Рассматриваются различные варианты очистки околоземного пространства.
Количество космического мусора в околоземном пространстве в последние годы стало расти лавинообразно. И этот рост не остановится, даже если прекратить дальнейшие запуски. Чтобы не потерять космос, надо принимать активные меры по удалению опасных неуправляемых объектов. Однако эта проблема обсуждается в основном в кругу специалистов и еще не вполне осознана на уровне лиц, принимающих политические решения.
С начала века в околоземном пространстве стал развиваться синдром Кесслера. Так называют рост числа мусорных объектов в космосе из-за их взаимных столкновений и дробления. Космический мусор — это заброшенные спутники, отработанные ступени ракет и просто разные детали и обломки, которые продолжают обращаться по орбитам, создавая угрозу работающим космическим аппаратам.
Наибольшие неприятности связаны с объектами на орбитах высотой от 700 по 1200 км. Там почти нет сопротивления атмосферы, и мусорные объекты могут сотни и тысячи лет носиться вокруг Земли. Каждый из них обладает разрушительной силой гранаты и может вывести из строя рабочий спутник или космический корабль. Даже прекращение запуска новых спутников уже не остановит рост числа «орбитальных мин».
Между тем спутников на опасных высотах в ближайшее время может стать значительно больше. Компания OneWeb планирует создать группировку из 720 спутников на высоте 1200 км для обеспечения глобального скоростного доступа к интернету. Причем пропускная способность этой группировки раскуплена еще до запуска, и уже ведутся переговоры о дополнительных 1972 спутниках на разных высотах. У OneWeb с самого начала наметился конкурент — система Starlink, разрабатываемая корпорацией SpaceX, в которой будет 4425 спутников на высоте около 1200 км и еще 7518 аппаратов на высоте около 340 км. OneWeb и SpaceX уже получили лицензии Федеральной комиссии по связи США (FCC), а на рассмотрении находится еще несколько других подобных заявок.
Таким образом, в уже ближайшие годы на орбите окажутся тысячи новых спутников со сроком активной жизни 5—7 лет. Обязывающих международных норм по сведению с орбиты неработающих спутников не существует. Полномочия Межагентского координационного комитета по космическому мусору (IADC), который объединяет 13 национальных космических агентств, ограничены заслушиванием докладов и подготовкой экспертных заключений. В соответствии с рекомендациями IADC, выпущенными в 2007 году, компания OneWeb с самого начала заявила, что ее мертвые спутники будут оставаться на орбите не более 25 лет. FCC позднее добилась от OneWeb и Starlink обещания «прибирать за собой» в течение года. Однако, если конкуренция выйдет за пределы США, у национального регулятора появится соблазн смягчать требования.
Фактически в околоземном пространстве разворачивается вялотекущая катастрофа, но на политическом уровне она только начинает осознаваться. Единственный, по сути, международный политический документ, посвященный этой проблеме, — шестистраничные «Рекомендации по смягчению проблемы космического мусора», которые были подготовлены Управлением ООН по вопросам космического пространства в 2010 году на базе все тех же рекомендаций IADC. Эти рекомендации учтены в опубликованной в том же году «Национальной космической политике США», а также в российском ГОСТ Р 52 925−2008. Однако ни один документ не ставит конкретных задач по предотвращению развития синдрома Кесслера.
Это «Черный рыцарь» — часть теплозащитного покрытия, потерянная командой космического шаттла «Индевор» и долгое время бывшая объектом конспирологических спекуляций. Фото: NASA
На языке экономистов замусоривание космоса — это негативная экстерналия, то есть неявный ущерб, наносимый третьим лицам. Такого типа ущерб наносится обычным мусором, сточными водами и выбросами парниковых газов. Организации, вызывающие негативные экстерналии, должны либо предотвращать ущерб (например, перерабатывать отходы), либо оплачивать его ликвидацию. На этом основана плата за очистку стоков, вывоз и переработку мусора, а также торговля квотами на выбросы CO2. Однако в отсутствие эффективных средств избавления от космического мусора затруднительно оценить величину наносимого ущерба для введения экономического регулирования.
Даже среди экспертов понимание приоритетов в борьбе с космическим мусором сложилось лишь в последние десять лет. С одной стороны, непосредственную угрозу для космонавтики представляет мелкий орбитальный мусор, зачастую даже невидимый с Земли. Крупных объектов немного, за ними следят, а дорогие спутники, имеющие двигатели, могут от них уклоняться. С другой стороны, именно крупный мусор служит источником мелкого и провоцирует развитие синдрома Кесслера. По некоторым оценкам, чтобы в долгосрочном плане стабилизировать ситуацию с космическим мусором, достаточно ежегодно убирать с орбиты всего пять самых опасных объектов, при условии, конечно, что их место не будут занимать новые.
Отсюда вытекают следующие приоритеты в борьбе с космическим мусором:
Не допускать появления на орбите нового мусора.
Убирать наиболее крупные и опасные объекты, ведущие к синдрому Кесслера.
Убирать мелкий мусор, непосредственно угрожающий космическим полетам.
Работа по первому направлению началась еще в 1980-х годах, когда выяснилось, что остающиеся на орбите верхние ступени американских ракет «Дельта» склонны взрываться. Согласно циклограмме полета, двигатель верхней ступени глушился, а топливные клапаны закрывались. Но со временем из-за перепадов температуры топливные баки изнашивались, что в конце концов приводило к взрыву. Тогда циклограмму изменили: после отделения верхняя ступень ракеты стала дожигать топливо, а потом открывать клапаны, чтобы выветрились его остатки. Взрывы на орбите прекратились. Подобные меры называют пассивацией космических объектов.
Отработавшая ступень «Дельты» на орбите. Фото: United States Air Force Research Laboratory
Лучше, однако, сводить отработанные аппараты с орбиты. Для этого нужен двигатель с запасом топлива, достаточный, чтобы затормозить спутник на 100—200 м/с. Это, например, предусмотрено на французских спутниках дистанционного зондирования Земли серии Spot. Они работают на высоте 832 км, где спутники могут жить около двух веков, и, чтобы сократить этот срок, перед отключением они переводятся на орбиты высотой 500—600 км, где время жизни уже 15—25 лет. Правда, со спутником Spot 3 это не сработало из-за отказа системы стабилизации.
Итальянская компания D-Orbit разрабатывает решение, позволяющее избежать таких казусов и стандартизировать задачу сведения спутников с орбиты. Их устройство D3 содержит автономную двигательную установку и систему связи, позволяющую запустить ее с Земли даже на вышедшем из строя спутнике. Разработчики заявляют надежность системы 99,9%. Правда, на испытаниях в сентябре 2017 года она не смогла свести спутник с орбиты, предположительно из-за ошибки при монтаже, хотя спутник перешел на орбиту с небольшим временем жизни.
Есть и более экзотические технологии. В 2011 году экспериментальный наноспутник NanoSail-D2 массой всего 4 кг развернул парус площадью 10 м2 из тончайшей синтетической пленки. За счет давления солнечного излучения и возросшего сопротивления атмосферы аппарат сошел с орбиты высотой около 640 км всего за 240 дней. Без паруса на это ушли бы десятки лет. Сейчас на орбите идет похожий эксперимент на спутнике CanX-7: в мае 2017 года он развернул четыре небольших (по 1 м2) паруса и его скорость снижения с орбиты возросла в 40 раз — с 0,5 до 20 км/год.
Другая технология, под названием Terminator Tape, разработана компанией TUI. Устройство по команде разворачивает токопроводящую ленту или нить длиной от 30 м до 5 км, в зависимости от массы спутника. Этот «хвост» свисает в направлении Земли и тормозит аппарат не только аэродинамическим сопротивлением, но и за счет взаимодействия с геомагнитным полем. Первые испытания должны были пройти на запущенном в 2013 году спутнике AeroCube 5, однако о результатах ничего не сообщается, что вызывает определенные сомнения. К тому же длинномерный объект на орбите может представлять большую угрозу, чем компактный.
Общий недостаток всех описанных систем состоит в том, что их надо устанавливать на спутник до запуска. А для купирования синдрома Кесслера надо научить сводить с орбиты старые аппараты. Самый прямолинейный подход состоит в создании спутника, который будет сближаться с крупным мусором, захватывать его сетью, а затем, включив двигатели, перетаскивать на другую орбиту. Такой подход может быть полезен для расчистки геостационарной орбиты, где относительные скорости движения аппаратов невелики, а для отвода их на орбиту захоронения нужно совсем немного топлива.
Как мог бы выглядеть «чистильщик» орбиты. Изображение: Lucpiguet
Один из наиболее перспективных подходов к проблеме низкоорбитального мусора — использование наземных лазеров. Падающий на поверхность свет, как известно, оказывает на нее давление. По расчетам группы под руководством Джеймса Мейсона из NASA, лазер непрерывного действия мощностью 5—10 кВт, установленный на телескопе полутораметрового диаметра с быстрой системой наведения, позволил бы «обстреливать» за сутки десятки пролетающих над ним объектов, меняя их скорость в среднем на несколько миллиметров в секунду. Может показаться, что это немного, но уже через сутки отклонение объекта от его прежней орбиты составит сотни метров. Поскольку все крупные орбитальные объекты тщательно отслеживаются, такая лазерная установка сможет заблаговременно предотвращать опасные сближения, не допуская развития синдрома Кесслера и снимая угрозы для пилотируемых полетов. Ориентировочная стоимость такой установки составляет $ 6—8 миллионов.
Возможно и более радикальное решение. Еще в середине 1990-х в NASA рассматривался проект ORION. В нем тоже предполагалось использовать лазер (20 кВт), однако не непрерывного действия, а импульсный. Каждую секунду лазер должен выдавать очень короткий (40 наносекунд) импульс, несущий 20 килоджоулей энергии — это в 10 раз больше энергии автоматной пули. Излучение предлагалось направлять на цель посредством шестиметрового телескопа. За счет краткости импульса его энергия должна была вызывать абляцию, то есть испарение поверхностного слоя атакуемого объекта. Возникающая при этом реактивная сила складывалась бы с давлением излучения и дополнительно тормозила объект. По расчетам, объект сантиметрового размера должен сходить с орбиты от серии импульсов, полученных за одно прохождение над установкой, 10-сантиметровый объект сводился бы с орбиты за несколько минутных сеансов в течение двух недель. Метровый спутник был бы в разработке около двух лет, в течение которых на него было бы потрачено более 10 часов работы системы. В целом разработчики оценивали затраты на установку в $ 50 миллионов, не считая стоимости телескопа, и обещали за четыре года полностью очистить низкие околоземные орбиты от мусора размером менее 1 метра.
Проект виделся как инструмент расчистки космоса перед запуском МКС, однако в итоге обошлись без него. Дело в том, что на деле создать лазерную установку по борьбе с космическим мусором заметно сложнее, чем кажется на первый взгляд. Для хорошей фокусировки нужна адаптивная оптика, которая, в отличие от астрономической, будет испытывать большие энергетические нагрузки. Для точного наведения мало данных орбитального слежения, нужны свои высокоточные радары и лидары. Для отслеживания цели нужно поворачивать большой телескоп значительно быстрее обычных астрономических инструментов. Использование абляции поднимает вопрос о возможном разрушении объектов атаки с порождением многочисленных обломков.
Однако главным препятствием для проекта оказались, по-видимому, не технические проблемы. Такие лазерные системы практически без модификаций могут использоваться как противоспутниковое оружие. И если одна страна начнет их разрабатывать, другие будут рассматривать это как угрозу и включатся в гонку вооружений. Международный проект тоже не решение, поскольку многие составляющие технологии лежат в области секретных военных разработок. Можно сказать, что проект ORION по удалению орбитального мусора уперся в того же рода препятствие, что и его тезка — ядерно-импульсный космический корабль «Орион», работа над которым была прекращена в 1965 году вскоре после международного запрета ядерных испытаний в космосе.
Источник: "Чердак"
