Под мусорным небом: чем опасны для землян осколки космических кораблей
Чем больше ракет и спутников запускают с Земли, тем выше вероятность, что скоро о покорении космоса придется забыть. Вокруг нашей планеты со скоростью до 30 тыс. км/ч вращается 1,25 млрд обломков и осколков. И с каждым годом их становится больше. Почему космический мусор может уничтожить космическую индустрию и что с этим делать, разбирались «Известия».
Сколько на орбите космического мусора
Согласно недавнему исследованию NASA, крупные астероиды в последние 290 млн лет стали падать на Землю чаще, чем за предыдущие 700 млн лет. Но это всё равно происходит раз в миллион лет. Так что в американском космическом агентстве рекомендуют по этому поводу не беспокоиться.
Из-за чего беспокоиться стоит, так это из-за космического мусора, считают в госкорпорации «Роскосмос». Вместе с РАН в январе российское агентство начало работу над «национальной программой для исследования и создания методов противодействия угрозам из космоса». Главные угрозы — это кометы, астероиды и космический мусор. Именно он несет наибольший вред землянам, подчеркнули в компании.
Компьютерная модель распределения космических объектов в космосе. Согласно описанию NASA, 95% из них являются мусором
В научно-исследовательском центре войск Воздушно-космических сил Минобороны России, подсчитали, что вокруг Земли вращается около 1,25 млрд частиц мелкого космического мусора размером от 1 мм до 10 см. Всё это — несгоревшие в атмосфере обломки спутников и космических кораблей.
Эта цифра — 1,25 млрд — приблизительная. Она получена исходя из закона сохранения массы с учетом того, что приблизительно 10% космических объектов сгорают в атмосфере.
У ARES, подразделения NASA, которое занимается проблемой космического мусора, оценки куда более скромные. По подсчетам американцев, вокруг Земли вращается 2,6 тыс. неработающих спутников, 10 тыс. объектов крупнее компьютерного монитора, 20 тыс. фрагментов мусора больше яблока, 500 тыс. — размером со стеклянный шарик и по крайней мере 100 млн фрагментов настолько мелких, что их невозможно засечь с Земли. Но это совершенно не значит, что в NASA относятся к проблеме с меньшей тревогой, чем в «Роскосмосе».
Чем опасны обломки спутников
То, какую опасность несет даже мелкий мусор на орбите, ярко иллюстрирует голливудский фильм «Гравитация» с Сандрой Буллок и Джорджем Клуни. А также абсолютно реальная катастрофа, произошедшая 28 января 2013 года с российским 7,5-килограммовым научным спутником BLITS. Проработав на орбите четыре года, он столкнулся с фрагментом массой всего 0,017–0,019 г, который двигался со скоростью 8 км/ч. И развалился на части.
Кадр из фильма «Гравитация»
И так погибают по три-четыре спутника каждый год. Пока на орбите их работает больше тысячи, это не кажется большой проблемой. Но то, чего больше всего боятся ученые — и что, возможно, уже происходит, — это «каскадный эффект». Есть теория, что осколки одного разбившегося о мусор спутника в какой-то момент расколют другой спутник. Тот в свою очередь разобьет третий и так далее, пока все космические объекты на орбите не превратятся в смертоносное облако из острых металлических частиц и токсичного топлива.
Проблема в том, что такая цепная реакция может длиться годами — пока осколок несколько сотен раз обогнет Землю, чтобы встретиться с очередным спутником. И поначалу запуск «каскадного эффекта» не будет заметен. А когда количество выходящих из строя спутников начнет расти в геометрической прогрессии, будет уже поздно. Тогда землянам придется вернуться в 1970-е, когда не было интернета и навигаторов, а многомиллиардная телекоммуникационная индустрия перестанет существовать.
Но гораздо больше обывателей пугает, что космический мусор может разрушить корабль, пилотируемый человеком. Пока этого, к счастью, не происходило, но в мае 2016 года кусочек то ли краски, то ли металла размером в тысячные доли миллиметра врезался в иллюминатор МКС. Насквозь стекло он не пробил, но оставил вмятину диаметром 7 мм.
Международная космическая станция
Опасности для тех, кто остается на поверхности Земли, мусор на орбите практически не несет. По расчетам NASA, вероятность того, что кто-то получит травму из-за падения обломка с неба составляет 1:3200. Самый известный случай, когда мусор из космоса упал на человека, произошел в 1997 году в Оклахоме. Женщина по имени Лотти Вильямс увидела во время прогулки огненный шар и полосу в небе. А чуть позже почувствовала боль в плече.
«Обернувшись, я увидела на земле какой-то странный объект. На ощупь он был похож на кусок ткани, но, когда я сжимала его, он напоминал металл», — рассказывала Уильямс, которая решила, что нашла кусок упавшей звезды. Узнав, что это фрагмент топливного бака ракеты Delta II, которая запускала на орбиту спутник ВВС США, Вильямс разочаровалась. Тем не менее приняла извинения от заместителя министра обороны.
Падают на Землю и гораздо более крупные объекты. Например, в 1978 году на территорию Канады упал советский спутник «Космос-594» весом около 900 кг. Никто при этом не пострадал.
Что со всем этим делать
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 менять 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.
Экономически рентабельного и работающего метода по уничтожению космического мусора на орбитах более 600 км (там не сказывается очищающий эффект от торможения об атмосферу) пока нет. Хоть какие-то очертания есть у двух идей.
Во-первых, есть швейцарский стартап CleanSpace. Уже несколько лет он работает над аппаратом, который будет уводить с орбиты отработавшие свое спутники. На сайте компании долгое время было написано, что уборщик будет запущен в 2018 году. Месяц назад стало известно, что запуск отложен до 2024 года.
В Федеральной политехнической школе Лозанны, где базируется стартап, отметили, что главная сложность — научить аппарат распознавать разные виды объектов. Для начала — студенческий наноспутник (10х10 см) SwissCube, который крутится вокруг Земли с 2009 года. Он станет первой жертвой CleanSpace One. С помощью сети аппарат должен захватывать спутник в ловушку.
Глава проекта Люк Пиге (Luc Piguet) говорил, что, для того чтобы находить спутники, CleanSpace One будет ориентироваться на мерцание света, отражающегося от спутника при вращении.
Размеры CleanSpace One, судя по визуализации, будет несильно больше, чем у наноспутника, который станет его целью. В планах у компании — создать платформу, к которой будет крепиться несколько таких чистильщиков. Они должны будут убрать больше 3 тыс. частиц мусора с орбиты.
Во-вторых, на 2023 год запланирован запуск аппарата e.Deorbit, который создается Европейским космическим агентством. И он будет значительно крупнее, чем CleanSpace One. Заявленный вес — 1,6 тыс. кг.
Первой целью e.Deorbit станет самый большой спутник в истории, 26-метровый восьмитонный Envisat. Он был запущен для исследования Земли из космоса в 2002 году. Последний раз выходил на связь в 2012-м. Аппарат захватит Envisat с помощью щупалец или сети (авторы пока не решили). И вместе с ним сойдет с орбиты Земли, вероятно, сбросив в какой-то момент спутник, чтобы тот сгорел в атмосфере.
Похожий аппарат из Великобритании, только с гарпуном вместо сети или щупалец, должен был быть запущен в апреле 2018 года. Однако информация на сайте проекта RemoveDEBRIS не обновлялась и судьба его неизвестна.
Своей проект есть и у России. По крайней мере он упоминается в Федеральной космической программе на 2016–2025 годы. К 2025 году должен быть создан уборщик мусора с геостационарных орбит. Планируется, что в течение полугода каждый аппарат будет переводить на орбиту захоронения до 10 объектов.
Но все эти проекты будут реализованы не скоро, а судя по истории с CleanSpace One — даже очень не скоро. Так что пока за мусором наблюдают, его считают и надеются, что убирать его начнут до того, как Землю накроет мусорный купол, который лишит нас интернета.
Космический мусор: вокруг Земли летают тысячи опасных объектов
В пятницу, 1 марта 2019 года, первые шесть британских спутников системы глобального интернета OneWeb были успешно выведены на расчетную орбиту при помощи российской ракеты «Союз» с разгонным блоком «Фрегат», запущенной с космодрома Европейского космического агентства Куру во французской Гвиане. Всего же предполагается создать группировку из более чем 700 космических аппаратов. Это достаточно много — ведь по состоянию на лето 2018 года, всего вокруг Земли летал 1071 только рабочих спутников, без учета «орбитальных мертвецов». А тут сразу 700 дополнительных. «Известия» выясняли, не приведет ли это к замусориванию космического пространства и не усилит ли опасность столкновения на околоземной орбите.
Современная ситуация
Вокруг нашей планеты, на орбите находится огромное количество частиц космических аппаратов и ступеней ракет. Уже сейчас они представляют угрозу для орбитальных станций. Например, в мае 2016 года очень маленький осколок, размером всего в десятые или даже сотые доли миллиметра, оставил на стекле Международной космической станции скол диаметром около семи мм.
Международная космическая станция
Всему виной огромная скорость Международной космической станции, преодолевающей на орбите более 7,7 км в секунду. На таких скоростях при столкновении опасны объекты практически любого размера.
Если МКС столкнется с всего лишь с 10-сантиметровым фрагментом мусора, это уже, скорее всего, станет фатальным для международной орбитальной программы.
Сколько же уже осколков различного размера находится на низкой околоземной орбите? По расчетам Европейского космического агентства, более 29 000 частиц более 10 см. Каждая из них при столкновении гарантированно уничтожит любой космический аппарат или орбитальную станцию. Практически все такие куски мусора учитываются, и за ними ведется самое пристальное наблюдение с Земли. Кстати, в эту категорию вошли и отработавшие свое спутники и ступени ракет-носителей, использованных при выводе космических аппаратов.
К слову, советский первый спутник ПС-1 сошел с орбиты и сгорел в плотных слоях атмосферы уже спустя 92 дня после запуска. Первый американский спутник «Эксплорер», запущенный спустя несколько месяцев, провисел на орбите до 1970 года. А вот американский спутник «Авангард-1», начавший работу в марте 1958 года, до сих пор находится в космосе за счет своей высокой эллиптической орбиты (от 650 до 3800 км от Земли). По подсчетам ученых, он будет находиться там еще несколько сотен или даже тысяч лет. Вполне возможно, одной из первых миссий по очистке земной орбиты станет попытка забрать «Авангард-1» с орбиты и доставить его в музей.
Частиц от одного до 10 см гораздо больше. Европейские ученые оценивают их количество примерно в 670 000 единиц. Звучит ужасно, но на самом деле всё не так и плохо. Если все эти куски мусора равномерно распределить по поверхности Земли, то получится, что на один кусок придется примерно 76 кв. км площади. Соответственно в Москве, в пределах МКАД, будет лежать 11–12 кусочков размерами от одного до 10 см. А космос гораздо больше.
Следить за частицами такого размера с Земли пока нереально — нет требуемых технологий и сил. Но каждая из них при столкновении способна разрушить спутник и нанести очень серьезные повреждения Международной космической станции.
Но кроме таких больших частиц, есть и гораздо меньшие, но от того не менее опасные. Частиц размером от 1 мм до 1 см более 17 миллионов, и все они имеют искусственное происхождение. Такие частицы могут при неудачном столкновении вырубить космический аппарат и даже пробить противометеоритную защиту орбитальной станции. Пробоину можно будет заделать, но это всё еще очень и очень опасно.
Чей мусор
Одним из наиболее серьезных загрязнений околоземной орбиты стал американский проект «Вестфорд». В 1961–1963 годах при помощи трех ракет-носителей на орбиту были выведены 480 000 000 медных иголок. Американские военные предполагали создать искусственную ионосферу вокруг нашей планеты, чтобы обеспечить большую надежность для систем военной связи. Причем первые два запуска окончились неудачно, и лишь с третьего раза военным удалось «засеять» на орбите нашей планеты почти полмиллиарда небольших проволочных кусочков.
Проволочные иголочки были очень тонкими, они имели в длину всего 1,78 см при толщине около 20 мкм. На изготовление полумиллиарда таких проволочек потребовалось всего около 20 кг меди. В результате третьего, успешного запуска вокруг Земли на высоте 3500 км было образовано кольцо, своеобразный «бублик» толщиной около 30 км.
Объект из музея проекта «Вестфорд»
Каждая проволочка в этом «бублике» работала как дипольная антенна. Уже на четвертый день после запуска американские военные провели сеанс связи между военными базами в Калифорнии и Массачусетсе. Космическая искусственная ионосфера обеспечивала прием и передачу данных на скорости около 20 килобит в секунду, что примерно равно мощности модема в 1990-х годах.
Однако уже спустя несколько недель иголочки стали разлетаться друг от друга, и качество связи стало падать. Во многом из-за этого от проекта отказались и закрыли. По словам военных, большинство правильно направленных кусков проволоки в течение 10 лет вернулись на Землю и сгорели в плотных слоях атмосферы. Однако точных данных, сколько вернулось, а сколько остается на орбите, нет.
Таким образом человечество устроило одно из самых серьезных загрязнений орбитального пространства. К счастью, большинство из них сбились в отдельные скопления, за которыми ведется наблюдение с Земли. В настоящее время насчитывается 46 таких скоплений, но технологий, чтобы убрать их с орбиты, тоже пока нет.
Стоит отметить, что американцам удалось убедить много стран в безопасности этого проекта. Советский Союз выступал против, но сделать было уже ничего нельзя.
Всё больше и больше
Американский эксперимент хотя бы был единичным случаем. А вот космические аппараты человечество продолжает запускать с завидной регулярностью, причем в последние годы количество спутников начало стремительно увеличиваться, хоть их размеры и уменьшились. Хуже всего, что запуски производятся в достаточно узких рамках нескольких удобных человечеству орбит. Поэтому космические аппараты сосредоточены в относительно небольших частях пространства.
«Космос-2251» — российский военный спутник связи типа «Стрела-2М», который вышел из управления и 10 февраля 2009 года столкнулся с рабочим американским спутником Iridium-33
В 1978 году научный консультант NASA Дональд Кесслер, глядя на стремительно увеличивающееся количество космических аппаратов на орбите, сделал один очень неприятный для человечества прогноз. Он предположил, что в какой-то момент спутников на орбите станет так много, что начнут случаться неконтролируемые столкновения, которые приведут к эффекту домино. Что он имел в виду? За счет огромных скоростей спутники на орбите при столкновении образуют огромное количество осколков, разлетающихся в разные стороны. При этом часть этих осколков может найти себе следующую «жертву» и. дальше, дальше, дальше, дальше.
И да, первое столкновение на орбите уже случилось в 2009 году. Главным действующим лицом стал «Космос-2251» — российский военный спутник связи типа «Стрела-2М». Он был запущен в 1993 году и проработал на орбите всего пару лет. Затем его система маневрирования вышла из строя, военные попереживали, но ничего не смогли поделать, списали его и забыли.
Результатом такой встречи стали примерно 600 осколков размером более пяти сантиметров и несколько тысяч более мелких. Предсказанного Кесслером эффекта домино, к счастью, не произошло — очевидно, спутников на орбите для такого процесса всё еще недостаточно. Однако образовавшееся облако осколков повышает шансы на повторение ситуации. И чем дальше, тем больше будет подобных столкновений, просто по закону больших чисел.
Спутники постепенно выходят из строя (всего на орбите более 2000 нерабочих аппаратов), их никто не убирает, и уже недалек тот час, когда всё происходящее станет просто огромной проблемой для всей мировой космонавтики.
Глубокая обеспокоенность
Понятно, что данная ситуация беспокоит практически все занимающиеся запусками космических аппаратов страны. На конференциях и круглых столах, посвященных проблемам мировой космонавтики, эта тема всплывает постоянно. Но вот тратить серьезные деньги на решение проблемы пока никто не собирается. Именно поэтому большинство современных проектов по созданию космических аппаратов для орбитальной уборки либо так и находятся на стадии проектов, либо тянут не более чем на студенческие разработки. Увы, но на деле пока ни одна мировая держава не начала всерьез бороться с проблемой орбитального мусора.
А кто же из стран внес наибольший вклад в замусоривание орбиты Земли? На первом месте по количеству космического мусора находятся США. Совсем немного от них отстает Россия (3961 против 3999 крупных объектов), но по общему количеству объектов на земной орбите (с учетом ступеней ракет и действующих спутников) Россия удерживает первое место (6515 у России и 6211 у США). На третьем месте по количеству мусора находится Китай (3475 объектов).
Максимум, что было сделано, — организовано наблюдение за космическими аппаратами и серьезными кусками мусора на орбите.
У каждой страны ведется свой каталог, учитывающий наиболее заметные проблемы загрязнения. Например, есть российский каталог АСПОС ОКП (автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве), ведущийся главным информационно-аналитическим центром ЦНИИМаш. По состоянию на 2014 год в нем содержалась информация уже о более чем 15,8 тыс. единиц объектов космического мусора. Также наблюдения за мусором на орбите ведут и Соединенные Штаты Америки.
Модель аппарата CleanSpace One
А что же с очисткой орбиты? Какие космические аппараты уже готовы к уборке? Пока никакие. Ближе всего, как это ни странно, к запуску своего космического уборщика Швейцария. Казалось бы, у этой страны всего один спутник на орбите, да и тот уже не работает. Но, как сказал швейцарский премьер-министр, «Швейцария очень любит чистоту». А потому уже в ближайшее время должен быть запущен на орбиту аппарат ClеanSpace One, основной задачей которого станет уборка швейцарского неработающего спутника.
К сожалению, аппарат одноразовый, а потому на ситуацию с мусором существенного влияния это не окажет.
У США есть достаточное количество идей и разработок для уборки космического мусора, но пока ни одна из них не превратилась в реальный космический аппарат. Среди вариантов и идей есть, например, специальная мелкоячеистая сеть, накидываемая на скопления космического мусора, чтобы затем направить его в сторону Земли. Иногда достаточно просто двинуть объект по направлению к поверхности планеты, а дальше всё дело сделает сила притяжения.
Есть вариант уборки мусора с орбиты при помощи лазера. Предполагается, что лазерный импульс, испаряя часть объекта, заставит его сдвинуться с места, что сильно уменьшит общее время пребывания мусора на орбите. Этот проект называется Laser Broom («Лазерная метла»), но и он в настоящее время не ушел дальше разработок.
Совсем недавно, в феврале 2019 года, британский зонд RemoveDebris впервые провел испытания орбитального гарпуна. Находясь на орбите, зонд успешно выстрелил гарпуном в мишень (впрочем, не найденную там же в космосе, а привезенную «с собой» и вынесенную на штанге на 1,5 м), пробил обломок, а затем смог его притянуть с помощью троса. Затем аппарат отправится потихоньку к Земле, а затем сгорит в плотных слоях атмосферы. Это, конечно, тоже серьезное продвижение вперед, но до настоящей уборки на орбите еще очень и очень далеко. Пока человечество радуют такие одиночные успехи, огромное количество обломков продолжает висеть в космосе.
Так что же со спутниками OneWeb, сильно ли они загрязнят орбиту? На самом деле не очень.
По сравнению с той проблемой, что в настоящее время уже «висит» над нашими головами, еще 700 спутников, тем более с достаточно длительным сроком активной службы, погоды не сделают. Более того, такой массовый вывод космических аппаратов — это скорее показатель технических возможностей современной космонавтики, а значит, и вывода будущих «космических уборщиков».
Пока же мы можем следить за выводом всё новых спутников и ждать, когда же вся планета будет покрыта доступом в сеть интернет. Осталось совсем недолго, а мусор, даже космический, пока подождет.