Космический мусор: причины появления и возможные последствия, методы его уничтожения и защиты космических аппаратов

С момента запуска первого спутника прошло менее ста лет. Этого времени человечеству хватило, чтобы превратить орбиту планеты в огромную технологическую свалку. Космический мусор стал глобальной проблемой, способной помешать дальнейшему использованию околоземного пространства.

Космический мусор: общая информация

Мусор на орбите – это совокупность нефункционирующих искусственных объектов и их фрагментов на околоземной орбите.

Спутник связи на орбите Земли

На околоземная орбите находится самая большая часть космического мусора. Следующее скопление – геостационарная орбита, расположенная на высоте примерно 36 тыс. км над экваториальным поясом планеты. Третьей зоной «засорения» Вселенной являются солнечно-синхронные орбиты.

Объекты, попавшие в космос, не остаются там навсегда. На них воздействует космическое излучение, микрометеориты, другие фрагменты. Мусор постепенно теряет высоту и сгорает в плотных слоях атмосферы – каждые 10-11 лет перечень опасных обломков уменьшается на 200-300 пунктов.

Объем мусора на орбите

Определить точно, сколько нежелательных объектов летает на орбите, практически невозможно. Обломки постоянно сгорают в атмосфере, фрагментируются, космические аппараты регулярно выходят из строя, увеличивая количество мусора. Кроме того, отслеживать небольшие фрагменты сложно технически. Сегодня на орбите летает тысячи опасных объектов крупного размера и миллионы мелких фрагментов, а их общая масса составляет несколько тысяч тонн.

Согласно подсчетам Европейского космического агентства (на 2013 год), на орбите находились:

• 22 тыс. объектов более 10 см;
• 750 тыс. фрагментов более одного см;
• 160 млн частиц около 1 мм.

Похожие цифры были приведены в докладе, подготовленном учеными российского МГТУ им. Баумана в начале 2019 года.

Основные источники засорения орбиты

Спутник-1 – первый в мире искусственный спутник Земли

В 1979 году американцы запустили первую программу по изучению космических аппаратов, находящихся в нерабочем состоянии. С тех пор это название «космический мусор» прикрепилось к рукотворным объектам, вращающимся вокруг Земли. Любопытна структура искусственных объектов, находящихся в непосредственной близости от нашей планеты:

• работающие аппараты – 6%;
• выведенные из эксплуатации КА – 22%;
• разгонные блоки и ступени РН – 17%;
• технологические элементы, отходы, сопутствующие запускам, фрагменты и обломки – 55%.

Мусор обладает неприятной особенностью: он способен воспроизводиться прямо на орбите. Крупные обломки фрагментируются и образуют миллионы мелких осколков.

Отработавшие спутники

Большинство космических аппаратов работает пять-десять лет, после чего их меняют на новые.

Сегодня сразу несколько компаний планируют покрыть планету доступным спутниковым интернетом. OneWeb для этого хочет вывести на НОО около 700 аппаратов, а SpaceX – более 12 тысяч.

Система спутников Starlink

Подобные проекты способны не только увеличить количество орбитального мусора, но и создают опасность столкновений работающих аппаратов. В начале сентября 2019 года европейский метеоспутник ADM-Aeolus чудом избежал столкновения с аппаратом Starlink от SpaceX.

Еще одной проблемой могут стать кубсаты – малые или сверхмалые спутники, ставшие особенно популярными в последнее десятилетие. Они немного весят и дешево стоят, поэтому их забрасывают на орбиту в виде дополнительного груза десятками штук. При этом они имеют малый срок жизни и практически неуправляемы.

Спутник формата CubeSat

Утилизация отработавших свой срок космических аппаратов происходит путем их спускания в атмосферу или вывода на орбиты захоронения. Крупные объекты затапливают в несудоходных районах Мирового океана. Для транспортировки аппарата на «мусорную» орбиту необходимо дополнительное горючее, а стоимость вывода в космос каждого лишнего килограмма – десятки тысячи долларов. А платить лишние деньги никто не хочет.

Проект «Вестфорд»

Одним из самых крупных единоразовых засорений космоса стал американский проект «Вестфорд», реализованный в начале 60-х годов. Военные хотели создать искусственную ионосферу для обеспечения надежной связи. Для этого на орбиту отправили почти половину миллиарда тонких медных иголок. Иглы работали всего несколько недель, после чего разлетелись, превратившись в мусор. Большая их часть быстро сгорела в атмосфере, но более 40 скоплений до сих пор кружит на орбите.

Ракетные блоки

Последние ступени ракет-носителей возвращаются на Землю, а вот разгонные блоки остаются за пределами атмосферы. Обычно в них остается небольшое количество топлива (5-10%). Поэтому блоки часто взрываются, образуя сотни мелких осколков.

Отстыковка твердотопливных ракетных ускорителей

Другие источники

Космический мусор имеет разное происхождение. Есть вещи и инструменты, потерянные космонавтами. Значительная доля небольших частиц – это несгоревшие остатки твердого ракетного топлива и капли жидкого металла из ядерных установок. Еще одним источником являются испытания противоспутникового оружия: в 2007 году с помощью ракеты Китай сбил свой аппарат «Фэнъюнь-1C».

Опасность космического мусора

Долгое время проблема засорения пространства вокруг нашей планеты казалась исключительно теоретической. Всерьез заниматься мусором в космосе стали только в 80-е годы прошлого столетия.

Угроза для работающих спутников

Метеорологический спутник

Наибольшую опасность обломки спутников и ракет представляют для работающих аппаратов. В космосе нет силы трения, и тела движутся по орбите планеты с огромной и постоянной скоростью.

Наихудший сценарий развития событий в конце 70-х годов описал американский инженер Дональд Кесслер. Согласно ему, бесконтрольное увеличение числа аппаратов в космосе может привести к каскадному эффекту. Взрыв или разрушение одного из них породит тысячи осколков, которые ударят по соседним объектам. Они, в свою очередь, станут источником новых обломков.

Пока вероятность столкновений не слишком высока, но неприятные инциденты уже случались:

• В 1996 году ИСЗ CERISE столкнулся с частью бака РН «Ариан-5».
• В 2006 году после столкновения из строя был выведен российский аппарат «Экспресс-АМ11».
• В 2009 году спутник Iridium налетел на неработающий российский ИСЗ «Космос-2251».

Шаттл Челленджер

Повреждения от столкновений с мусорными частицами получали пилотируемые корабли. В 1983 году после возвращения шаттла Challenger в его иллюминаторе был обнаружен след от удара микрочастицы краски. В 1999 году МКС уклонилась от старого разгонного блока.

Угроза для Земли

Космический мусор опасен и для обитателей планеты, хотя угроза эта не слишком велика. Она может быть реальной в том случае, если на борту есть радиоактивные материалы:

• В 1964 году в атмосфере взорвался американский спутник с ядерной установкой.
• В 1976 году советский военный аппарат с ядерным реактором упал в северной части Канады.

По информации НАСА, каждый год несколько крупных фрагментов КА достигают поверхности Земли.

Проблема мусора на околоземном пространстве способна закрыть для человечества космос.

Поиск и наблюдение за космическим мусором

Отслеживанием опасных космических объектов занимаются многие организации: NASA, EKA, обсерватории крупнейших университетов. Для этого используются радиолокационные станции и мощные телескопы, включая знаменитый «Хаббл».

Телескоп Хаббл

В каталоге американской военной системы US Space Surveillance Network 23 тыс. объектов.

В России для отслеживания и контроля небесных объектов используется военная система СПРН и сеть «гражданских» станций наблюдения. Существует центр предупреждения об опасных ситуациях в космосе (АСПОС), который располагает 36 телескопами. Они могут обнаружить объекты на высотах до 50 тыс. км. В каталоге системы СПРН 15,8 тыс. объектов.

Основные методы защиты космических аппаратов

Отследить траекторию мелкой мусорной частицы практически невозможно. Но от нее можно защититься с помощью специального экрана. Сегодня используются многослойные конструкции, состоящие из алюминия, керамики и полиамидных волокон. Более тяжелые фрагменты можно засечь с помощью телескопов или радаров, но от них аппаратам приходится уклоняться.

Международная космическая станция

При высокой вероятности столкновения экипаж переводится в грузовой корабль, чтобы в случае аварии экстренно эвакуироваться.

Способы решения проблемы

Все существующие и перспективные пути решения проблемы космического мусора вокруг Земли можно разделить на две большие группы: профилактика и уборка.

К профилактическим мерам относят:

• снижение веса запускаемых аппаратов;
• усиление защиты;
• увеличение срока эксплуатации;
• обязательная утилизация КА;
• повышение маневренности.

Такие решения способны замедлить дальнейшее «замусоривание» пространства, но они не уберут объекты, уже находящиеся там. Сегодня проверенных и надежных средств борьбы с орбитальным мусором не существует. Ниже приведены проекты, над которыми работают ученые.

Лазеры

По замыслу инженеров, лазерный луч будет буквально испарять опасные объекты. Сейчас российские ученые ведут работы над созданием подобной системы для защиты МКС.

Гарпун и невод

Идея в том, чтобы захватывать нефункционирующие аппараты с помощью сверхпрочной сети или гарпунить их, а затем отправлять в плотные слои атмосферы. В начале 2019 года она была успешно испытана – британский аппарат RemoveDEBRIS сумел захватить фрагмент спутника.

Воздушные шары для мусора

Данный проект называется GOLD System. Большой и тонкий воздушный шар должен оборачивать фрагменты мусора, увеличивая их аэродинамическое сопротивление.

Буксир с солнечным парусом

Исследовательский центр Surrey Space Centre работает над космической системой уборки мусора с солнечным парусом. Аппарат HybridSail с помощью троса будет цеплять фрагменты, разворачивать парус и уводить их с орбиты.

Солнечный парус

Вольфрамовый веник на орбите

Идею придумал ученый Гурудас Гангули из США. Он предложил распылить на высоте 1,1 тыс. км облако из частиц вольфрама. По его расчетам, такой тяжелый и плотный металл будет медленно опускаться к Земле, попутно тормозя мелкие фрагменты мусора. Гангули полагает, что пыль не будет вредить работающим аппаратам. Для реализации проекта потребуется 20-25 лет.

Реактивный буксир-самоубийца

Для уборки орбитального мусора предлагают использовать аппараты-буксиры, заталкивающие опасные объекты в атмосферу. Предполагается, что при этом они и сами будут сходить с орбиты.

Орбитальный мусоровоз

Есть несколько проектов по переработке космического мусора прямо на орбите. Рациональное зерно в этой идее есть – спутники содержат много редких и драгоценных металлов.