Велике прибирання: як захистити орбіту та Землю від космічного сміття

косміНайбільші науково-технологічні прориви завжди залишають свій слід в історії — на їх основі з’являються нові розробки, які збагачують та покращують життя людей. 4 жовтня 1957 року був запущений перший світі штучний супутник Землі, який відкрив космічну епоху історії людства. Ця подія створила великі можливості для пізнання властивостей космічного простору та вивчення Землі як планети Сонячної системи. Аналіз сигналів із супутника дозволив вивчити верхні шари іоносфери, що до цього було неможливо, а згодом — навіть організувати зв’язок і прямі трансляції у віддалених куточках планети.

Але будь-яке відкриття створює і негативні наслідки. З того часу в космос було запущено тисячі нових супутників, і всі вони залишилися на орбіті. Так утворилося «космічне сміття». Про те, чим загрожує захаращення найближчого космосу і як розв’язати цю проблему у нашому матеріалі.

Засмічення за порогом будинку

Космічне сміття — це відходи космічної діяльності. До них відносяться всі штучні об’єкти та уламки, які вже несправні, не функціонують і ніколи більше не зможуть служити жодним корисним цілям. Це відслуживші свій термін і непрацездатні супутники, запущені людиною за 60 років освоєння космосу, другі та треті ступені ракетоносіїв (перша зазвичай падає у спеціально відведені для цього зони), розгінні блоки та фрагменти супутників після вибуху чи зіткнень.

У деяких випадках ці об’єкти містять токсичні залишки палива. Це говорить про те, що такий «мотлох» несе загрозу як для пілотованих апаратів у навколоземному просторі, так і для Землі — при неконтрольованому сході з орбіти, неповному згоранні при проходженні щільних шарів атмосфери Землі або падінні уламків на населені пункти.

Через проблему засмічення навколоземного простору в 1971 році було прийнято Конвенцію ООН про міжнародну відповідальність за шкоду, заподіяну космічними об’єктами, а в 1999-му було опубліковано Технічну доповідь про космічне сміття Комітету ООН з використання космічного простору в мирних цілях. У документі йшлося про те, що засміченість космічного простору може бути джерелом небезпеки для техніки, що діє, на навколоземній орбіті, а в окремих випадках — і для природних і техногенних об’єктів на Землі.

У цілому нині більшість об’єктів штучного походження – це космічне сміття. У 2019 році експерти повідомили, що на геостаціонарній орбіті (висота близько 36 тис. км) 70% усіх об’єктів – космічне сміття. Приблизно таке співвідношення й інших орбітах. Кількість уламків з кожним роком збільшується експоненційно: кожен новий об’єкт космічного сміття може зруйнувати інший супутник та створити ще сотні нових уламків.

Перешкода по курсу

При створенні МКС одразу формували багатошарові корпуси, які у разі потрапляння могли стати «протисміттєвою» бронею. З усім тим, фрагменти космічного сміття часом заважають перебігу міжнародних місій. Так, повз Міжнародну космічну станцію неодноразово пролітали елементи різних супутників, і екіпажу доводилося маневрувати станцією, щоб уникнути зіткнення з ними.

В минулому році космічне сміття проробило дірку в маніпуляторі Canadarm2, пристикованому до МКС. На щастя, на його працездатність це не вплинуло

Небезпеку становлять як великі об’єкти (понад 1 метра в поперечнику), так й уламки 1 см, оскільки вони рухаються зі швидкістю мінімум 8 км/с. Якщо невеликий уламок космічного сміття зустрінеться на орбіті з активним супутником, це загрожує розгерметизацією паливного відсіку, руйнуванням антени або сонячної панелі. Як наслідок – одним супутником, що вийшов з ладу, стане більше. Лагодити космічний апарат ніхто не буде. А якщо відбудеться зіткнення з великим уламком, то це призведе до повного руйнування супутника, утвориться ціла хмара нових уламків. Це призводить до неконтрольованого зростання засміченості космосу. Згідно з розрахунками NASA, у середньому кожні п’ять років відбуватимуться великі зіткнення, навіть за умови повного припинення космічних запусків, а кількість сміття зростатиме.

Чим більше космічного сміття, тим складніше знайти безпечні орбіти для нових космічних апаратів. Зіткнення можливе навіть на етапі запуску. Нині балістики розраховують траєкторію виведення, щоб запобігти цьому. Об’єкти, що знаходяться на низькій навколоземній орбіті, гальмують атмосферою самостійно і сходять з орбіти. Добре, якщо він згорить у щільних прошарках атмосфери, погано, якщо пройде через неї й впаде на житлові райони.

Прибирання по-великому

Проблемою космічного сміття стурбована ООН — організація виробила правила для запобігання засміченню. Так, апарат має бути видалено з орбіти протягом 12 років після закінчення терміну служби. Правила стосуються, зокрема, ракетоносіїв.

Прибрати космічне сміття досить складно, тому що не всі об’єкти відстежуються. Наприклад, об’єкти менш як 1 см не можна виявити оптичними та радіолокаційними засобами.

Вже є низка пропозицій щодо боротьби з космічним сміттям — від радикальних, наче повної відмови від польотів у космос на кілька десятків років, чекаючи, поки навколоземний простір очиститься сам, до цілком реалізованих.

Для методів відведення навіть існує своя класифікація тому поговоримо про кожну з груп.

Пасивні методи відведення

Ця група методів передбачає використання природного середовища — того, що є навколо нас, — без штучних впливів.

Сонячне вітрило

Сонячне вітрило — за аналогією зі звичайним вітрилом на кораблі — збирає енергію сонця, щоб загальмувати об’єкт. При гальмуванні його орбіта починає знижуватися, поступово переходячи в орбіту сходу. Так об’єкт падає на Землю, згоряючи у верхніх шарах атмосфери.

Головний недолік сонячного вітрила – його розміри. Щоб вітрило ефективно працювало, його площа має бути порівнянна з невеликим футбольним полем. В умовах постійного обстрілу дрібним космічним сміттям на орбіті буде проблематично розгорнути таку структуру і зберегти її працездатність.

Крім того, метод складно використовувати на апаратах, які вже запущені. Поки що незрозуміло, як на них ставити сонячне вітрило, розкривати та орієнтувати так, щоб отримати потрібний ефект.

Опір атмосфери

Цей метод заснований на тому ж таки ефекті вітрила, але в атмосфері Землі.

На орбіті 500 км ще помітно вплив атмосфери. Її густина мала, але частинки газів ще можна використовувати для гальмування. Для цього пропонують використовувати або надувну кулю-балон, або спеціальну піну, яка розширюється в кілька сотень разів. В обох випадках площа поперечного перерізу об’єкта збільшується, він уповільнюється та орбіта знижується.

Приклад використання кулі-балону для гальмування супутника в атмосфері. За розрахунками, для прискорення виведення з орбіти в 730 км апарату Iridium масою 700 кг знадобиться куля радіусом 17 м. Час сходу скоротиться з 97 років до 143 днів

Метод із піною безпечний, тому що для її нанесення достатньо підлетіти до об’єкта космічного сміття, не захоплюючи його. Однак сфера його застосування обмежена. На висоті понад 1000 км над поверхнею Землі атмосфери практично немає, тому гальмування буде слабким.

Електродинамічна тросова система

З курсу шкільної фізики ми знаємо, що Земля це великий магніт з північним і південним полюсами та магнітним полем. Якщо в магнітному полі рухати провідник зі струмом, виникне сила Лоренца, яку можна використовувати для гальмування. Для цього з об’єкта космічного сміття необхідно вертикально до Землі опустити трос і пустити струмом.

Цей метод немає обмежень за висотою орбіти: магнітне поле Землі досить протяжно. Але для його використання потрібно якось прикріплювати струмопровідні троси на вже запущені об’єкти космічного сміття, а також позиціювати їх у напрямку Землі.

З електродинамічною тросовою системою 1,5 тис. років скорочуються до 1-2 років, тому саме її серйозно розглядають як основний пасивний спосіб відведення космічного сміття з орбіти.

Активні методи виведення

Ці методи передбачають прямий та активний вплив на об’єкти космічного сміття.

Безконтактні методи

  • Лазер. Ідея полягає в тому, щоб, нагріваючи поверхню об’єкта для сміття, домогтися випаровування речовини. За певних умов це створить механічний імпульс і призведе до гальмування та зниження орбіти космічного сміття. Один великий недолік цього способу полягає в тому, що якщо розмістити таку установку на Землі, її робота буде занадто енерговитратною. Альтернативна ідея – поставити установку на орбіту. Тут будуть складнощі, як зорієнтувати апарат, щоб він завжди отримував сонячну енергію, а лазер попадав на космічне сміття.
  • Іонний потік. Ідея полягає в тому, щоб використовувати іонні двигуни. Якщо поставити два таких двигуни на апарат-прибиральник, він зможе одночасно «дути» на об’єкт для сміття, зміщуючи його з орбіти, і підтримувати власну орбіту прибирача. Головний плюс іонних двигунів – у малих енерговитратах. На п’яти кілограмах палива один двигун працюватиме протягом року. За космічними мірками це дуже мало. Хоча тяги іонного двигуна не вистачає, щоб ефективно переміщати космічні кораблі, для сміття її виявилося достатньо.
  • Силі Кулона. Якщо ми зарядимо (створимо електростатичне силове поле) апарат-прибиральник та об’єкт космічного сміття, то, керуючи одним, зможемо міняти орбіту другого. У разі зарядів різного знаку ми тягтимемо сміття за прибиральником, а при однаковому знаку — зіштовхуватимемо сміття з орбіти.
  • Гравітаційний прибиральник. Вона полягає в тому, щоб створити велику масивну станцію, яка користуючись масою від 100 тонн у своїй сфері Хілла, як магніт, збиратиме на навколоземних орбітах космічне сміття. Кожен зібраний об’єкт збільшуватиме масу станції, збільшуючи її сферу Хілла.

Контактні методи

Друга група активних методів відведення передбачає безпосередній контакт зі сміттям. Щоб захопити сміття і супроводжувати його до орбіти поховання, або до атмосфери, використовується спеціальний космічний апарат.

Принципово існує два підходи — з жорстким та гнучким зв’язком між апаратом-прибирачем та сміттям. Обидва цілком реалістичні, але «жорсткий» підхід має істотний недолік. Якщо ми спробуємо механічним маніпулятором схопити масивний об’єкт на великій швидкості, то швидше за все просто відірвемо маніпулятор. Тому життєздатнішою виглядає тросова система.

З її допомогою ми можемо захопити сміттєвий об’єкт сіткою, гарпуном або іншим пристроєм (як на рибалці), а потім тягнути його за собою.

Методи жорсткого та гнучкого захоплення на сьогодні найбільш відпрацьовані, у тому числі в ході експериментів на МКС, хоча для реального збору сміття їх поки що не використовують.

Не опрацьовано й питання, що робити зі сміттям. Виводити сміття на орбіту поховання — як ховати під килим. Випадкове зіткнення об’єктів між собою або сміття з космічним тілом може вибити апарати, що не використовуються, з орбіти, додавши проблем.

Та й спалювати все в атмосфері – не найкраща ідея. Якщо об’єкт великий, уламки можуть розлітатися і досягати землі у радіусі тисяч кілометрів. Можливо, сміття слід переробляти прямо на орбіті. Чим і як — поки що незрозуміло. Але, може, виникне якийсь стартап у найближчому майбутньому.

Є ще одна цікава думка, що частину сміття на орбіті треба обов’язково залишити, оскільки воно є чудовими «машинами часу». І коли технології удосконаляться, а космічний туризм стане рутиною, можна буде відкрити музей просто на орбіті.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Читайте также:

Artemis I: найцікавіше про найочікуванішу місію NASA до Місяця

Яка ціль місіі Artemis 1 та чому у подорож відправляются не люди

NASA відтворило звук із чорної діри… і він наводить на страх

Дві компанії приєднались до SpaceX у перегонах з колонізаціі Марсу