Ежегодно 12 апреля в мире отмечают Международный день полета человека в космос. В этом году исполнилось 60 лет с дня первого такого полета, который совершил Юрий Гагарин. Начало же космической эре положил запуск на орбиту первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года. С конца 50-х годов прошлого века впервые нарушили и тему засорения космоса .
Так, исследование и освоение космоса и запуск орбитальных аппаратов имеют большое значение для человечества, но есть у этого процесса и обратная сторона – околоземная орбита превращается в космическую свалку. О том, что такое космический мусор, сколько его накопилось, чем он опасен и какие методы очистки от него околоземного пространства сегодня разрабатывают, – читайте в материале ЭкоПолитика.
Что такое космический мусор и источники его образования
Космический, или орбитальный, мусор – это все неработоспособные объекты, созданные и запущены человеком в космос, и их фрагменты, появившиеся в результате разрушения. Иначе говоря, это абсолютно все следы человеческой деятельности с момента начала освоения космоса человеком. К космическому мусору можно отнести все что угодно: старые спутники, обломки и части ракет, мелкие запчасти, гайки и болты и даже частицы краски, которые отслоились.
В то же время в американской корпорации Aerospace утверждают, что на орбите с огромной скоростью движутся отвертки, гаечные ключи, перчатки, камеры, крышки объективов, мешки для мусора, частицы твердого топлива, сумка для инструментов и зубная щетка – ее в 2012 году астронавты приспособили для починки внешнего энергетического блока на МКС.
Лидерами в загрязнении околоземного пространства космическим мусором являются Российская Федерация, США и Китай . На эти страны приходится 93% космического мусора. Ежегодно его общий объем увеличивается на 4%.
В отчете Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), опубликованном в апреле 2020 года, указано страны, которые сгенерировали наибольшее количество космического мусора:
- Россия/СССР (5163 объекта);
- США (4897 объектов);
- Китай (3717 объектов);
- Франция (508 объектов);
- Индия (131 объект);
- Япония (115 объектов);
- Европейское космическое агентство (ESA) (58 объектов).
Основными источниками возникновения нового орбитального мусора являются:
- взрывы баков двигательных установок спутников и разгонных блоков (вторых ступеней ракет);
- испытания противоспутникового оружия.
Сколько космического мусора сейчас
Космический мусор начал накапливаться с момента запуска первого искусственного спутника в 1957 году. Об этом, в частности, говорилось в отчете ОЭСР. Первым космическим мусором стал фрагмент ракеты, который вывел первый искусственный спутник Земли на околоземную орбиту. С тех пор объемы космического лома растут в геометрической прогрессии. Ко времени полета Юрия Гагарина в космос в околоземном пространстве уже находилось 200 рукотворных мусорных объектов, к 1980 году их число возросло до 500.
К 2007 году на орбите насчитывалось около 7000 крупных обломков. Однако после проведенного Китаем испытания кинетической пушки число объектов космического мусора выросло на две тысячи.
Астроном Стюарт Грей с Королевского общества Великобритании создал минутный видеоролик, на котором продемонстрировал процесс загрязнения человеком околоземного пространства за последние 60 лет.
По данным Европейского космического агентства (ЕКА, ESA) и Управления ООН по вопросам космического пространства (UNOOSA), по состоянию на декабрь 2020 года вокруг Земли вращались 2700 работающих спутников и 8800 тонн космического мусора – 26 000 отслеживаемых объектов. Крупнейшими среди мусора являются 1950 отработанных разгонных блоков и верхних ступеней ракет, а также 2850 спутников, вышедших из строя. Еще 21 000 объектов и фрагментов не идентифицированы. Вне разрешения наземных инструментов остаются 34 тысячи обломков, которые больше 10 сантиметров, 900 тысяч фрагментов размерами от одного до 10 сантиметров и 1280 миллионов еще более мелких предметов.
Только в пределах одной миссии в 2021 году на орбите появилось 143 новых аппарата. Это в несколько раз больше, чем за весь 2010 год. Этот рекорд по количеству спутников, отправленных в космос в рамках одной миссии, установила компания Илона Маска SpaceX.
Что такое синдром Кесслера и чем грозит космический мусор
"Представьте себе, что все морские корабли, утраченные за прошедшие века, дрейфовали бы на поверхности океанов. Это именно то, что сейчас происходит на орбите, и эта ситуация не может продолжаться", – заявил председатель ЕКА Йохан-Дитрих Вернер.
Средняя продолжительность жизни аппаратов, вращающихся вокруг нашей планеты, составляет 10-15 лет. После этого они фактически превращаются в космический мусор. Наибольшая концентрация объектов сосредотачивается на низкой околоземной орбите (ННО) на высоте от 800 до 1 тыс. км и на высоте 1,4 тыс. км.
К тому же космический мусор вращается вокруг Земли со скоростью примерно 7-8 км/с. А средняя скорость столкновения орбитального мусора с другим космическим объектом – примерно 10 км/с и может достигать 15 км/с, отмечают в NASA . Поэтому во время столкновений даже небольшие космические обломки могут повредить космические корабли и другие объекты.
Столкновение двух крупных объектов, которые больше не выполняют полезных функций, может привести к образованию значительного количества новых фрагментов, как это было, например, во время столкновения американского спутника связи Iridium-33 с нетрудоспособным российским военным аппаратом "Космос -2251" . Их относительная скорость движения составляла около 14-16 км/с. В результате столкновения образовалась большое облако осколков, которые впоследствии разлетелись на большую площадь.
На днях Европейский союз космического наблюдения и слежения (EUSST) предупредил о скором сближении двух неактивных спутников. Катастрофа могла произойти в 20:18 9 апреля. Столкновение двух больших частей мусора с относительной скоростью 14,5 км/сек над сибирской Арктикой могло бы привести к образованию 1900 кг мелкого мусора по орбитальному пространству Земли.
Процесс образования и "размножения" космического мусора получил название "синдром Кесслера" – по имени ученого НАСА Дона Кесслера, который теоретически описал так называемый синдром, подобный эффекту домино на орбите: в случае превышения определенного критического количества космического мусора вероятность столкновений может начать неконтролируемо расти. В результате столкновений будет появляться новый мусор, что в конце концов сделает низкие орбиты непригодными для использования.
Поэтому запуск все большего числа новых космических аппаратов и не утилизация старых создают проблему загрязнения ближнего космоса. Мусор землянам почти никак не вредит, зато космонавтам, спутникам и космическим кораблям грозит столкновениями, авариями и катастрофами. Это, соответственно, ставит под угрозу осуществление вообще любых космических полетов.
Наиболее заметные симптомы этой проблемы – это регулярные маневры, которые осуществляет Международная космическая станция (МКС), чтобы избежать столкновений, и все частая тревожная необходимость ее жителей прятаться в укрытии, когда какой-то обломок замечают слишком поздно. Наибольшую опасность – как для МКС, так и для космических кораблей и ракет – составляют крупные частицы, которые размером крупнее 10 см.
От других станцию защитит обшивка – ее делают достаточно прочной для таких столкновений. Если же есть риск пересечения с большим мусором, то инженеры вносят изменения в траекторию или план полета. В случае с МКС такое происходит нечасто – станция расположена на высоте около 400 км, и мусор там немного. Но если возникает хоть небольшая вероятность, даже если шанс "импакта" 1 к 10 тысячам, МКС меняет расположение. В НАСА говорят, что обычно это происходит не чаще чем один раз в год.
То, какую опасность представляет даже мелкий мусор на орбите, ярко иллюстрирует голливудский фильм "Гравитация" (2013) с Сандрой Буллок и Джорджем Клуни. Подтверждают опасность орбитального мусора и реальные случаи. В частности, в 1983 году миллиметровая песчинка оставила трещину на иллюминаторе шаттла и едва не сорвала весь полет.
Вот такую дыру кусок космического мусора пробил в 2007 году в панели радиатора шаттла "Индевор ".
Социально-экономические последствия "синдрома Кесслера" будут серьезными, отметили в ESA. Согласно отчету, они могут вызвать:
- потерю уникальных приложений и функций, например, интернета, прогноза погоды и услуг связи;
- потерю жизней – повышенный риск для космонавтов на МКС;
- прерывание исследований Земли и климата;
- повышенную скученность и давление на других орбитах;
- сдерживание экономического роста и замедление инвестиций в сектор.
10 сентября 2020 года Forbes опубликовал список из 50 объектов космического мусора на низкой околоземной орбите, которые, по утверждениям аналитиков, представляют наибольшую угрозу для Земли.
Опасности для тех, кто остается на поверхности Земли, мусор на орбите почти не представляет. По расчетам NASA, вероятность того, что кто-то получит травму из-за падения обломка с неба, составляет 1:3200. Хотя иногда космический мусор падает на Землю. Объекты больших размеров, которые движутся по достаточно низким орбитам, со временем могут входить в атмосферу. Их скорость замедляется, они падают и частично сгорают. А уже отдельные фрагменты достигают поверхности нашей планеты.
Самый известный случай, когда мусор из космоса упал на человека, произошел в 1997 году в Оклахоме (США). Женщина по имени Лотти Уильямс увидела во время прогулки огненный шар и полосу в небе. А чуть позже почувствовала боль в плече. "Обернувшись, я увидела на земле странный объект. На ощупь он был похож на кусок ткани, но, когда я сжимала его, он напоминал металл", – рассказывала Уильямс. Как выяснилось, это был фрагмент топливного бака ракеты Delta II, которая запускала на орбиту спутник ВВС США.
Падают на Землю и гораздо большие объекты. Например, в 1978 году на территорию Канады упал советский спутник "Космос-594" весом около 900 кг. Однако никто не пострадал.
Какой может быть космическая уборка
Очистить космическое пространство от орбитального мусора – одна из крупнейших космических задач XXI века. Никто пока точно не знает, как утилизировать космический мусор. Но с 1993 года, когда проблему впервые подняли на международный уровень, генсек ООН заявил, что не бывает засорения национального околоземного пространства, только общего, – появилось несколько теорий.
Ученые из разных стран предлагали:
1) собирать обломки гигантскими металлическими сетями;
2) буксировать их дальше от Земли или изменять их орбиты с помощью ионных пучков, наземных лазеров;
3) испарять мусор лазерами, установленными на спутниках;
4) отбрасывать их огромными электромагнитами в земную атмосферу, чтобы они в ней сгорали;
5) просто собирать его для дальнейшей переработки;
6) рассеять вокруг Земли облако вольфрамовой пыли толщиной 30 км, которое будет захватывать мелкий мусор.
Дело с уборкой орбиты продвигается не так быстро, как с засорением. Экономически рентабельного и эффективного метода утилизации космического мусора на орбитах более 600 км пока нет. То есть идей, как это делать, у инженеров хватает, но конкретные шаги в этом направлении – редкость. Решительно действуют европейское и японское космические агентства. Они стремятся убрать отработанные степени двух своих ракет в рамках параллельных проектов. Но произойдет это не раньше середины текущего десятилетия.
К 2025 году планируют реализовать миссию ESA ClearSpace-1. Аппарат должен будет захватить Vespa – старый адаптер полезной нагрузки ракеты Vega, который на орбите с 2013 года.
Также существует швейцарский стартап CleanSpace, который уже несколько лет работает над аппаратом, который будет выводить из орбиты отработанные малые спутники. На сайте компании долгое время было написано, что "дворника" запустят в 2018 году. Затем запуск отложили до 2024 года. Прежде всего аппарат с помощью сетки имеет захватить наноспутник (10х10 см) SwissCube, который крутится вокруг Земли с 2009 года.
Кроме того, на 2023 год запланирован запуск аппарата e.Deorbit, который создается Европейским космическим агентством. Первой целью e.Deorbit станет крупнейший спутник в истории – 26-метровый восьмитонный Envisat, который запустили для исследования Земли из космоса в 2002 году. Аппарат должен захватить Envisat с помощью щупалец или сетки (авторы пока не решили) и вместе с ним сойти с орбиты Земли, вероятно, сбросив в какой-то момент спутник, чтобы тот сгорел в атмосфере.
RemoveDEBRIS – еще один охотник за добычей на орбите. Кроме сетки, спутник RemoveDEBRIS оснащен гарпуном, который может пробивать корпус космических объектов. Несколько лет назад прототип испытали в космосе, доставив спутник на МКС.
ОЭСР отмечает, что принципы предотвращения образования космического мусора для операторов, управляющих спутниками на низкой околоземной и геостационарной орбитах, такие:
- избегать преднамеренного образования мусора (в частности, противоспутниковых испытаний);
- минимизировать вероятность случайных взрывов;
- соблюдать правила сводки с низкой околоземной орбиты спутника за 25 лет после завершения миссии; нерабочие спутники с геостационарной орбиты нужно отправлять на высшую "орбиту захоронения";
- по возможности нужно избегать столкновений, а также свести к минимуму риск несчастных случаев на Земле через повторный вход спутников в атмосферу.
Как сообщала ЭкоПолитика на околоземную орбиту вывели магнит КА ELSA-d японского производителя Astroscale, задача которого – собирать космический мусор. Спутник весом 200 кг не предназначен для полномасштабной работы – это тестовая платформа. Он должен продемонстрировать принципиальную возможность такого типа уборки и ее эффективность.
