Способы борьбы космическим мусором

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.

• В июле 1996 года французский спутник столкнулся с третьей ступенью французской ракеты Arian, запущенной намного раньше;

Французская ракета Arian. Источник — ESA

• 29 марта 2006 года российский спутник «Экспресс АМ11» столкнулся с космическим мусором. В результате столкновения, был разгерметизирована система терморегулирования, спутник, потерял ориентацию и начал неконтролируемое вращение.

• 10 февраля 2009 года российский спутник «Космос-2251», выведенный из эксплуатации в 1995 году, столкнулся с американским коммерческим спутником Iridium 33.

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:

• Снижение массы запускаемого аппарата:

Меньше масса — меньше потенциального мусора. Всё просто.

• Увеличение срока эксплуатации космических аппаратов:

Чем дольше будут работать спутники, тем меньше будет производиться полетов для их замены.

• Минимизация количества остающихся в космическом пространстве частей КА:

Утилизация отработавших частей и самого космического аппарата либо возвращение частей обратно на Землю.

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:

• Лазеры

Суть в том, что уничтожать мусор с помощью лазера. Что ж, звучит фантастично.

• Захват

Захват мусора с помощью сверхпрочной сети и отправка его в плотные слои атмосферы. К слову, в 2019 году британский аппарат RemoveDebris смог захватить фрагмент спутника.

• Воздушные шары

Крупный шар должен оборачивать мусор, при этом увеличивая их сопротивление и ускоряя процесс входа в плотные слои атмосферы.

• Буксир с солнечным парусом

Солнечный парус — это устройство, использующее давление света для приведения в движение космического аппарата. По задумке, такой аппарат будет цеплять мусор и уводить его с орбиты.

• Облако вольфрама

По задумке, облако вольфрама будет медленно опускаться к Земле, попутно замедляя мусор.

• Аппараты-самоубийцы

Такой аппарат должен должен буквально заталкивать опасные объекты в атмосферу, и при этом также сходить с орбиты.

• Орбитальные мусоровозы

Аппарат будет собирать мусор на орбите и перерабатывать его.

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!

Источник

Восемь способов уборки мусора на орбите и синдром Кесслера

Уже сейчас на орбите Земли находится примерно полмиллиона объектов размером с пачку сигарет, а скоро там и вовсе будет не протолкнуться. Чем это все грозит, многие себе в целом представляют, но не все оценивают масштаб проблемы. Особенно с учетом того, что мусор движется со средней скоростью, в 10 раз превышающей начальную скорость пули, выпущенной из Калашникова.

Под катом про текущую ситуацию в космосе, несколько вариантов решения проблемы и краткое описание способов, о которых начинают поговаривать в научных кругах.

Аналог события, с которого начинается фильм 2013 года «Гравитация», произошел на самом деле в 2007

Статья написана по мотивам лекции заведующего лабораторией кафедры теоретической механики Руслана Пикалова из Самарского университета, которая прошла в Точке кипения при этом же вузе.

Что такое космический мусор?

Космический мусор — это объекты искусственного происхождения, которые находятся на орбите, но не представляют никакой практической значимости.

В основном это аппараты, которые закончили свое активное существование — вышли из строя в результате аварии или просто выработали свой ресурс:
— разгонные блоки верхних ступеней ракет-носителей;
— элементы конструкции ракетно-космической техники;
— детали и обломки, которые образовались вследствие аварий;
— потерянные элементы, например плитки термоизоляции;
частицы топлива, краски, обшивки.

По современному космическому законодательству страна, которая вывела объект в космос, после окончания срока его эксплуатации должна за собой убрать. Но пока это только теория. А на практике неограниченное распространение космического мусора может поставить под вопрос программу полетов.

Чем опасен космический мусор?

Первая проблема — это скорость.

Самый крупный искусственный объект на орбите Земли — МКС. Возьмем для расчетов ее орбиту — 390 км над поверхностью планеты. Мы знаем, что МКС делает один полный оборот вокруг Земли за 1,5 часа.

Отсюда легко рассчитать линейную скорость движения по орбите — 28 тыс. км/ч. Это в 10 раз быстрее, чем пуля патрона 7,62х39, вылетевшая из АК.

Представьте, что будет, если вам в голову прилетит пакет с мусором на такой скорости? И это не предельное значение, многие спутники летают значительно быстрее.

Вторая проблема — это количество космического мусора.

Ниже на картинке — результат моделирования с ресурса stuffin.space, который наглядно демонстрирует объекты искусственного происхождения, находящиеся на околоземной орбите: от 100 до 1000 км над поверхностью Земли. Почти все это — космический мусор. По каждому объекту есть информация.

Скриншот с сайта Stuff in Space. Зеленым выделена орбита разгонного блока «Фрегат» — он болтается там с 2011 года

Большая красная окружность — это популярная геостационарная орбита, где обычно размещаются телекоммуникационные спутники, которые для наблюдателя с земли всегда «висят» в одной точке.

Классификация мусора

Космический мусор классифицируют по размеру.

Малый космический мусор — это объекты меньше 1 см. По самым оптимистичным расчетам, таких объектов около 10 млн. Пессимистичные оценки — порядка 20 млн.

Эти миллионы частиц никак не отслеживаются с Земли. Их полет непредсказуем.

Представьте, что в ваш аппарат попадает такая «пуля». Вероятно, она пробьет его насквозь. Скорее всего, аппарат сохранит свою функциональность, но это серьезное повреждение, в результате которого может отказать часть бортовой электроники.

В начале июня космический мусор проделал дыру в манипуляторе Canadarm2, пристыкованном к МКС. К счастью, на его работоспособность это не повлияло

Вторая группа — средний космический мусор. Это объекты с диаметром наибольшего поперечного сечения от 1 до 10 см. И хотя их существенно меньше — порядка 500 тыс. единиц, — они намного опаснее. Столкновение любого спутника с таким объектом вызовет серьезные повреждения. Скорее всего, аппарат потеряет функциональность, вдобавок образуются мелкие обломки нового космического мусора.

Плюс в том, что средние объекты мы можем отслеживать. Если автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС ОКП) заметит, что какой-то объект летит навстречу МКС, то орбиту последней корректируют — станцию поднимают или опускают, чтобы избежать столкновения.

Кстати, в «Роскосмосе» за космическим мусором следят 36 телескопов разного диаметра, расположенные в десяти пунктах мониторинга в России, Армении и Бразилии.

Самая малочисленная и самая опасная группа объектов — это крупный космический мусор. К нему относится все, что имеет диаметр поперечного сечения больше 10 см. Таких объектов порядка 21 тыс. единиц. Это космические аппараты и их крупные обломки. Столкновение с таким объектом подобно аварии с автомобилем на скорости 28 тыс. км/час. От аппарата, участвующего в таком столкновении, не останется ничего. Более того, при разрушении образуется большое количество мелкого космического мусора, который будет двигаться по непредсказуемым траекториям.

Как быстро накапливается мусор?

На 2021 год на околоземных орбитах находится порядка 21 тыс. объектов размером больше 10 см. Из них около 4 тыс. — функционирующие космические аппараты.

Вот как растет их число с 1957 года:

На этом графике на линии «различных обломков» заметны два скачка, подписанные как FY-1c и «Космос-Иридиум», в 2007 и 2009 годах соответственно. Сейчас поясню, откуда они.

В 2007 году КНР испытала технологию перехвата ИСЗ, выстрелив противоспутниковой ракетой в первый из серии собственных аппаратов, «Фэнъюнь 1C». К тому моменту аппарат уже не функционировал и представлял собой космический мусор. Ракета его уничтожила, взорвав почти на 2,5 тыс. частей. Результат того столкновения представлен на слайде:

Объекты космического мусора, образовавшиеся в результате взрыва «Фэнъюнь 1C»

Больше ни один космический аппарат не задели. Но с парой спутников была потеряна связь, и многие предполагают, что они вышли из строя в результате столкновения с обломками «Фэнъюнь 1C».

Второй скачок произошел в 2009 году. Над территорией России рабочий на тот момент американский телекоммуникационный аппарат «Иридиум 33» столкнулся с нерабочим российским «Космосом 2251». О сближении устройств знали заранее, но «Космос» уже вышел из строя, а «Иридиум» не имел средств управления — поэтому предотвратить столкновение не смогли.

Это было первая известная авария двух искусственных объектов в космосе. В результате образовалось порядка 3 тыс. обломков. На рисунке — модель их распространения вокруг Земли:

Синим отражены траектории частиц осколков, которые, как нитки в клубке, опоясывают всю планету

Синдром Кесслера

Американский астроинженер Дональд Кесслер первым описал явление хаотичного нарастания числа объектов искусственного происхождения на орбите Земли. По его мнению, этот рост приведет к запуску цепной реакции, которая сделает преумножение космического мусора неконтролируемым.

Подобный эффект хорошо показан все в том же художественном фильме «Гравитация», когда одно столкновение запускает каскадный эффект. Сейчас объекты космического мусора находятся на орбите как мины замедленного действия. Рано или поздно любая их них может сдетонировать.

Решение проблемы космического мусора

Уже есть ряд предложений по борьбе с космическим мусором — от радикальных, вроде полного отказа от полетов в космос на несколько десятков лет в ожидании, пока околоземное пространство очистится само, до вполне реализуемых.

Для методов увода даже существует своя классификация:

Поговорим о каждой из групп.

Пассивные методы увода

Эта группа методов предполагает использование естественной среды — того, что есть вокруг нас, — без искусственных воздействий.

Солнечный парус

Солнечный парус — по аналогии с обычным парусом на корабле — собирает энергию солнца, чтобы затормозить объект. При торможении его орбита начинает понижаться, со временем переходя в орбиту схода. Так объект благополучно падает на Землю, сгорая в верхних слоях атмосферы.

Главный недостаток солнечного паруса — его размеры. Чтобы парус эффективно работал, его площадь должна быть соизмерима с небольшим футбольным полем. В условиях постоянного «обстрела» мелким космическим мусором на орбите будет проблематично развернуть такую структуру и сохранить ее работоспособность.

Кроме того, метод сложно использовать на аппаратах, которые уже запущены. Пока непонятно, как на них ставить солнечный парус, раскрывать и ориентировать так, чтобы получить нужный эффект.

Сопротивление атмосферы

Этот метод основан на том же эффекте паруса, но в атмосфере Земли.

На орбите 500 км еще заметно влияние атмосферы. Ее плотность мала, но частицы газов еще можно использовать для торможения. Для этого предлагают использовать либо надувной шар-баллон, либо специальную пену, которая расширяется в несколько сотен раз. В обоих случаях площадь поперечного сечения объекта увеличивается, он замедляется, и орбита понижается.

Пример использования шара-баллона для торможения спутника в атмосфере. По расчетам, для ускорения выведения с орбиты в 730 км аппарата Iridium массой 700 кг понадобится шар радиусом 17 м. Время сходя при этом сократится с 97 лет до 143 дней

Метод с пеной безопасен, потому что для ее нанесения достаточно подлететь к объекту космического мусора, не захватывая его. Однако область его применения ограничена. На высоте больше 1000 км над поверхностью Земли атмосферы уже практически нет, поэтому торможение будет слабым.

Электродинамическая тросовая система

Из курса школьной физики мы знаем, что Земля — это большой магнит с северным и южным полюсами и магнитным полем. Если в магнитном поле двигать проводник с током, возникнет сила Лоренца, которую можно использовать для торможения. Для этого с объекта космического мусора необходимо вертикально к Земле опустить трос и пустить по нему ток.

У этого метода нет ограничений по высоте орбиты: магнитное поле Земли достаточно протяженно. Но для его использования нужно как-то прикреплять токопроводящие тросы на уже запущенные объекты космического мусора, а также позиционировать их по направлению к Земле.

Эффективность пассивных методов увода

Сравним, сколько будет жить объект в космосе сам по себе и при воздействии на него с помощью вышеописанных методов.

Первая (самая высокая) кривая — график жизни космического аппарата в зависимости от высоты при условии, что мы ничего не делаем для его увода. Если на орбите 500 км аппарат будет жить 10–15 лет, то на 1000 км может беспрепятственно существовать более 1,5 тыс. лет.

Графики сравнения времени увода тел с орбиты естественным путем (синий), с использованием атмосферного тормоза площадью наибольшего сечения 30 м2 (сиреневый) и токопроводящим тросом (зеленый)

При использовании атмосферы для торможения аппарата на орбите до 1000 км 1,5 тыс. лет превращаются в 100 лет, что говорит о достаточно высокой эффективности метода.

С электродинамической тросовой системой 1,5 тыс. лет сокращаются до 1–2 лет, поэтому именно ее всерьез рассматривают как основной пассивный способ увода космического мусора с орбиты.

Отсюда вывод: чтобы не заниматься клинерской сваркой в космосе, все аппараты надо снабжать тросами на этапе проектирования.

Активные методы увода

Эти методы предполагают прямое и активное воздействие на объекты космического мусора.

Бесконтактные методы

Один из самых интересных методов этой группы — лазер.

Идея заключается в том, чтобы, нагревая поверхность мусорного объекта, добиться испарения вещества. При определенных условиях это создаст механический импульс и приведет к торможению и снижению орбиты космического мусора.

Один большой недостаток этого способа заключается в том, что, если разместить такую установку на Земле, ее работа будет слишком энергозатратной. Альтернативная идея — поставить установку на орбиту. Здесь будут сложности, как сориентировать аппарат, чтобы он всегда получал солнечную энергию, а лазер попадал на космический мусор. Но в принципе эти задачи решаемы.

Следующий метод — ионный поток.

Идея в том, чтобы использовать ионные двигатели. Если поставить два таких двигателя на аппарат-уборщик, он сможет одновременно «дуть» на мусорный объект, смещая его с орбиты, и поддерживать собственную орбиту уборщика.

Главный плюс ионных двигателей — в малых энергозатратах. На пяти килограммах топлива один двигатель будет работать в течение года. По космическим меркам это очень мало. Хотя тяги ионного двигателя не хватает, чтобы эффективно перемещать космические корабли, для работы с мусором ее оказалось достаточно.

Еще один интересный метод основан на электростатическом взаимодействии — силе Кулона.

Если мы зарядим (создадим электростатическое силовое поле) аппарат-уборщик и объект космического мусора, то, управляя одним, сможем менять орбиту второго. В случае зарядов разного знака мы будем тащить мусор за уборщиком, а при одинаковом знаке — сталкивать мусор с орбиты.

Самая новая и достаточно оригинальная идея — гравитационный уборщик.

Она состоит в том, чтобы создать большую массивную станцию, которая за счет массы от 100 тонн будет в своей сфере Хилла, как магнит, собирать на околоземных орбитах космический мусор. Каждый собранный объект будет увеличивать массу станции, увеличивая и ее сферу Хилла.

Схема перетаскивания мусора с помощью гравитационного уборщика на орбиту захоронения (высоту, где уже не летают космические аппараты)

Контактные методы

Вторая группа активных методов увода предполагает непосредственный контакт с мусором. Чтобы захватить мусор и сопроводить его либо до орбиты захоронения, либо до атмосферы, используется специальный космический аппарат.

Принципиально существует два подхода — с жесткой и гибкой связью между аппаратом-уборщиком и мусором. Оба вполне реалистичны, но у «жесткого» подхода есть существенный недостаток. Если мы попытаемся механическим манипулятором схватить массивный объект на большой скорости, то, скорее всего, просто оторвем манипулятор. Поэтому более жизнеспособной выглядит тросовая система.

С ее помощью мы можем захватить мусорный объект сетью, гарпуном или иным устройством (как на рыбалке), а потом тащить его за собой:

Методы жесткого и гибкого захвата на сегодняшний день наиболее отработаны, в том числе в ходе экспериментов на МКС, хотя для реального сбора мусора их пока не используют.

Не проработан и вопрос, что делать с мусором. Уводить мусор на орбиту захоронения — как прятать под ковер. Случайное столкновение объектов между собой или мусора с космическим телом может выбить неиспользуемые аппараты с орбиты, добавив нам проблем.

Да и сжигать все в атмосфере — не самая лучшая идея. Если объект крупный, осколки могут разлетаться и достигать земли в радиусе тысяч километров. Возможно, мусор следует перерабатывать прямо на орбите. Чем и как — пока непонятно. Но, может, возникнет какой-нибудь стартап в ближайшем будущем. Вон, нашелся же студент, который теперь убирает мусор в океане и реках. И спонсоры у него нашлись.

Кстати, на днях прозвучало еще одно любопытное мнение, что часть мусора на орбите надо обязательно оставить, поскольку он представляет собой прекрасные «машины времени». И когда технологии усовершенствуются, а космический туризм станет рутиной, можно будет открыть музей прямо на орбите.

Хотя лично я думаю, синдром Кесслера — более реалистичный сценарий (должна же я была добавить черного юмора в конце). Но другой планеты у меня нет, поэтому, надеюсь, это никогда не случится. Как сказал Куарон критикам, «„Гравитация“ — не документальный фильм, а фантастический». Пусть все так и остается.

Источник