Чем засоряется космическое пространство
Чем опасен космический мусор и как его уничтожают
По разным оценкам, количество космического мусора на орбите Земли варьируется от 220 до 300 тысяч объектов. При этом, объекты, размером в поперечнике более 1 см, составляют от 20 до 33% (от 60 тыс. до 100 тыс) всего космического мусора. Только представьте, какой эффект может оказать «астрономическая пуля» на пролетающий мимо космический корабль. Конечно, в масштабах нашей орбиты это кажется несущественным, но по мнению ученых, после 2055, в результате взаимного саморазрушения уже имеющегося на орбите мусора, проблема космического мусора станет серьезным препятствием для дальнейшего освоения космоса. Теперь подробнее об этом и других возможных последствиях.
Суть проблемы
Угроза физического столкновения
За всё время программы шаттлов, на них было обнаружено порядка 170 следов на иллюминаторах от столкновения, к счастью с микрочастицами (0,2 мм в диаметре). Около 70 иллюминаторов пошли под замену. На изображении слева кратер диаметром 2.5 мм от частицы краски.
Французская ракета Arian. Источник — ESA
Столкновение Космос-2251 и Iridium 33. Источник — vermarushabh.blogspot.com
Для контроля мусора космическими агентствами ведутся соответствующие реестры, отслеживающие относительно крупные (от нескольких сантиметров) объекты. Так, например. основываясь на имеющихся данных, МКС несколько раз в год корректирует своё положение на орбите, дабы избежать столкновения.
Синдром Кесслера
Помимо угрозы физического уничтожения, космический мусор может являться причиной полной непригодности ближнего космоса для практического использования. Данную теорию описывает так называемый синдром Кесслера, описанный консультантом НАСА Дональдом Кесслером в 1978 году. Суть данной теории заключается в «эффекте домино». По мере увеличения количества объектов на орбите увеличивается и количество потенциальных источников мусора. Столкновение двух крупных объектов приведет к появлению большого количества новых, более мелких объектов. В свою очередь, каждый из них может столкнуться с другим объектом. Таким образом возникает «цепная реакция», ведущая к появлению всё новых и новых обломков. По итогу, при достаточно большом количестве столкновений, количество образовавшегося мусора на орбите сделает невозможным её использование.
Однако на низких орбитах взаимодействие с атмосферой постепенно уменьшает количество мусора, и это подводит нас к следующей угрозе.
Падение космического мусора на Землю
Объекты, находящиеся на низкой орбите, еще находятся под влиянием атмосферы земли и постепенно замедляются, в результате через какое-то время начинают снижаться и входить в более плотные слои атмосферы. Многие объекты сгорают в атмосфере, но есть и те, что достигают поверхности планеты. Так, по данным НАСА, почти ежегодно отдельные фрагменты космических аппаратов достигают поверхности Земли.
Кладбище космических кораблей
Точка Немо — это самая удаленная от суши место на Земле, также называемая океаническим полюсом недоступности. Полюс недоступности — это место, которое наиболее сложно достигнуть из-за её удалённости, обычно от береговой линии. Ближайшая суша находиться в 2688 километрах от Точки Немо, а ближайшим населенным местом периодически становится МКС, орбита которой проходит над этим местом. Низкое содержание питательных веществ (круговорот в южной части Тихого океана блокирует попадание питательных веществ в этот район) и удаленность от прибрежных вод делают это место практически безжизненным, поэтому Точка Немо — идеальное место для захоронения космических аппаратов. Периодически этот район называют кладбищем космических кораблей. Некоторые русскоязычные источники называют этот район закрытым для судоходства, но судя по отсутствию нормативных документов и регламента процедуры захоронения (о которой чуть ниже) данный запрет носит рекомендательный характер. Ответственность за движение судов в этом регионе разделяют Чили и Новая Зеландия. За несколько дней до спуска космического аппарата, космические агентства предупреждают службы этих стран, которые в свою очередь доносят соответствующие предупреждения избегать этот район до летчиков и капитанов морских судов.
Похороны космического аппарата
Как и при любой другой космической операции, захоронение космического аппарата требует соответствующей подготовки. После проведения необходимых расчетов и предупреждения местных властей, аппарат, достигнув необходимого местоположения, начинает торможение. Как упоминалось выше, небольшие и компактные спутники, как правило, не достигают поверхности земли и сгорают за счет трения. Поверхности воды же достигают различные тугоплавкие конструкции. Так, например, данный участок используется российским Центром управления полетов для утилизации космических беспилотных грузовиков серии «Прогресс». Кстати, в результате захоронения части космического аппарата могут разлетаться на большой площади. Так, например, останки станции «Мир», затопленной в 2001 году, разлетелись на участок протяженностью 3000 километров. Подобная особенность несколько раз становилась причиной ЧП. В 1979 году часть американской станции «Скайлэб» упала на территории Австралии, в 1991 году обломки станции «Салют-7» упали на территории Аргентины. Также в 1997 году недогоревшая часть ракеты упала на женщину в Оклахоме. К счастью, все эти случаи произошли без жертв. Сейчас, ежегодно на кладбище космических кораблей свой последний приют находят несколько десятков кораблей, которые находясь на орбите являются источником большей угрозы.
Орбита захоронения
Помимо наземного кладбища также существует орбита, на которую отправляют уже отработавшие космические аппараты для уменьшения вероятности столкновения с ещё работающими. Существует две официальных орбит захоронения: для космических аппаратов, располагавшихся на геостационарной орбите, и для аппаратов для военных разведывательных спутников с ядерной энергетической установкой.
Геостационарная орбита — это орбита, расположенная над экватором земли, находясь на которой, искусственный спутник имеет такую же угловую скорость, как и Земля, т.е. находится всегда над одним и тем же местом на Земле. Эта орбита используется для размещения коммуникационных, телетрансляционных спутников и находиться на высоте 35786 километров над уровнем моря. После отработки, спутник примерно на 200 км (для каждого спутника расстояние рассчитывается индивидуально).
Увеличение количества искусственных спутников Земли. Источник — Европейское космическое агентство.
Другая орбита захоронения находится на высоте от 600 до 1000 километров. На эту орбиту отправляют военные спутники с ядерной энергетической установкой. Ориентировочно, эти спутники будут находится на орбите порядка 2 тысяч лет, после чего гравитация Земли притянет их.
Пути решения
В целом, поиск путей решения этой проблемы ничем не отличается от решения проблемы творческого беспорядка у вас на столе, только масштаб у первой слегка побольше. Имеется два пути — создавать меньше мусора или убирать старый.
Снижение создаваемого мусора
Как говорится, «Чисто не там где убирают, а там где не мусорят!». Собственно, в этом и суть. К основным направлением снижения создаваемого мусора относят следующие меры:
Как видно, первые два пункта пересекаются с общими направлениями развития космонавтики. Последний пункт же вносит некоторые коррективы в построение ракет. Как грамотно организовать утилизацию отработавших частей? Одно из развивающихся направлений — использование материалов, позволяющих ракетам-носителям вывести аппарат на орбиту, а затем сгореть в атмосфере. Т.е. такой материал должен выдерживать все взлетные нагрузки, и при этом не должен быть супер тугоплавким, чтобы за счет трения сгореть в атмосфере. Звучит как некоторый парадокс. На данный момент таких материалов в ракетостроении нет.
Второй способ — это возвращение частей КА на Землю. Самый очевидные примеры — это многоразовые ступени SpaceX и программа Space Shuttle.
Утилизация уже имеющегося мусора
В отличие от проектируемых с замыслом утилизации аппаратов, мусор на орбите сам себя утилизировать не может. Все текущие проекты «по уборке» космического мусора находятся либо в разработке либо в виде идеи. Было озвучено множество идей, которые можно классифицировать следующим образом:
Российский сборщик космического мусора, перерабатывающий космический мусор в топливо. Источник — russianspacesystems.ru
Облачные серверы от Маклауд быстрые, безопасные и не генерируют космический мусор.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Проблема космического мусора: легче сказать, чем убрать
«Бездны космоса холодны, жестоки и беспощадны.
Но они притягивают нас, как наивного юношу
притягивает порочная красотка»
Сериал про сборщиков космолома Planetes
При этом, наземные системы способны отследить только крупные фрагменты космического мусора (от 10 см), в то время как серьёзный ущерб космическому аппарату может нанести даже частица мусора размером с заклёпку. Ведь всё это движется с первой космической скоростью в 7,9 км/с и иногда на встречных курсах. Из-за того, что на высоте в несколько сотен километров сопротивление атмосферы Земли уже незначительно, фрагменты космического мусора сохраняют баллистическое существование очень долго, постепенно накапливаясь и засоряя целевые орбиты. При этом какие-либо обязующие международные соглашения, а также технически эффективные способы борьбы с ним, отсутствуют. Насколько остро стоит проблема — попробуем разобраться.
▍ Орбиты максимальной концентрации
По данным ESA на 9 ноября 2021 г. (до проведения Россией ASAT), с начала космической эры в 1957 г. было проведено 6120 космических запусков и выведено на орбиту 12170 космических аппаратов. Из них на орбите находилось 7630, активно функционирующих среди них было 4800. При этом общее количество фрагментов космического мусора (т.е. любых антропогенных объектов на орбите, переставших выполнять целевую функцию, а также их фрагментов) размером более 10 см может составлять 36 500. Из них каталогизировано только 30 190 фрагментов — их положение регулярно отслеживается наземными системами слежения. И в случае опасного сближения траектории с активными спутниками и орбитальными станциями их орбита оперативно корректируется. Такие каталоги ведут США (US Space Surveillance Network) и Россия (автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве, АСПОС ОКП).
Экран управления АСПОС ОКП. Источник: ЦНИИмаш
Куда большую опасность представляют более мелкие, некаталогизированные фрагменты космического мусора, от 1 см до 10 см, — их число, согласно статистическим моделям ESA, составляет до 1 млн объектов. А более мелких, 1 мм до 1 см, может вообще превышать 330 млн. Всё это движется с первой космической скоростью, только по счастливой случайности столкновений с ними до последнего времени по большей части удавалось избежать. Пока достоверно известно лишь о двух случаях фатального столкновения с фрагментами космического мусора. В апреле 2019 г. был пробит топливный бак КА Intelsat 29e, в результате чего тот полностью утратил работоспособность. А в марте 2021 г. китайский военный спутник Yunhai 1-02 был полностью разрушен при столкновении с небольшим фрагментом (от 10 до 50 см) верхней ступени российской РН «Зенит-2». Другие КА давно несут следы столкновений с небольшими микрометеоритами и частицами космического мусора, часто доставалось Space Shuttle, а теперь и МКС.
Следы столкновений с космическим мусором различных КА. Источник: BigThink
Время баллистического существования космического мусора (то есть до его постепенного торможения и сгорания в атмосфере, пока он движется с первой космической скоростью) различно и зависит от высоты орбиты. Естественно, чем ближе к атмосфере, тем оно ниже, и наоборот. Время жизни мусора на орбите от 250 до 550 км составляет недели и месяцы. С высоты примерно в 800 км сопротивление атмосферы (air drag) ослабевает настолько, что космический мусор может оставаться там многие десятилетия. Соответственно, максимальное число фрагментов космического мусора концентрируется на орбитах высотой 800–1000 км (низкая околоземная орбита, НОО), а также около 1400 км. Пространственная плотность на ГСО (
36 000 км) и вблизи орбит группировок навигационных спутников (20 000–22 000 км) в десятки и сотни раз меньше, чем на НОО.
Время баллистического существования космического мусора, в зависимости от высоты орбиты. Источник: Tory Bruno, ULA
▍ Ответственная космическая деятельность
Соответственно, для двух источников образования космического мусора существует и два принципиально разных подхода по его снижению. В первом случае — ответственная космическая деятельность (использование многоразовых ракет, сведение с орбиты отработавших КА и т.д.). Руководящие принципы по предупреждению образования космического мусора были разработаны координационным подкомитетом IADC Комитета ООН по мирному использованию космоса (UN COPUOS) ещё в 2007 г. Подкомитет IADC (Inter-Agency Space Debris Coordination Committee) был создан в 1991 г. и объединяет ключевые национальные космические агентства, включая NASA, Роскосмос, ESA и китайскую CNSA.
Моделирование столкновения спутников. Источник: ESA
Разработанные IADC принципы сводятся к минимизации образования мусора при пусковой деятельности, максимальной выработке топлива КА, разгонных блоков и ступеней ракет для сведения к минимуму вероятности взрывов. А также, при возможности, сведения КА с орбиты после прекращения активной деятельности.
Естественно, UN COPUOS приветствует включение этих принципов в национальные законодательства, но они не обязательны к исполнению. Пока даже национальные космические агентства, входящие в IADC, не особо выполняют эти рекомендации. Чего уж говорить о коммерческих операторах космической деятельности. Очевидно, что каждая из рекомендаций — это дополнительные многомиллионные затраты, а это идёт вразрез с коммерческими интересами.
Но год от года выбор в пользу ответственной космической деятельности будут совершать всё больше компаний, альтернативы просто нет — космос общий и касается всех. К примеру, в октябре 2021 г. 11 компаний, в т.ч. Eutelsat, Arianespace и Planet, подписали парижскую хартию Net Zero Space по снижению количества космического мусора к 2030 г.
Растёт число разработчиков многоразовых ракет-носителей (да, пока они частично многоразовые, но следующее поколение будет уже полностью многоразовым, Pro Космос о них уже писал). Кроме того, множество стартапов пытаются решить проблему сервисного обслуживания космических аппаратов. Они проектируют КА нового класса, который сможет продлять срок службы других спутников (Mission Extension Vehicle, MEV) или сводить их с орбиты. Дозаправка, обследование, ремонт — всё это будет целесообразно, в первую очередь, для дорогих геостационарных спутников, где проблема мусора пока не настолько актуальна, как для НОО.
MEV-2 движется в направлении спутника Intelsat 10-02 для дальнейшего возвращения его на правильную геостационарную орбиту. Источник: Northrop Grumman
При этом развёртывание мегасозвездий со многими тысячами спутников усугубит проблему космического мусора. Помимо SpaceX Starlink (пока 1900 аппаратов на орбите, но заявлено 42 000) планируются также Amazon Kuiper (3200), китайский проект Guowang (13 000 КА), не говоря уже о созвездиях поменьше. По оценкам ESA 2017 года развёртывание мегасозвездий приведёт к повышению вероятности катастрофических столкновений с космическим мусором на 50%. Отсутствие какой-либо координации, как на международном уровне (идёт негласная национальная борьба за доминирование), так и между частными операторами, не способствует решению вопроса. Давно назрела необходимость в создании единой системы управления движением на орбите.
Примерное распределение крупных фрагментов космического мусора на околоземной орбите, хорошо виден геостационарный «пояс» и полярные орбиты. Источник: ESA
Что касается противоспутниковых систем ASAT, второго основного источника образования космического мусора, то по отчёту Secure Word Foundation (SWF) между 1959 и 2020 гг. было проведено 74 испытания противоспутниковых систем: 32 у России, 30 у США, 10 у Китая и 2 у Индии. В результате их образовалось более 5000 только крупных фрагментов космического мусора, 3200 из которых до сих пор остаются на орбите.
Советский Союз был первым, кто разработал и поставил на вооружение спутники-камикадзе (ещё в 1968 г. «Космос-252» сблизился с мишенью «Космос-258» и взорвался, поразив её осколками). Но в конце 1980-х наша страна взяла на себя одностороннее обязательство воздерживаться от проведения таких испытаний, а потом и сняла их с вооружения. Но отечественная система ПРО значительно эволюционировала, получив возможность с Земли сбивать спутники (ASAT). Собственно, 15 ноября 2021 г. это и было подтверждено на практике, когда Россия сбила советский разведчик «Космос-1408» на высоте 480 км. Пока каталогизировано только 207 фрагментов (процесс продолжается), — они разлетелись в широком диапазоне от 185 до 1290 км.
Спутник «Космос-1408» до и после взрыва. Источник: Numerica Corporation
Соотношение активных КА (тёмно-зелёный) и различного рода космического мусора/его фрагментов на разных орбитах. Источник: Matthew Stevenson, LeoLabs, 2021
Представляется, что он не запретит постановку ASAT на вооружение, но предотвратит испытания по реальным целям с неизбежным образованием при этом космического мусора. Тем более, что теперь системы ASAT испытали все основные космические державы, и можно остановиться. В случае подписания такого соглашения объём космического мусора на НОО не снизится, но по меньшей мере, прекратится процесс его лавинообразного роста.
О технических решениях и проектах КА для решения проблемы космического мусора — во второй части материала. Stay tuned!
Что такое космический мусор и чем он опасен для жителей Земли
Что такое космический мусор
Космический мусор представляет собой твердые отходы космической деятельности. Сюда относятся неработоспособные спутники, запущенные человеком за 60 лет освоения космоса, вторая и третья ступени ракета-носителя (первая обычно падает в Тихий океан), разгонные блоки и фрагменты спутников после взрыва или столкновений, например, фрагменты обшивки — так появляется космический мусор.
Ученые подсчитали, что сейчас в космосе находится почти 128 млн кусков космического мусора размером более 1 мм и 34 тыс. частиц размером более 10 см. Все, что меньше 1 мм подсчитать крайне трудно, некоторые ученые говорят о триллионах таких частиц. Около 3 тыс. спутников вышли из строя из-за мусора и сами превратились в космический мусор.
Астрономы могут отследить только крупные фрагменты, так как скорость частиц может доходить до 14 км/с (зависит от орбиты). Россия и США сейчас наблюдают за 23 тыс. космических объектов размером от 10 см, каталогизировано же и того меньше — 17 тыс. При этом 95% каталога космических объектов составляет космический мусор.
Проблемы и угрозы
Степень опасности космического мусора определяется в основном тремя факторами:
Главная проблема мусорного кризиса в космосе — выход из строя работающих спутников при столкновении с космическим мусором. Из-за больших скоростей опасность представляют даже частицы менее 1 см, они могут пробить противометеоритную защиту орбитальной станции. При столкновении с объектом более 10 см любой космический аппарат или станция гарантированно уничтожаются.
В мае 2016 года в Международную космическую станцию (МКС) влетела частица космического мусора размером в сотые доли миллиметра и оставила на МКС скол диаметром около 7 мм. Чтобы не допустить более разрушительных последствий МКС приходится регулярно менять свою орбиту, уворачиваясь от мусора.
Хоть мелкий мусор и не влечет за собой катастрофических последствий, однако его опасность заключается в гигантском объеме, неконтролируемом распределении в пространстве, огромной скорости и абсолютной непредсказуемости столкновений.
Сейчас около 99% потенциально опасных объектов вовсе не контролируется из-за их малых размеров и огромных скоростей.
Что такое синдром Кесслера и при чем он здесь
Ученые предполагают, что в какой-то момент мы больше не сможем выводить новые спутники на орбиты, так как они будут полностью заняты космическим мусором. Это может произойти из-за каскадного эффекта, который называется синдромом Кесслера:
стремительно растущий объем космического мусора будет производить другой мусор, а он, в свою очередь, по цепной реакции — новый мусор.
Общий характер каскадного эффекта такой же, как и у ядерной цепной реакции. Таким образом орбиты будут заняты, и человек больше не сможет запускать летательные аппараты по причине неконтролируемых столкновений.
Вероятность столкновений на любой орбите растет приблизительно пропорционально квадрату количества космических объектов. Есть ученые, которые считают, что каскадный эффект уже начался в некоторых орбитальных областях и для некоторых классов космического мусора (на высотах 900–1000 км и 1500 км).
Наиль Бахтигараев, старший научный сотрудник Института астрономии РАН:
«Где-то десять лет назад поднялся шум из-за эффекта Кесслера. Считалось, что он вот-вот начнется, но затем его отложили. Когда он все-таки начнется, зависит от уровня развития науки и технологий. Но даже если мы будем предпринимать технические мероприятия по уничтожению мусора, то этот момент все равно настанет. Сейчас мы лишь замедляем и отдаляем его»
10 февраля 2009 года на расстоянии 790 км над уровнем моря столкнулись два спутника: американский Iridium-33 и российский «Космос-2251». В результате летательные аппараты разлетелись на 600 осколков размером более 5 см и несколько тысяч более мелких.
Впрочем, на сегодняшний день столкновения работающих летательных аппаратов с космическим мусором на орбите происходят довольно редко благодаря работающим системам слежения. Существует другая проблема — взрывы старых спутников, на борту которых осталось топливо и отработанные аккумуляторы. Под различного рода воздействием они могут повреждать работающие спутники сильнее, чем обычные столкновения.
Утилизация космического мусора
Говорить о том, что космический мусор станет серьезной проблемой, начали еще в 1960-е годы, на заре освоения космоса. Но до сих пор не придумали реальной возможности массово удалять мусор с околоземных орбит. «Существуют программы по удалению космического мусора, но они единичные и не решают проблему. Удалить можно только крупный мусор, то есть более 20 см, с объектами менее 10 см возникают большие сложности», — говорит Бахтигараев из Института астрономии РАН.
Так как существующие технологии не способны избавить космос от мусора, то космические агентства начали уделять внимание профилактике. Для новых аппаратов предъявляют стандарты, например, на борту космических аппаратов закладывают ресурс, чтобы они могли уходить от столкновений с мусором. Также их снабжают броней, которая защищает космического мусора, но только от мелкого.
На сегодняшний день работающей технологией по утилизации космического мусора является увод старых спутников на соседние орбиты. Это можно сделать с помощью аппаратов-захватчиков, которые буксируют мусор на орбиты для захоронения. Также отработанные спутники могут сами уходить со своих мест на остатках топлива. Но массово эти методы не применяются.
Считается, что космический мусор не падает на Землю, но это не совсем так. Для отработанных крупных спутников и грузовых кораблей на Земле в Тихом океане существует свое кладбище, где их затапливают, так как они не сгорают в атмосфере. Это место расположено в южной части Тихого океана около точки Немо, самого удаленного от суши места на Земле. Над этим местом запрещено летать и проплывать кораблям. Так проблема космического мусора превращается в проблему земного мусора. С 1971 по 2016 года там захоронили минимум 260 аппаратов.
Сейчас перед астрофизиками стоит задача, как избавиться от мусора на геостационарной орбите или поясе Кларка. Она находится непосредственно над экватором Земли на расстоянии 35 786 км. Эта орбита очень привлекательна для запуска спутников, так как на ней летательные аппараты требуют меньше топлива и охватывают значительно больше поверхности Земли, чем на других орбитах. Однако количество точек стояния спутников на геостационарной орбите ограничено — их около 180. Помимо очистки геостационарной орбиты, важное значение имеет удаление космического мусора в окрестностях МКС, так как станция является дорогостоящей и очень уязвимой.
Космический мусор: карты и модели
Чтобы убедиться, что наша планета окружена мусором, не надо лететь в космос. Ученые смоделировали то, как выглядят околоземные орбиты. Один из таких сайтов — «Гид в мире космоса». Карта показывает соотношение работающих спутников к тем, которые уже стали мусором.
Видео от Европейского космического агентства демонстрирует, насколько много мусора находится вокруг Земли. В начале модель показывает обломки больше 1 м, а в самом конце — количество космических объектов от 1 мм: