Как очистить орбиту от космического мусора?
Проблемы людей с мусором не заканчиваются на Земле — они следуют за нами в космос. Тысячи тонн брошенных спутников, отработанных ракетных частей и блуждающих фрагментов мусора теперь кружат вокруг нашей планеты на невероятных скоростях, и объем космического мусора растет с каждым годом.
С начала космической эры состоялось более 4900 запусков — более 6600 спутников припарковались на орбите. Из них 3600 остаются в космосе, из которых только 1000 функционирует нормально. Несомненно, мы вывели на орбиту довольно много мусора — и он вышел из-под нашего контроля. Примерно 65% орбитального мусора, входящего в каталог, произошло из-за столкновений на орбите.
Общее количество космического мусора сейчас составляет:
- 30 000 обломков больше 10 сантиметров в поперечнике
- 670 000 обломков больше 1 сантиметра
- 170 миллионов обломков больше 1 миллиметра
Среди этих объектов отработанные верхние ступени ракет, списанные или сломанные спутники, пусковые адаптеры, крышки от объективов и даже тонкие медные провода — все, что сопровождает запуск ракеты. Объекты отслеживаются US Space Surveillance Network, которая составляет каталог космического мусора от 5 до 10 сантиметров на низкой околоземной орбите и до 1 метра на геостационарной орбите.
И все-таки оно вертится
10-сантиметровый кусок космического мусора может полностью разбить спутник, а сантиметровый кусочек полностью выведет из строя космический аппарат и пробьет щиты Международной космической станции. Даже миллиметровый объект может вывести из строя деликатные подсистемы.
И столкновения происходят. Первое непреднамеренное столкновение двух спутников произошло 10 февраля 2009 года в 776 километрах над Сибирью. Частный американский спутник связи Iridium 33 и российский военный спутник «Космос-2251» столкнулись со скоростью 11,7 км/с. Оба спутника были полностью разрушены и произвели более 2200 отслеживаемых фрагментов. Для сравнения: пассажирский авиалайнер летит в 80 раз медленнее.
Синдром Кесслера
В фильме «Гравитация» также был использован некий вымышленный сценарий. Русские использовали ракету для уничтожения одного из своих спутников. В результате появилось массивное поле обломков, которое вращается вокруг Земли раз в 90 минут, а также вызывает цепную реакцию — синдром Кесслера — сталкивается с другими спутниками и наращивает массу. Такая космическая лавина. И, как показал фильм, лучше не стоять у нее на пути.
На самом деле, такая ситуация уже происходила, только в значительно меньших масштабах. В 2007 году, в рамках демонстрации силы, китайские военные сбили одну из нерабочих метеорологических станций, случайно выбросив тысячи обломков мусора на орбиту.
Шансы на то, что начнется синдром Кесслера, растут с каждым годом, по мере увеличения количества барахла на орбите.
Как же все-таки убрать весь этот мусор? Сможем ли мы когда-нибудь убрать массивное поле обломков вроде того, что показали в «Гравитации»? Ответ да, однако потребуется недюжинная изобретательность и много терпения.
Немножко профилактики
Прежде чем мы займемся непосредственной очисткой, стоит поговорить о профилактике и ликвидации последствий. К примеру, мы можем начать делать спутники и космические станции более прочными. Усилить защиту от ударов (как космического мусора, так и метеорных тел). Спутники также должны быть более маневренными.
При этом мы должны сделать все возможное, чтобы предотвратить появление космического мусора. Во избежание столкновений, например, орбиты всех обломков мусора и возможных целей должны быть известны заранее. К счастью, эта информация предоставляется каталогом U.S. Strategic Command (USSSTRATCOM). Офис Европейского космического агентства, ответственный за космический мусор, предоставляет прогнозы событий и оценку риска столкновений в качестве сервиса для миссий ESA и третьих лиц.
Перспективные способы очистки орбиты Земли
Итак, пришло время очистить орбиту Земли от космического мусора. Ученые и инженеры предлагали массу разнообразных стратегий по активной уборке космического мусора, хорошие и не очень. Давайте пробежимся по списку наилучших кандидатов.
Старые добрые невод и гарпун
Более известная как ElectroDynamic Debris Eliminator (EDDE), эта идея заключается в том, чтобы отправить в космос спутник, вооруженный сетью и гарпуном. И действительно, захватывать спутники и другие объекты, сбившиеся с пути, можно обычной сетью. Этот план недорого стоит, удобен и может выехать с любой миссией на низкую околоземную орбиту.
Такие спутники могли бы маневрировать по всей НОО и убирать буквально любую цель. Более того, их можно было бы использовать многократно, а значит и убирать больше целей. Разработчики полагают, что EDDE мог бы убирать 136 объектов в три года — а 12 EDDE могли бы убрать 2465 объектов на НОО весом более 2 килограммов за семь лет.
Однако сработает такой план только с крупными объектами.
Космические воздушные шары
Зачем использовать сети, если есть воздушные шары? Эта идея называется Gossamer Orbit Lowering Device, или GOLD System, и были предложена Кристин Гейтс. Концепция использует очень большой и тонкий воздушный шар, который будет оборачивать объект и увеличивать его аэродинамическое сопротивление в несколько сотен раз, тем самым приводя к его падению в атмосферу Земли. GOLD System могла бы ускорить процесс естественного схода с орбиты у некоторых объектов с нескольких столетий до нескольких месяцев. Надувная система проста и эффективна, по крайней мере на бумаге.
Реактивный буксир
Для более крупных объектов можно было бы использовать отдельных суицидальных роботов, которые будут двигать спутники к повторному входу в атмосферу. Проект CleanSpaceOne от EPFL, например, включает спутниковый куб, который будет преследовать, захватывать и уничтожать космический мусор. Правда, стоимость будет непомерно высока — порядка 200 миллионов долларов для каждой миссии.
Солнечный парус
Surrey Space Centre работает над HybridSail — системой, объединяющей большой развертываемый отражающий парус с тросами для буксировки объектов с орбиты. Система будет сводить объекты с орбиты за счет аэродинамического сопротивления и обмена импульсом с заряженными тросами и ионосферной плазмой.
В этой схеме небольшой спутниковый куб должен состыковаться с куском космического мусора. Затем, используя магнитную систему ориентации, он бы стабилизировал крен, тангаж и рыскание объекта. Затем развернул бы тросы и парус 5 на 5 метров, положив начало фазе схода с орбиты.
Мы могли бы выпустить облако вольфрамовой пыли на орбиту для создания атмосферного сопротивления на орбитальных высотах. С уменьшением скорости целостность орбит тысяч обломков космического мусора была бы нарушена. Небольшие кусочки мусора постепенно сходили бы со своих орбит в течение нескольких десятилетий (решение не мгновенное).
Чтобы это сделать, нужно выпустить облако вольфрамовой пыли — крошечные частицы не более 30 мкм в поперечнике — на высоте порядка 1000 километров, создав относительно толстый слой мелких частиц материи, которые будут полностью окутывать планету. Вольфрам, который почти в два раза плотнее свинца, прибавит существенный вес любому объекту, за который зацепится.
Идея прекрасная — идеально подойдет для синдрома Кесслера — но в случае с крупными объектами работать не будет.
Более того, она может иметь потенциально катастрофические последствия на другие орбитальные объекты вроде функционирующих спутников. Также она может повредить чувствительное оборудование вроде солнечных панелей. Следовательно, ее можно рассматривать только как модель «перезагрузки» — полное очищение земной орбиты.
Этот вариант немножко странный: Ballistic Orbital Removal System. По мнению Джеймса Холлопетера из GIT Satellite, в космос можно отправить ракеты, заполненные водой. После того как они выгрузят свой груз на орбите, появится поле кристаллизовавшейся воды, в которое будет попадать орбитальный мусор, замедляться и сходить с орбиты. Звучит странно — но идея похожа на вариант с вольфрамовой пылью. Вода у нас водится в огромном изобилии, тогда как роботизированные спутники сложные, хрупкие и дорогие.
Перенаправление с помощью лазера
А вот работка наземным лазерам. Laser Orbital Debris Removal, или LODR, будет использовать мощные импульсные лазеры, которые будут стрелять с поверхности и создавать плазменные джеты на космическом мусоре. Это приведет к тому, что мусор будет замедляться и повторно входить в атмосферу, падая в океан. Технологии у нас уже есть, причем лет 15 уже, только вот по плану на один объект будет уходить до миллиона долларов.
Другая похожая идея — спутник, который может выстреливать электрически заряженные атомы или ионы, постепенно замедляя и стаскивая объект на Землю.
Вместо того чтобы захватывать объекты когтями, гарпунами и сетями, мы могли бы перемещать крупные объекты, не прикасаясь к ним. Кроме того, нам не обязательно сталкивать их в атмосферу — мы могли бы выводить их на геосинхронную орбиту.
Для этого спутники-уборщики должны быть оснащены электростатическим управлением и двигателями малой тяги, чтобы избегать каких-либо контактов. Как вариант приводится система GliDeR, которая будет использовать активные выбросы заряда и прямые потоки заряженных частиц в отношении мусора.
Космический мусоровоз
«Мой фантастический концепт — это система, состоящая из коллектора, распылителя сети и пункта утилизации на околоземной орбите. Учитывая то, что стоимость запуска может варьироваться от 4 до 5 тысяч долларов за фунт (8-10 тысяч за килограмм), не говоря уж о ценных металлах, используемых в производстве спутников, переработка может стать прибыльным делом однажды. Такой сборщик может работать на ядерной энергии и эффективных ракетах VASIMR для движения и сбора мусора».
Телескоп с лазером
Международная группа ученых предлагает прикрепить гигантский лазер к космическому телескопу и взрывать с его помощью мусор на орбите.
«Возможно, мы, наконец, нашли способ убрать головную боль быстро растущего объема космического мусора, опасного для космической деятельности, — говорит Тошиказу Ебисузаки из Калифорнийского университета в Ирвайне. — Мы считаем, что эта отдельная система может устранить большую часть сантиметрового мусора уже за пять лет эксплуатации».
Для устранения орбитального минного поля, в рамках предложения Acta Astronautica, за основу будет взят Extreme Universe Space Observatory (EUSO), новый японский космический телескоп, который присоединится к МКС в 2017 году. EUSO не был предназначен для утилизации мусора — по факту, его основная задача — регистрировать ультрафиолетовое излучение высокоэнергетических космических лучей, которые входят в атмосферу Земли в ночное время. Но мощная оптика телескопа и широкое поля зрения делают его идеальным инструментом для определения небольших скоростных обломков мусора, которые носятся вокруг МКС.
В сочетании с высокоэнергетическим лазером, EUSO становится отличным стрелком. Ебисузаки и его коллеги предлагают оснастить телескоп CAN лазерной системой, которая была спроектирована для нового поколения ускорителей частиц. Лазеры CAN используют массив из тысяч оптоволокон, которые действуют сообща и производят мощный плазменный импульс. Ебисузаки считает, что такой импульс способен замедлять кусок мусора, пока тот не упадет на орбиту и не сгорит в атмосфере Земли.
С глазами EUSO и силой CAN, Ебисузаки говорит, что мы сможем останавливать опасные частицы в полете и сталкивать их в атмосферу Земли. Ученые сейчас занимаются проведением небольшого эксперимента на МКС, используя 20-сантиметровую версию EUSO и мини-лазер CAN с 100 оптических волокон.
«Если все пойдет хорошо, — говорит Ебисузаки, — мы планируем установить полномасштабную версию на МКС, включив трехметровый телескоп и лазер с 10 000 волокон, которые будут способны сбивать мусор с орбиты на расстоянии до 100 километров. Заглядывая дальше в будущее, мы могли бы создать отдельную миссию и вывести ее на полярную орбиту на высоте 800 километров, где сосредоточено больше всего мусора».
Глядя на такие усилия по очистке замусоренного нами же космоса, можно понадеяться, что небо в ближайшее время станет гораздо чище. А после этого направим определенные усилия на уборку мусора на Земле.
Источник
Приберитесь там: что делать с космическим мусором
Японский стартап решил слегка прибраться в космосе и запустить устройство для очистки от космического мусора. Ученые уже доставили свой аппарат на Байконур, чтобы в марте отправить прибор в космос вместе с кораблем «Союз». Между прочим, не только японцев беспокоит чистота Вселенной, ведь проблема космического мусора стоит серьезно и может угрожать всем жителям Земли. Из чего состоит космический мусор и как с ним предлагают бороться — читайте в материале «Известий».
Ну что это такое, Илон Маск!
Освоение космоса — это не только череда блистательных открытий, но и ее обратная и неприглядная сторона — мусор. А его там хватает. В 2019 году научно-исследовательский центр войск Воздушно-космических сил Минобороны России озвучил приблизительную цифру: около 1,25 млрд частиц мелкого космического мусора размером от миллиметра до 10 сантиметров вращаются вокруг Земли. В «Роскосмосе» говорили о 600–700 тыс. объектов, которые угрожают орбитальным аппаратам. По данным же британской компании RS Components, количество космического мусора в 2020 году на орбите вокруг Земли приблизилось к 30 тыс. единицам (имеются в виду крупные экземпляры). Это обломки спутников и кораблей (например, недавно опознанного ускорителя верхней ступени американской ракеты «Центавра»), которые так и не сошли с орбиты и не сгорели в атмосфере Земли. Мелкие фрагменты могут развивать скорость от 7–8 до 10–15 км/с — более чем в 10 раз быстрее пули, что может угрожать работе спутников, космических кораблей и станции. Так что, содрогнувшись от очередной новости про «приближающийся метеорит», расслабьтесь — пока он долетит, не одно поколение состарится. Тут бы в мусоре не утонуть. МКС периодически приходится корректировать высоту, уклоняясь от обломков. Поговаривают, что общая масса затерявшихся в космосе рукотворных объектов составляет 215 тонн!
Японский космический аппарат ELSA-d для устранения космического мусора
«Большинство космического мусора создается во время взрывов или столкновений космических аппаратов, — писал на своей страничке в Facebook космонавт Александр Мисуркин. — Также одним из серьезных источников космического мусора являются испытания противоспутникового оружия. Так, в 2007 году Китай уничтожил свой спутник FengYun-1C ракетой средней дальности. После уничтожения спутника в каталоге NORAD (реестр космических объектов, который ведет Командование воздушно-космической обороны Северной Америки), добавилось 3300 единиц космического мусора, что на четверть увеличило каталог — и это за один инцидент!»
Между прочим, известную на весь мир Tesla Roadster с пассажиром-манекеном тоже признали мусором. Таковым ее посчитал астроном Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Джонатан Макдауэлл, который составил каталог космических объектов искусственного происхождения. В список вместе с электрокаром попали спутники, сломанное оборудование и забытые астронавтами вещи (всего более 54 тыс. объектов). Сам Илон Маск считает, что его автомобиль будет путешествовать миллиарды лет, но некоторые ученые в этом сомневаются и предсказывают, что Tesla Roadster развалится на части гораздо раньше отведенного ему срока — из-за космической радиации. Впрочем, скептики ставили машине срок службы всего год, а Tesla Roadster всё еще в строю. На момент написания материала автомобиль бороздил космические просторы более чем в 57 млн км от Земли и со скоростью почти 31 км/c. Где суперкар сейчас, можно посмотреть здесь.
Иллюстрация Tesla Roadster
К слову, директор Европейского космического агентства Ян Вернер призывает в целом изменить нынешнюю практику запуска спутников и обязать страны убирать за собой.
«Представьте, насколько опасным было бы плавание в открытом море, если бы все корабли, когда-либо потерянные за историю мореплавания, всё еще дрейфовали на поверхности воды», — заметил как-то Вернер.
Разглядеть «Черного рыцаря»
В некоей отсроченной перспективе избыток космического мусора может привести к так называемому «эффекту Кесслера», когда фрагменты старых и вышедших из строя спутников и другого «лома» будут сталкиваться и рассыпаться на части, а те, в свою очередь, потревожат другие болтающиеся в космосе «запчасти» — с тем же результатом. И лавина сия со временем замусорит орбиту так, что ни ракету в космос не запустить, ни спутник. Да и не хватало еще, чтобы дождь из обломков спутников пролился на наши головы. Ученым известно о положении примерно 18 тыс. рукотворных объектов, а сколько точно их, невидимых? В ближайшее время объектов будет еще больше: одних только аппаратов Starlink планируется запустить 12 тыс. (а в последующем увеличить группировку космических аппаратов еще на 30 тыс.) Что же делать?
Японская компания Astroscale надеется решить проблему с помощью небольшого прямоугольного спутника (шириной 110 см и длиной 60 см) с магнитными панелями, на которые будет притягиваться весь мусор. В рамках планируемых испытаний весной 2021 года этот спутник должен собрать имитационный мусор, а затем выйти на орбиту Земли и сгореть вместе со всем примагниченным добром.
Иллюстрация ClearSpace-1 с пойманной частью ракеты-носителя Vega
За клининг на орбите переживают и европейцы. Так, искусственный спутник RemoveDebris, разработанный британскими инженерами, в 2018 году отправился в космос и успешно поймал сразу две демонстрационные мишени разного калибра — на импровизированный гарпун и с помощью специальной сети. Его миссию продолжит швейцарский стартап ClearSpace-1 — летом 2020 года стартовали работы по проектированию систем аппарата для уборки космического мусора. Космический дворник должен будет распознать объект при помощи датчиков, приблизиться, захватить мусор четырьмя руками-манипуляторами и вывести собранный хлам с орбиты. Аппарата еще нет, но цель уже есть — мишенью будет отработанная ступень европейской ракеты «Вега». Генеральная уборка запланирована на 2025 год.
К слову, технологии сбора космического мусора помогут не только расчистить горизонты и спасти Землю от потенциальных катастроф, но и, возможно, разглядеть удивительные вещи — например, таинственного «Черного рыцаря». Легенда гласит: за нами из космоса приглядывает (или даже посылает сигналы) некий инопланетный спутник-шпион. Фото прилагается: объект попал в кадр в 1998 году. И хотя в НЛО на снимке признали кусок теплоизоляции, который потеряли астронавты Джерри Росс и Джеймс Ньюман во время монтажа модулей будущей МКС, уфологам верить не запретишь. А вдруг?
Поймать в сеть и на липучку
А что мы? Мы тоже не сидим на месте. В 2019 году ученые холдинга «Российские космические системы» представили проект спутника-охотника на космический мусор (СКМ). Автор проекта, инженер-исследователь Мария Баркова предложила не только собирать мусор с помощью сетки-сачка, но и перерабатывать его в топливо, которым будет «питаться» сборщик.
«Принципиальным отличием нашего решения от существующих аналогичных проектов является переработка космического мусора в псевдожидкое топливо. Это позволяет решить сразу несколько задач — обеспечить безотходное уничтожение мусора и максимальный срок работы аппарата, а также минимизировать стоимость его вывода на орбиту. Фактически наш аппарат будет действовать как хищник, который охотится на мусор, чтобы получить дополнительную энергию», — поясняла Мария Баркова.
Источник