического мусора неконтролируемым.
Подобный эффект хорошо показан все в том же художественном фильме «Гравитация», когда одно столкновение запускает каскадный эффект. Сейчас объекты космического мусора находятся на орбите как мины замедленного действия. Рано или поздно любая их них может сдетонировать.
Решение проблемы космического мусора
Уже есть ряд предложений по борьбе с космическим мусором — от радикальных, вроде полного отказа от полетов в космос на несколько десятков лет в ожидании, пока околоземное пространство очистится само, до вполне реализуемых.
Для методов увода даже существует своя классификация:
Поговорим о каждой из групп.
Пассивные методы увода
Эта группа методов предполагает использование естественной среды — того, что есть вокруг нас, — без искусственных воздействий.
Солнечный парус
Солнечный парус — по аналогии с обычным парусом на корабле — собирает энергию солнца, чтобы затормозить объект. При торможении его орбита начинает понижаться, со временем переходя в орбиту схода. Так объект благополучно падает на Землю, сгорая в верхних слоях атмосферы.
Главный недостаток солнечного паруса — его размеры. Чтобы парус эффективно работал, его площадь должна быть соизмерима с небольшим футбольным полем. В условиях постоянного «обстрела» мелким космическим мусором на орбите будет проблематично развернуть такую структуру и сохранить ее работоспособность.
Кроме того, метод сложно использовать на аппаратах, которые уже запущены. Пока непонятно, как на них ставить солнечный парус, раскрывать и ориентировать так, чтобы получить нужный эффект.
Сопротивление атмосферы
Этот метод основан на том же эффекте паруса, но в атмосфере Земли.
На орбите 500 км еще заметно влияние атмосферы. Ее плотность мала, но частицы газов еще можно использовать для торможения. Для этого предлагают использовать либо надувной шар-баллон, либо специальную пену, которая расширяется в несколько сотен раз. В обоих случаях площадь поперечного сечения объекта увеличивается, он замедляется, и орбита понижается.
Пример использования шара-баллона для торможения спутника в атмосфере. По расчетам, для ускорения выведения с орбиты в 730 км аппарата Iridium массой 700 кг понадобится шар радиусом 17 м. Время сходя при этом сократится с 97 лет до 143 дней
Метод с пеной безопасен, потому что для ее нанесения достаточно подлететь к объекту космического мусора, не захватывая его. Однако область его применения ограничена. На высоте больше 1000 км над поверхностью Земли атмосферы уже практически нет, поэтому торможение будет слабым.
Электродинамическая тросовая система
Из курса школьной физики мы знаем, что Земля — это большой магнит с северным и южным полюсами и магнитным полем. Если в магнитном поле двигать проводник с током, возникнет сила Лоренца, которую можно использовать для торможения. Для этого с объекта космического мусора необходимо вертикально к Земле опустить трос и пустить по нему ток.
У этого метода нет ограничений по высоте орбиты: магнитное поле Земли достаточно протяженно. Но для его использования нужно как-то прикреплять токопроводящие тросы на уже запущенные объекты космического мусора, а также позиционировать их по направлению к Земле.
Эффективность пассивных методов увода
Сравним, сколько будет жить объект в космосе сам по себе и при воздействии на него с помощью вышеописанных методов.
Первая (самая высокая) кривая — график жизни космического аппарата в зависимости от высоты при условии, что мы ничего не делаем для его увода. Если на орбите 500 км аппарат будет жить 10–15 лет, то на 1000 км может беспрепятственно существовать более 1,5 тыс. лет.
Графики сравнения времени увода тел с орбиты естественным путем (синий), с использованием атмосферного тормоза площадью наибольшего сечения 30 м2 (сиреневый) и токопроводящим тросом (зеленый)
При использовании атмосферы для торможения аппарата на орбите до 1000 км 1,5 тыс. лет превращаются в 100 лет, что говорит о достаточно высокой эффективности метода.
С электродинамической тросовой системой 1,5 тыс. лет сокращаются до 1–2 лет, поэтому именно ее всерьез рассматривают как основной пассивный способ увода космического мусора с орбиты.
Отсюда вывод: чтобы не заниматься клинерской сваркой в космосе, все аппараты надо снабжать тросами на этапе проектирования.
Активные методы увода
Эти методы предполагают прямое и активное воздействие на объекты космического мусора.
Бесконтактные методы
Один из самых интересных методов этой группы — лазер.
Идея заключается в том, чтобы, нагревая поверхность мусорного объекта, добиться испарения вещества. При определенных условиях это создаст механический импульс и приведет к торможению и снижению орбиты космического мусора.
Один большой недостаток этого способа заключается в том, что, если разместить такую установку на Земле, ее работа будет слишком энергозатратной. Альтернативная идея — поставить установку на орбиту. Здесь будут сложности, как сориентировать аппарат, чтобы он всегда получал солнечную энергию, а лазер попадал на космический мусор. Но в принципе эти задачи решаемы.
Следующий метод — ионный поток.
Идея в том, чтобы использовать ионные двигатели. Если поставить два таких двигателя на аппарат-уборщик, он сможет одновременно «дуть» на мусорный объект, смещая его с орбиты, и поддерживать собственную орбиту уборщика.
Главный плюс ионных двигателей — в малых энергозатратах. На пяти килограммах топлива один двигатель будет работать в течение года. По космическим меркам это очень мало. Хотя тяги ионного двигателя не хватает, чтобы эффективно перемещать космические корабли, для работы с мусором ее оказалось достаточно.
Еще один интересный метод основан на электростатическом взаимодействии — силе Кулона.
Если мы зарядим (создадим электростатическое силовое поле) аппарат-уборщик и объект космического мусора, то, управляя одним, сможем менять орбиту второго. В случае зарядов разного знака мы будем тащить мусор за уборщиком, а при одинаковом знаке — сталкивать мусор с орбиты.
Самая новая и достаточно оригинальная идея — гравитационный уборщик.
Она состоит в том, чтобы создать большую массивную станцию, которая за счет массы от 100 тонн будет в своей сфере Хилла, как магнит, собирать на околоземных орбитах космический мусор. Каждый собранный объект будет увеличивать массу станции, увеличивая и ее сферу Хилла.
Схема перетаскивания мусора с помощью гравитационного уборщика на орбиту захоронения (высоту, где уже не летают космические аппараты)
Контактные методы
Вторая группа активных методов увода предполагает непосредственный контакт с мусором. Чтобы захватить мусор и сопроводить его либо до орбиты захоронения, либо до атмосферы, используется специальный космический аппарат.
Принципиально существует два подхода — с жесткой и гибкой связью между аппаратом-уборщиком и мусором. Оба вполне реалистичны, но у «жесткого» подхода есть существенный недостаток. Если мы попытаемся механическим манипулятором схватить массивный объект на большой скорости, то, скорее всего, просто оторвем манипулятор. Поэтому более жизнеспособной выглядит тросовая система.
С ее помощью мы можем захватить мусорный объект сетью, гарпуном или иным устройством (как на рыбалке), а потом тащить его за собой:
Методы жесткого и гибкого захвата на сегодняшний день наиболее отработаны, в том числе в ходе экспериментов на МКС, хотя для реального сбора мусора их пока не используют.
Не проработан и вопрос, что делать с мусором. Уводить мусор на орбиту захоронения — как прятать под ковер. Случайное столкновение объектов между собой или мусора с космическим телом может выбить неиспользуемые аппараты с орбиты, добавив нам проблем.
Да и сжигать все в атмосфере — не самая лучшая идея. Если объект крупный, осколки могут разлетаться и достигать земли в радиусе тысяч километров. Возможно, мусор следует перерабатывать прямо на орбите. Чем и как — пока непонятно. Но, может, возникнет какой-нибудь стартап в ближайшем будущем. Вон, нашелся же студент, который теперь убирает мусор в океане и реках. И спонсоры у него нашлись.
Кстати, на днях прозвучало еще одно любопытное мнение, что часть мусора на орбите надо обязательно оставить, поскольку он представляет собой прекрасные «машины времени». И когда технологии усовершенствуются, а космический туризм станет рутиной, можно будет открыть музей прямо на орбите.
Хотя лично я думаю, синдром Кесслера — более реалистичный сценарий (должна же я была добавить черного юмора в конце). Но другой планеты у меня нет, поэтому, надеюсь, это никогда не случится. Как сказал Куарон критикам, «Гравитация» — не документальный фильм, а фантастический». Пусть все так и остается.
