Приехали: мусор закрывает дорогу в космос
В настоящее время вокруг Земли вращается более 600 тыс. объектов диаметром более 1 см. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), 41% составляют различные обломки, потерянные инструменты и т.п., 22% - это отработавшие свой срок космические аппараты, 13% от общего числа составляют следы различных экспериментов и научных проектов, 7% - части ракет-носителей. В то же время на функционирующие космические аппараты приходится только 7% огромного количества отходов, связанных с освоением космоса человечеством. Получается, что 93% объектов, вращающихся вокруг Земли, - это бесполезный и опасный мусор, разбросанный по различным орбитам.
Угроза из космоса
Казалось бы космос — пространство огромное и мусор в нем — капля в море. Чем же космический мусор так плох? Прежде всего это вопрос безопасности, ведь современная защита космических аппаратов способна выдержать попадание микрометеоритов диаметром лишь до 1 см. Даже если исключить из списка угроз мусор, за которым следят с Земли, останется более 50 тыс. опасных частиц мусора диаметром больше 1 см, которые движутся с огромной скоростью. Любая из них может неожиданно пробить борт космического аппарата и вызвать разрушения, сравнимые с попаданием бронебойного малокалиберного снаряда.
Людям, никогда не интересовавшимся освоением космоса, тоже есть о чем беспокоиться: иногда космический мусор падает на Землю и вполне может убить. Наиболее известными случаями падения с орбиты была гибель космических станций Skylab и "Салют-7". Оба этих крупных аппарата стали жертвами солнечной активности, потеряли управление и вошли в атмосферу. К счастью, обломки Skylab упали в малонаселенных районах Австралии и обломком была убита только корова. В 1991 году судьбу американской станции повторила советская станция "Салют-7", которая распалась на десятки фрагментов над Аргентиной.
Были случаи, когда несгоревший космический мусор ранил и людей. Например, в 1997 году обломок 2-й ступени ракеты-носителя Delta ранил женщину в плечо.
Есть и другая опасность: по приблизительным оценкам сегодня на орбите находятся около 60 космических аппаратов с радиоактивными материалами на борту. В 1978 году советский спутник Космос-954 осыпал радиоактивными обломками северную часть Канады. С тех пор на Землю упали 9 объектов с ядерными материалами.
Под обстрелом
К сожалению, уже есть множество случаев столкновения космических аппаратов с мусором. Так, частица мусора 1 см в диаметре пробила антенну телескопа "Хаббл". Российскому спутнику "Экспресс АМ11" повезло меньше: в 2006 году удар микроскопической частицы мусора повредил систему терморегулирования, в результате чего спутник вышел из строя и на некоторое время оставил Дальний Восток без телевещания.
Этот пример хорошо демонстрирует уязвимость современной инфраструктуры. Люди слишком зависимы от GPS, мобильной связи и интернета. Космический мусор может спровоцировать катастрофу, угрожающую здоровью и жизни людей. Насколько она вероятна? Это можно оценить, взглянув на некоторые цифры: на высотах между 788 и 1000 км летает около 1100 спутников и 370 тыс. частиц космического мусора, каждая из которых может вывести спутник из строя. Вероятность столкновения с достаточно крупным объектом на такой высоте составляет от 15 до 30% на протяжении 150 лет. Пока статистика радует - спутники погибают от мусора в среднем раз в десять лет. Однако это стоит огромных финансовых затрат, которые включают бронезащиту аппаратов и постоянный мониторинг космического пространства. К сожалению, количество мусора растет (в среднем на 5% в год), и статистика неизбежно начнет ухудшаться.
Особое внимание привлекает проблема угрозы космического мусора пилотируемой космонавтике. Тонкая обшивка космических кораблей не в силах остановить частицы мусора диаметром более 1 см. Космонавты, работающие на МКС, периодически сталкиваются с угрозой мусора. Несколько раз им даже приходилось в срочном порядке занимать места в спасательном корабле. Последний такой случай произошел в начале апреля нынешнего года, когда специалисты с Земли слишком поздно обнаружили 18-см обломок китайского спутника, и времени на корректировку орбиты уже не оставалось. Эксперты НАСА полагают, что в течение следующих 10 лет есть один из десяти шансов, что космический мусор серьезно повредит МКС.
Самую богатую историю "обстрелов" накопили американские шаттлы. Наиболее известен случай, который произошел в 2006 году с шаттлом Atlantis, когда небольшая частица космического мусора пробила панель радиатора, одну стенку грузового отсека и застряла в противоположной. В следующем году дыру в несколько сантиметров получил и шаттл Endeavour.
Брешь, пробитая в шаттле Endeavour куском космического мусора
В настоящее время космонавтам остается только надеяться, что мусорный "снаряд" не выведет из строя жизненно важные системы корабля и не убьет экипаж. Однако очевидно, что с выходом в космос коммерческих пилотируемых кораблей и предполагаемого увеличения "заселенности" околоземного пространства, одной надежды мало.
Серьезную опасность представляют не только крупные, но и микроскопические частицы мусора. Однажды стекло кабины шаттла было серьезно повреждено кусочком краски размером менее 0,3 мм! Нельзя не учитывать, что на скорости 14 млн м/с даже такие, вроде бы пренебрежительно малые, частицы становятся настоящими пулями, способными убить космонавта в скафандре или вывести из строя внешнее оборудование космического корабля. К слову, во время осмотра астронавтами солнечных панелей телескопа Хаббл, были найдены тысячи следов ударов микрометеоритов. О количестве мелкого мусора на околоземной орбите красноречиво говорит тот факт, что стекла шаттлов в течение службы телескопа меняли около 80 раз.
Орбиту Земли надо срочно очищать от космического мусора – такое мнение разделяют крупнейшие космические агентства. Однако очистка космоса, засорение которого длится более 50 лет, - это серьезная технологическая задача. Вопрос, как обезопасить космонавтику от последствий своих же необдуманных действий, очень сложен. Прежде всего, препятствием является большое рассеяние и высокая скорость частиц космического мусора, а также их количество и зачастую слишком малый для надежного обнаружения размер.
Кардинальное решение
Очистка орбиты – наиболее сложная, и одновременно интересная часть решения проблемы космического мусора. В рамках многочисленных инициатив и конкурсов разработаны десятки оригинальных проектов по "генеральной уборке" околоземного пространства. Вот некоторые из проектов, реализация которых, возможна в ближайшее время.
Грандиозный мячик
Специалист НАСА по космическому мусору Николас Джонсон (Nicholas Johnson) несколько лет назад активно продвигал идею использования для очистки орбиты огромного шара из аэрогеля.
Сфера NERF диаметром 1,6 км, состоящая из сверхлегкого пористого материала, должна принимать на себя удары частиц мусора и замедлять их. Таким образом происходит постепенное снижение скорости движения мусора и очистка орбиты.
Преимуществом NERF является возможность борьбы даже с самыми мелкими, меньше 1 мм, частицами мусора. К тому же, аэрогель настолько легок, что отколовшиеся куски самого шара не способны повредить космические аппараты. Стоимость такого "мусорщика" относительно невелика – кусок аэрогеля, помещающийся на ладонь, стоит около 100 долл., 1,6-км NERF будет стоить всего около 1 млн долл.
Впрочем, у предложения Джонсона есть и недостатки. Прежде всего, очистка с помощью аэрогеля займет много времени, поскольку крупные, более 1 см, частицы будут прошивать шар насквозь, лишь незначительно снижая свою скорость. Также шар станет препятствием для движения спутников и головной болью по окончании срока эксплуатации.
Лазерная метла
Перспективная технология очистки околоземного пространства - применение высокоэнергетических лазеров. Суть такой "уборки" заключается в нагреве частицы мусора лазерным лучом, в результате чего испаряется микрослой материала и создается реактивная сила. Современные лазеры производят от 100 импульсов в секунду, что позволяет создать достаточно большую совокупную тягу. Если применить ее в нужный момент, можно снизить высоту орбиты частицы мусора до 200 км. На этой высоте трение об атмосферу настолько велико, что космический мусор будет уничтожен за несколько часов.
Специалисты ВВС США рассчитали, что лазерная установка стоимостью менее 200 млн долл., размещенная на экваторе, сможет очистить космос на высоту до 800 км за два года. Ученые НАСА в настоящее время активно работают над лазерной "метлой", защищающей МКС от частиц космического мусора диаметром от 1 до 10 сантиметров. Как уже говорилось, сегодня обшивка МКС способна выдержать удар мусора диаметром менее 1 см, а станции наблюдения на поверхности Земли могут предупредить космонавтов об опасности столкновения с мусором крупнее 10 см. Все, что между этими двумя цифрами представляет смертельную опасность для обитателей станции. И как раз лазер должен закрыть эту брешь в защите, ведь он сможет автоматически наводиться на цель, разогревать частицу мусора и уводить ее с орбиты станции.
Преимущество "лазерной метлы" - в возможности создания активной системы защиты космических аппаратов и высокой эффективности работы по очистке космоса с поверхности Земли. Существуют и серьезные технические проблемы, связанные со сложностью систем обнаружения, наведения и сопровождения малых объектов, движущихся с огромной скоростью. Поэтому неудивительно, что в разработке "противометеоритных" лазеров участвуют американские военные, которые добились большого успеха в создании боевых твердотельных и химических лазеров. Однако их участие порождает жаркие политические дебаты, поскольку существуют международные договоры о запрещении размещения в космосе какого-либо оружия, включая лазерное. Проект наземного лазера сталкивается с теми же проблемами – политики склонны рассматривать его, как противоспутниковое оружие.
Сеть для крупной рыбы
Оборонное агентство DARPA работает над проектом большой электродинамической сети EDDE, которая будет собирать на низкой околоземной орбите куски мусора тяжелее 2 кг. Космический "тральщик" представляет собой группу небольших аппаратов и солнечных панелей общим весом около 100 кг. Каждый модуль EDDE имеет небольшую сеть весом 50 г, которая может захватывать небольшие объекты, движущиеся со скоростью 2-3 м/с. Планируется, что сеть EDDE будет запускаться в направлении скопления космического металлолома, разворачиваться и спускаться в направлении Земли. EDDE может активно маневрировать, обходя спутники и наводясь на новые цели, а захваченный космический мусор в это время продолжит падению в атмосферу.
EDDE движется благодаря силе Ампера и не требует топлива. Поэтому для удаления с низкой околоземной орбиты более чем 2400 объектов космического мусора весом более 2 кг каждый, понадобится 12 сетей EDDE весом 1 т. Если бы эту работу пришлось делать с помощью современных аппаратов с химическими реактивными двигателями, то их понадобилось бы 900 штук, и общий вес этого роя мусорщиков составил бы 800 т.
По мнению разработчиков, за 7 лет 12 аппаратов EDDE должны полностью очистить околоземную орбиту от крупных кусков космического мусора. Первый полет аппарата EDDE запланирован на 2013 год, а разворачивание всей группы должно начаться в 2017 году.
Чисто там, где не сорят
Дорогостоящая уборка космического мусора потеряет смысл, если человечество продолжит загрязнять космос. Поэтому космические державы подписали соглашения, согласно которым они обязуются принять меры по уводу отработавших свой срок космических аппаратов с орбиты Земли. Однако сход с орбиты требует большого количества топлива, которое могло бы использоваться для продления срока службы спутников. Кроме того, зачастую список объектов космического мусора пополняют аппараты с отказавшей системой управления, которые даже при наличии топлива увести с орбиты невозможно. В связи с этим ученые активно ищут дешевые способы ликвидации отработавших спутников.
В основном предлагаются два варианта торможения космических аппаратов с опустевшими баками: либо с использованием атмосферы, либо используя магнитное поле Земли. В зависимости от выбранного варианта спутники должны оснащаться дополнительным оборудованием, предназначенным для увода аппарата с орбиты.
Одним из стандартных элементов оборудования спутников в будущем может стать надувной шар GOLD. Это простое устройство представляет собой оболочку и небольшой баллон с газом. В нерабочем состоянии GOLD занимает мало места, а в случае необходимости газ наполняет оболочку, и рядом со спутником надувается шар диаметром до нескольких сотен метров. Благодаря трению об атмосферу нашей планеты эта конструкция эффективно тормозит спутник, заставляет его снизиться и в конечном итоге сгореть в плотных слоях атмосферы. Преимущество данной идеи в дешевизне и простоте реализации на любых космических аппаратах. Однако есть и серьезные недостатки: воздушный шар уязвим для микрометеоритов и частиц пыли.
В конце прошлого года НАСА запустило на орбиту небольшой спутник NanoSail-D, оснащенный солнечным парусом. Спутник успешно испытал оборудование для развертывания тончайшего полимерного паруса, который продемонстрировал эффективность аэродинамического торможения в разреженной атмосфере на высоте 650 км. Инженерам НАСА удалось поместить парус площадью более 9 м2 и устройство для его развертывания в коробку размером с батон хлеба. Это достижение позволяет оснащать подобным тормозным "парашютом" практически любые спутники. Преимущества паруса заключаются в малом весе оборудования и возможности замедлять и улавливать микроскопические частицы мусора без особого ущерба для главной задачи – увода старого спутника с орбиты. Недостаток видится в невысокой надежности систем, разворачивающих парус: история космонавтики знает слишком много неудач в этой области. Одним из самых перспективных способов увода спутников с орбиты выглядит система EDT, разработанная НАСА. Ее работа базируется на том же принципе, что и сеть EDDE. Устройство EDT представляет собой длинный гибкий электропроводящий кабель, на одном конце которого размещается груз, а на другом - спутник. Система проходит через магнитное поле Земли (или любой другой планеты) и испытывает воздействие силы, противоположной направлению движения кабеля. Таким образом происходит торможение аппарата. С помощью EDT "уронить" спутник с высоты 1390 км можно всего за 37 дней, тогда как без вмешательства он провел бы на орбите Земли 9000 лет.
Полезным "побочным эффектом" использования EDT является генерация электрического тока, который может использоваться бортовой аппаратурой спутника, в том числе для сматывания и разматывания кабеля. Если космический аппарат с помощью собственного генератора (например солнечной панели) преодолеет наведенные токи в кабеле, то орбиту можно наоборот поднять. Получается, что EDT может успешно заменить ракетный двигатель, в том числе на зондах, работающих на орбитах других планет. По расчетам специалистов НАСА, 20-км кабель сможет вырабатывать до 40 кВт электроэнергии, чего достаточно даже для пилотируемых полетов.
Широкое применение EDT осложняется отсутствием достаточной экспериментальной базы и некоторыми проблемами, связанными с колебаниями двух масс, которые порождают на кабеле значительные механические силы.
Грязная работа
"Грязной" работы по уборке околоземного пространства человечеству не избежать – в противном случае мы просто сами закроем дверь в космос. Причем время не терпит. Так, из-за выброса парниковых газов, термосфера Земли (высота от 80 до 800 км) охлаждается. Соответственно, падает ее плотность, что замедляет естественные процессы очистки низкой околоземной орбиты. По подсчетам ученых из Университета Саутгемптона, уже сегодня и без того немалый срок падения неуправляемых космических объектов увеличился на 25 %. Выбор небогат: либо начинать генеральную уборку в космосе, либо отказываться от его освоения.
Михаил Левкевич / CNews
Поделиться