Ракета-носитель Falcon 9 несколько дней назад вывела на орбиту космический грузовик Dragon, на борту которого находится экспериментальный космический мусорщик, аппарат RemoveDebris. Он позволит проверить на практике технологию уборки отработавших свое космических аппаратов и их фрагментов с помощью гарпуна и сети. Насколько замусорено околоземное пространство? Хватит ли в нем места для новых спутников? Мы решили разобраться в этом вопросе с помощью научного сотрудника Института прикладной математики имени М.В. Келдыша Михаила Захваткина.

Таким аппаратам, как RemoveDebris, будет чем заняться. Согласно данным программы NASA по изучению космического мусора, количество мусорных объектов размером больше 10 сантиметров приближается к 20 тысячам, а их суммарная масса — к 8 тысячам тонн, при этом большая их часть — обломки космических аппаратов.

По расчетам Европейского космического агентства, число объектов размером больше одного сантиметра достигает 750 тысяч, а фрагментов меньшего размера может быть в тысячи раз больше. Огромное количество мелких фрагментов микронного размера порождает работа двигателей, среди них очень много мелких частичек краски, и эта рукотворная пыль уже сегодня наносит реальный ущерб, оставляя дыры и микрократеры в корпусах и на солнечных батареях космических аппаратов.

Откуда берется мусор

Микрократер от удара частички космического мусора на стекле иллюминатора шаттла «Индевор» (миссия STS-126). NASA

При этом запасы мусора на орбите постоянно пополняются — каждый год в околоземном пространстве появляется около сотни новых космических аппаратов, причем это не только спутники, это еще и третьи ступени ракет, разгонные блоки.

Рост числа объектов космического мусора размером больше 10 сантиметров. Линии обозначают (сверху вниз): 1. Общее количество объектов на орбите; 2. Мелкие обломки, возникшие в результате разрушения спутников; 3. Космические аппараты; 4. Фрагменты, отделившиеся от космических аппаратов в результате штатной работы; 5. Верхние ступени ракет. NASA

Рано или поздно интенсивное заселение орбиты должно было привести к «коммунальным проблемам», и в 1978 году сотрудники NASA Дональд Кесслер и Бертон Кур-Палэ пришли к выводу, что в скором будущем столкновения между вышедшими из строя спутниками начнут происходить так часто, что количество обломков будет расти экспоненциально (даже если в этот момент космические запуски прекратятся вообще) и в конечном счете вокруг Земли сформируется кольцо из обломков космических аппаратов, похожее на кольцо Сатурна. Они предсказывали, что первое столкновение космических аппаратов произойдет еще до 2000 года. В реальности столкновение спутников «Космос-2251» и Iridium 33 произошло 19 февраля 2009 года, причем их «встреча» породила сразу 1150 настолько крупных обломков, что их могли заметить радары системы контроля космического пространства.

Хотя синдром Кесслера — неконтролируемую цепную реакцию разрушения аппаратов на орбите и превращение околоземного пространства в запретную зону — мы пока можем наблюдать только в фильмах, таких как «Гравитация» или «Валли-И», космический мусор уже сейчас становится ощутимой помехой. Достаточно вспомнить, что Международной космической станции (МКС) регулярно приходится корректировать орбиту, чтобы избежать столкновений, а еще чаще космонавтам приходится бросать все дела и забираться в корабль «Союз», чтобы переждать момент опасного сближения станции c фрагментом космического мусора. Детали, доставленные на Землю с МКС, часто несут микроповреждения — следы ударов мелких мусорных обломков.

След удара микроскопического фрагмента космического мусора. NASA

Некоторое самоочищение околоземного пространства все же происходит, объясняет N + 1 научный сотрудник Института прикладной математики имени М.В. Келдыша Михаил Захваткин. По его словам, в пределах 11-летнего цикла солнечной активности около 250–300 мусорных объектов в год приходится исключать из каталогов — они попросту входят в атмосферу и сгорают. Но скорость этого очищения очень сильно меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности (в периоды активного Солнца атмосфера Земли «разбухает» и начинает сильнее тормозить объекты) и от высоты орбиты.

«Хотя влияние атмосферы ощущается на высотах до 1500 километров, действительно эффективно атмосферный тормоз работает только на низкой околоземной орбите, то есть на орбитах высотой до 500–600 километров. В этой зоне спутники без постоянного подъема орбиты с помощью двигателей могут просуществовать максимум пару десятков лет, затем они войдут в атмосферу и сгорят. Но уже на высотах 700–1000 километров космические аппараты могут находиться 50–100 лет, то есть в масштабах человеческой жизни — практически вечно. Причем эти орбиты наиболее популярны, там очень много солнечно-синхронных спутников, потому что им не нужно тратить много топлива, чтобы поддерживать эту орбиту. На эти высоты запускают много аппаратов, потому что они могут выжить там достаточно долго», — говорит ученый.

Распределение количества спутников в зависимости от высоты орбиты. CNES

Этаж от 700 до 1000 километров — самый популярный и заселяется быстрее всего, однако даже на этих высотах реализация катастрофического сценария, описанного Кесслером, — дело далекого будущего.

«На низких орбитах вращается 13 тысяч спутников, за 200 лет при самом негативном сценарии их число возрастет до 100 тысяч, а значит, вероятность столкновений вырастет примерно в 100 раз. Сегодня вероятность катастрофического столкновения — примерно один раз в пять лет, с ростом вероятности столкновений мы получаем значение примерно 20 инцидентов в год на популяцию в 100 тысяч аппаратов. Это не настолько высокий риск, чтобы сделать запуск спутников в эту зону коммерчески бессмысленной», — объясняет Захваткин.

Однако, полагает ученый, не следует усугублять проблему, оставляя ее решение будущим поколениям, поэтому меры для борьбы с загрязнением околоземного пространства нужно прорабатывать уже сейчас.

Чисто там, где не сорят

Для начала неплохо бы сделать так, чтобы космического мусора не становилось больше, а для этого необходимо, чтобы космические аппараты не взрывались. Главным источником мелких фрагментов на орбите сегодня являются не столкновения спутников друг с другом (пока нам известно только одно такое событие — столкновение «Иридиума» с «Космосом», о котором шла речь выше), а так называемые «события фрагментации», разрушение аппаратов по различным внутренним причинам.

Согласно подсчетам NASA, по состоянию на август 2007 года было зафиксировано 194 случая взрывного разрушения спутников, верхних ступеней ракет и разгонных блоков, и еще 51 аномальное событие — отделение каких-либо фрагментов (солнечных панелей, кусков теплоизоляции, деталей конструкций) от оставшегося целым аппарата. При этом взрывы аппаратов на орбите являются источником около 47 процентов общего количества объектов космического мусора.

Космические аппараты взрываются в основном из-за перегрева остатков топлива в баках — по этой причине взрывные разрушения происходят более чем в 45 процентах случаев. Один такой инцидент, широко освещавшийся в прессе, произошел 19 октября 2012 года, когда на орбите взорвался разгонный блок «Бриз-М», образовав облако из более чем 100 обломков. Совсем недавно, полтора месяца назад, взорвался дополнительный топливный бак разгонного блока «Фрегат», который использовался для вывода спутника «Ангосат-1», — после этого в каталоге космических объектов появилось еще 25 обломков.

«Эту проблему решить достаточно просто — нужно обеспечить пассивацию отработавших аппаратов, то есть встраивать в баки клапаны, которые стравливали бы пары топлива, либо обеспечивать работу двигателей до его полной выработки, желательно при этом понижая орбиту аппаратов», — говорит Михаил Захваткин.

Однако, отмечает он, при сохранении текущей частоты запусков новых космических аппаратов на низкие орбиты и принятии существенных мер по уводу отработавших спутников и пассивации общее число объектов размером больше 10 сантиметров все равно возрастет на 30 процентов за следующие 200 лет. «При этом основную роль в росте этого числа будут играть столкновения спутников в той самой перенаселенной области высот 700–1000 километров, наиболее крупные из которых будут происходить раз в 5–9 лет», — объясняет ученый.

Как убрать за собой

Правила, позволяющие предотвратить увеличение мусорной нагрузки на орбите, давно разработаны — существуют рекомендации ООН, соответствующий стандарт утвержден ISO. Однако пока юридически обязывающего международного договора в этой области нет, и каждая страна руководствуется собственными правилами, порой действуя в ущерб общих интересам, Так, Китай в 2007 году сбил ракетой собственный метеоспутник, в результате чего на орбите появилось более 2 тысяч новых фрагментов космического мусора.

Общие рекомендации, в целом, довольно просты — следует уводить отработавший аппарат туда, где он не будет мешать новым спутникам, и, если возможно, направлять его на низкие орбиты, чтобы он сгорел в атмосфере. Пока это правило в целом выполняется только применительно к аппаратам, находящимся на геостационарной орбите высотой 36 тысяч километров. Место на геостационаре — ресурс дефицитный, поэтому отслужившие свое геостационарные спутники выводятся на «орбиту захоронения» на 100–200 километров выше, объясняет Захваткин. Однако на других орбитах это правило выполняется далеко не всегда.

Различные варианты устройств для свода спутников с орбиты путем торможения (сверху вниз слева направо): 1. С помощью надувного баллона с газом — за счет сопротивления воздуха; 2. С помощью пленки, натянутой на телескопических штангах, — за счет сопротивления воздуха; 3. Лента с противовесом — за счет градиента гравитации; 4. Проводящий трос — за счет магнитных полей. GLOBAL AEROSPACE CORPORATION

С одной стороны, коммерчески невыгодно везти на борту спутника запас топлива, предназначенного только для того, чтобы свести аппарат с орбиты в конце срока его существования. С другой, многие спутники, в особенности микроаппараты стандарта CubeSat, вовсе не имеют собственных двигателей. Инженеры предлагают множество вариантов дополнительных устройств, которые могут ускорить сход аппарата с орбиты. Это, например, надувные баллоны, которые увеличивают площадь аппарата и, соответственно, сопротивление воздуха, тросовые системы, которые тормозят аппарат за счет воздействия электромагнитных полей. Но пока ни одно из таких устройств не стало стандартом.

Специализированные аппараты для уборки космического мусора, несмотря на высокую стоимость таких проектов, могут быть полезны для предотвращения случаев фрагментации больших аппаратов. «Крупный спутник — это потенциально тысячи мелких фрагментов, которые могут возникнуть при столкновении с другим аппаратом или самопроизвольном разрушении. Специализированный «уборщик» может убирать эти большие объекты, потенциально спосбные фрагментироваться, и тогда они не будут находиться на этих орбитах бесконечно. Если мы будем убирать в год около 4–5 объектов с высоких орбит, это может нивелировать потенциальный рост количества мелких фрагментов в долгосрочной перспективе», — говорит Захваткин.

Много опасений вызывают планы Илона Маска вывести на орбиту около 12 тысяч спутников системы Starlink, которые должны обеспечить глобальный доступ в интернет. Однако Михаил Захваткин полагает, что серьезно ситуацию с космическим мусором этот проект не ухудшит.

«Для группировок системы Starlink и Oneweb предполагается использовать орбиты высотой более 1,1 тысячи километров. Сейчас концентрация потенциально опасных фрагментов в этой области на порядок ниже значений на высотах 800–900 километров. Поэтому добавление такого большого числа аппаратов не сделает ситуацию на этих орбитах критической», — говорит ученый.

Автор: Сергей Кузнецов