Щороку 12 квітня у світі відзначають Міжнародний день польоту людини в космос. Цьогоріч виповнилося 60 років із дня першого такого польоту, який здійснив Юрій Гагарін. Початок же космічній ері поклав запуск на орбіту першого штучного супутника Землі 4 жовтня 1957 року. З кінця 50-х років минулого століття вперше порушили й тему засмічення космосу.
Так, дослідження й освоєння космосу та запуск орбітальних апаратів мають велике значення для людства, але є в цього процесу й зворотний бік – навколоземна орбіта перетворюється на космічне сміттєзвалище. Про те, що таке космічне сміття, скільки його накопичилося, чим воно небезпечне та які методи очищення від нього навколоземного простору сьогодні розробляють, – читайте в матеріалі ЕкоПолітика.
Що таке космічне сміття та які джерела його утворення
Космічне, або орбітальне, сміття – це всі непрацездатні об'єкти, створені й запущені людиною в космос, та їхні фрагменти, що з'явилися в результаті руйнування. Інакше кажучи, це абсолютно всі сліди людської діяльності з моменту початку освоєння космосу людиною. До космічного сміття можна віднести все що завгодно: старі супутники, уламки та частини ракет, дрібні запчастини, гайки і болти і навіть частинки фарби, які відшарувалися.
Водночас в американській корпорації Aerospace стверджують, що на орбіті з шаленою швидкістю рухаються викрутки, гайкові ключі, рукавички, камери, кришки об'єктивів, мішки для сміття, частинки твердого палива, сумка для інструментів і зубна щітка – її 2012 року астронавти пристосували для лагодження зовнішнього енергетичного блоку на МКС.
Лідерами в забрудненні навколоземного простору космічним сміттям є Російська Федерація, США та Китай. На ці країни випадає 93% космічного сміття. Щорічно його загальний обсяг збільшується на 4%.
У звіті Організації економічного співробітництва і розвитку (ОЕСР), опублікованому у квітні 2020 року, вказано країни, які згенерували найбільшу кількість космічного сміття:
- Росія / СРСР (5163 об'єкти);
- США (4897 об'єктів);
- Китай (3717 об'єктів);
- Франція (508 об'єктів);
- Індія (131 об'єкт);
- Японія (115 об'єктів);
- Європейське космічне агентство (ESA) (58 об'єктів).
Основними джерелами виникнення нового орбітального сміття є:
- вибухи баків рухових установок супутників і розгінних блоків (других ступенів ракет);
- випробування протисупутникової зброї.
Скільки космічного сміття нині
Космічне сміття почало накопичуватися з моменту запуску першого штучного супутника у 1957 році. Про це, зокрема, йшлося у звіті ОЕСР. Першим космічним сміттям став фрагмент ракети, який вивів перший штучний супутник Землі на навколоземну орбіту. Відтоді обсяги космічного брухту зростають у геометричній прогресії. До часу польоту Юрія Гагаріна в космос у навколоземному просторі вже перебувало 200 рукотворних сміттєвих об'єктів, до 1980 року їх кількість зросла до 500.
До 2007 року на орбіті налічувалося близько 7000 великих уламків. Однак після проведеного Китаєм випробування кінетичної гармати кількість об'єктів космічного сміття зросла на дві тисячі.
Астроном Стюарт Ґрей із Королівського товариства Великобританії створив хвилинний відеоролик, на якому продемонстрував процес забруднення людиною навколоземного простору за останні 60 років.
За даними Європейського космічного агентства (ЄКА, ESA) і Управління ООН з питань космічного простору (UNOOSA), станом на грудень 2020 року навколо Землі оберталися 2700 працюючих супутників і 8800 тонн космічного сміття – 26 000 об’єктів, що відстежуються. Найбільшими серед сміття є 1950 відпрацьованих розгінних блоків і верхніх ступенів ракет, а також 2850 супутників, що вийшли з ладу. Ще 21 000 об’єктів і фрагментів не ідентифіковано. Поза роздільною здатністю наземних інструментів залишаються 34 тисячі уламків, які більші за 10 сантиметрів, 900 тисяч фрагментів розмірами від одного до 10 сантиметрів і 128 мільйонів ще більш дрібних предметів.
Тільки в межах однієї місії у 2021 році на орбіті з’явилось 143 нових апарати. Це в кілька разів більше, ніж за весь 2010 рік. Цей рекорд із кількості супутників, відправлених у космос у межах однієї місії, встановила компанія Ілона Маска SpaceX.
Що таке синдром Кесслера та чим загрожує космічне сміття
"Уявіть собі, що всі морські кораблі, втрачені за минулі століття, дрейфували би на поверхні океанів. Це саме те, що зараз відбувається на орбіті, і ця ситуація не може тривати", – заявив голова ЄКА Йохан-Дітріх Вернер.
Середня тривалість життя апаратів, що обертаються навколо нашої планети, становить 10-15 років. Після цього вони фактично перетворюються на космічне сміття. Найбільша концентрація об'єктів зосереджується на низькій навколоземній орбіті (ННО) на висоті від 800 до 1 тис. км і на висоті 1,4 тис. км.
До того ж космічне сміття обертається навколо Землі зі швидкістю приблизно 7–8 км/с. А середня швидкість зіткнення орбітального сміття з іншим космічним об'єктом – приблизно 10 км/с і може сягати 15 км/с, зазначають у NASA. Тож під час зіткнень навіть невеликі космічні уламки можуть пошкодити космічні кораблі та інші об'єкти.
Зіткнення двох великих об'єктів, які більше не виконують корисних функцій, може призвести до утворення значної кількості нових фрагментів, як це було, наприклад, під час зіткнення американського супутника зв’язку Iridium-33 із непрацездатним російським воєнним апаратом "Космос -2251". Їхня відносна швидкість руху становила близько 14-16 км/с. У результаті зіткнення утворилася велике хмара осколків, які згодом розлетілися на велику площу.
Днями Європейський союз космічного спостереження і стеження (EUSST) попередив про близьке зближення двох неактивних супутників. Катастрофа могла статися о 20:18 9 квітня. Зіткнення двох великих частин сміття з відносною швидкістю 14,5 км/сек над сибірською Арктикою могло б призвести до утворення 1900 кг дрібнішого сміття по орбітальному простору Землі.
Процес утворення і "розмноження" космічного сміття отримав назву "синдром Кесслера" – за іменем науковця НАСА Дона Кесслера, який теоретично описав так званий синдром, що подібний до ефекту доміно на орбіті: у разі перевищення певної критичного кількості космічного сміття ймовірність зіткнень може почати неконтрольовано зростати. У результаті зіткнень буде з'являтися нове сміття, що врешті-решт зробить низькі орбіти непридатними для використання.
Тож запуск дедалі більшої кількості нових космічних апаратів і не утилізація старих створюють проблему забруднення ближнього космосу. Сміття землянам майже ніяк не шкодить, зате космонавтам, супутникам і космічним кораблям загрожує зіткненнями, аваріями та катастрофами. Це, відповідно, ставить під загрозу здійснення взагалі будь-яких космічних польотів.
Найбільш помітні симптоми цієї проблеми – це регулярні маневри, які здійснює Міжнародна космічна станція (МКС), щоб уникнути зіткнень, і дедалі частіша тривожна необхідність її мешканців ховатися в укритті, коли якийсь уламок помічають надто пізно. Найбільшу небезпеку – як для МКС, так і для космічних кораблів і ракет – становлять великі частки, які розміром більші за 10 см.
Від інших станцію захистить обшивка – її роблять досить міцною для таких зіткнень. Якщо ж є ризик перетину з більшим сміттям, то інженери вносять зміни в траєкторію або план польоту. У випадку з МКС таке відбувається нечасто – станція розташована на висоті близько 400 км, і сміття там небагато. Але якщо виникає хоч невелика ймовірність, навіть якщо шанс "імпакту" 1 до 10 тисячам, МКС змінює розташування. У НАСА говорять, що зазвичай це відбувається не частіше ніж один раз на рік.
Те, яку небезпеку становить навіть дрібне сміття на орбіті, яскраво ілюструє голлівудський фільм "Гравітація" (2013) із Сандрою Буллок і Джорджем Клуні. Підтверджують небезпеку орбітального сміття й реальні випадки. Зокрема, у 1983 році міліметрова піщинка залишила тріщину на ілюмінаторі шатла й ледь не зірвала весь політ.
Ось таку дірку шматок космічного сміття пробив у 2007 році в панелі радіатора шатла "Індевор".
Соціально-економічні наслідки "синдрому Кесслера" будуть серйозними, наголосили в ESA. Згідно зі звітом, вони можуть зумовити:
- втрату унікальних додатків і функцій, наприклад, інтернету, прогнозу погоди і послуг зв'язку;
- втрату життів – підвищений ризик для космонавтів на МКС;
- переривання досліджень Землі та клімату;
- підвищену скупченість і тиск на інших орбітах;
- стримування економічного зростання та уповільнення інвестицій у сектор.
10 вересня 2020 року Forbes опублікував список із 50 об'єктів космічного сміття на низькій навколоземній орбіті, які, за твердженнями аналітиків, становлять найбільшу загрозу для Землі.
Небезпеки для тих, хто залишається на поверхні Землі, сміття на орбіті майже не становить. За розрахунками NASA, вірогідність того, що хтось отримає травму через падіння уламка з неба, становить 1:3200. Хоча іноді космічне сміття падає на Землю. Об'єкти великих розмірів, які рухаються по досить низьким орбітах, з часом можуть входити в атмосферу. Їхня швидкість сповільнюється, вони падають і частково згоряють. А вже окремі фрагменти досягають поверхні нашої планети.
Найвідоміший випадок, коли сміття з космосу впав на людину, стався в 1997 році в Оклахомі (США). Жінка на ім'я Лотті Вільямс побачила під час прогулянки вогненну кулю та смугу в небі. А трохи пізніше відчула біль у плечі. "Обернувшись, я побачила на землі якийсь дивний об'єкт. На дотик він був схожий на шматок тканини, але, коли я стискала його, він нагадував метал", – розповідала Вільямс. Як з’ясувалося, це був фрагмент паливного бака ракети Delta II, яка запускала на орбіту супутник ВВС США.
Падають на Землю і набагато більші об'єкти. Наприклад, у 1978 році на територію Канади впав радянський супутник "Космос-594" вагою близько 900 кг. Проте ніхто не постраждав.
Яким може бути космічне прибирання
Очистити космічний простір від орбітального сміття – одне з найбільших космічних завдань XXI століття. Ніхто поки точно не знає, як утилізувати космічне сміття. Але з 1993 року, коли проблему вперше підняли на міжнародний рівень, генсек ООН заявив, що не буває засмічення національного навколоземного простору, тільки загального, – з'явилося кілька теорій.
Учені з різних країн пропонували:
1) збирати уламки гігантськими металевими мережами;
2) буксирувати їх далі від Землі або змінювати їхні орбіти за допомогою іонних пучків, наземних лазерів;
3) випаровувати сміття лазерами, встановленими на супутниках;
4) відкидати їх величезними електромагнітами в земну атмосферу, щоб вони в ній згорали;
5) просто збирати його для подальшої переробки;
6) розсіяти навколо Землі хмару вольфрамового пилу товщиною 30 км, яке буде захоплювати дрібне сміття.
Справа з прибиранням орбіти просувається не так швидко, як із засміченням. Економічно рентабельного та дієвого методу з утилізації космічного сміття на орбітах понад 600 км поки немає. Тобто ідей, як це робити, в інженерів вистачає, але конкретні кроки в цьому напрямі — рідкість. Найрішучіше діють європейське та японське космічні агентства. Вони прагнуть прибрати відпрацьовані ступені двох своїх ракет у межах паралельних проєктів. Але станеться це не раніше ніж у середині поточного десятиліття.
До 2025 року планують реалізувати місію ESA ClearSpace-1. Апарат муситиме захопити Vespa – старий адаптер корисного навантаження ракети Vega, який на орбіті з 2013 року.
Також є швейцарський стартап CleanSpace, який уже кілька років працює над апаратом, що буде виводити з орбіти відпрацьовані малі супутники. На сайті компанії довгий час було написано, що "двірника" запустять у 2018 році. Потім запуск відклали до 2024 року. Найперше апарат за допомогою сітки має захопити наносупутник (10х10 см) SwissCube, який крутиться навколо Землі з 2009 року.
Крім того, на 2023 рік заплановано запуск апарату e.Deorbit, який створюється Європейським космічним агентством. Першою метою e.Deorbit стане найбільший супутник в історії – 26-метровий восьмитонний Envisat, який запустили для дослідження Землі з космосу в 2002 році. Апарат має захопити Envisat за допомогою щупалець або сітки (автори поки не вирішили) і разом із ним зійти з орбіти Землі, ймовірно, скинувши якоїсь миті супутник, щоб той згорів в атмосфері.
RemoveDEBRIS – ще один мисливець за здобиччю на орбіті. Крім сітки, супутник RemoveDEBRIS оснащений гарпуном, який може пробивати корпус космічних об'єктів. Кілька років тому прототип випробували в космосі, доставивши супутник на МКС.
ОЕСР зазначає, що принципи запобігання утворенню космічного сміття для операторів, які керують супутниками на низькій навколоземній і геостаціонарній орбітах, такі:
- уникати навмисного утворення сміття (зокрема протисупутникових випробувань);
- мінімізувати ймовірність випадкових вибухів;
- дотримуватися правил зведення з низької навколоземної орбіти супутника за 25 років після завершення місії; неробочі супутники з геостаціонарної орбіти потрібно відправляти на вищу "орбіту захоронення";
- за можливості потрібно уникати зіткнень, а також зводити до мінімуму ризик нещасних випадків на Землі через повторний вхід супутників в атмосферу.
Як повідомляла ЕкоПолітика, на навколоземну орбіту вивели магніт КА ELSA-d японського виробника Astroscale, завдання якого – збирати космічне сміття. Супутник вагою 200 кг не призначений для повномасштабної роботи – це тестова платформа. Він має продемонструвати принципову можливість такого типу прибирання та її ефективність.
