Объекты одноразового использования – спутники. При износе или поломке их отключают и оставляют в космосе, так как ремонт затруднителен. Такой подход с начала освоения космоса привел к перегружению орбит вокруг Земли. Что будет, если до 2100 года продолжать накапливать спутники и их обломки? Не превратится ли космос кладбищем космических кораблей, пока доступ в него не прекратится?
Все воспринимают Вселенную огромной и бесконечной, поэтому трудно представить ее перегруженной объектами. Тем не менее вокруг нашей планеты происходит опасное накопление спутников и другого космического мусора, угрожающего действующим спутникам и пилотируемым космическим полетам.
На малых высотах спутники чаще сталкиваются с малыми, устаревшими аппаратами. На больших высотах столкновения происходят с обломками, образовавшимися при фрагментации (когда один обломок встречается с другим и образует множество более мелких обломков).
К сожалению, все больше зависят от спутников во многих аспектах жизни, начиная с интернета. 2020-е годы стали началом новой эры в космических полетах — запуском и развертыванием настоящих спутниковых группировок благодаря ракетам частных компаний, таких как SpaceX.
Развитие технологий для больших спутниковых группировок ускоряется: становится надежнее и компактнее. За два года запуск коммерческих спутников в околоземное пространство вырос благодаря этому, подавляющее большинство из которых — небольшие спутники массой от 100 до 1000 кг, согласно данным Европейского космического агентства (ЕКА).
Космос всё больше заполняется космическими отходами. В апреле 2022 года для спутника наблюдения Земли Copernicus Sentinel-1A пришлось изменить траекторию движения, чтобы избежать столкновения с фрагментом ракеты, запущенной тридцать лет назад.
Без действий по удалению неактивных космических объектов, пересечение орбит вокруг Земли станет невозможным, а угроза столкновений спутников увеличится в десятки раз. Подобная ситуация может привести к отключению электричества на всей планете и частым падениям мусора.
Более шестидесяти лет космической деятельности завершились более чем шестью тысячами запусков на орбиту, что привело к выведению около пятидесяти шести тысяч четырехсот пятидесяти объектов. Около двадцати восьми тысяч двести шестьдесят из них остаются в космосе и регулярно отслеживаются Сетью космического наблюдения США, которые поддерживаются в списках, сообщает ЕКА. В последнем перечислены объекты размером от пяти до десяти сантиметров на низкой околоземной орбите (НОО) и от тридцати до ста сантиметров на геостационарных расстояниях (ГСО). Небольшая часть — около четырех тысяч, или менее трети — в настоящее время являются неповрежденными и действующими спутниками.
Общая масса этого большого количества космического материала превышает девять тысяч триста тонн. Около четверти зарегистрированных объектов — спутники, а примерно 11% — изношенные разгонными блоками и объектами, связанными с миссией, например, пусковыми приспособлениями и обтекателями.
С 1961 года на орбите зарегистрировано не менее 560 случаев фрагментации, из которых только семь связаны со столкновениями. Первое зарегистрированное столкновение случилось в 1996 году: обломки ракеты Ariane ударились по французскому военному спутнику CERISE, запущенному в 1995 году. Отколовшаяся антенна отправила спутник в падение, став тревожным сигналом о ситуации, которую представляет космический мусор для миссий настоящего и будущего.
Будущее может стать источником роста количества космического мусора из-за столкновений. Модели ЕКА и CNES показывают, что возможно превышение одного миллиона объектов размером более 1 см, а объектов размером менее 1 см — около 330 миллионов.
Синдром Кесслера
Без радикальных изменений в использовании и утилизации одноразовых космических аппаратов, наш текущий подход приведёт к катастрофическим последствиям, известным как «синдром Кесслера».
Впервые в 1978 году ученый НАСА Дональд Дж. Кесслер предложил последний вариант модели, описывающей ситуацию, когда плотность объектов на орбите велика настолько, что столкновения между ними и обломками вызывают каскадный эффект: каждое столкновение порождает обломки, повышающие вероятность последующих столкновений. В результате некоторые низкие околоземные орбиты станут непригодными или даже непроходимыми.
Согласно данным CNES, избыток космических объектов создаёт две основные проблемы: одну для космоса и другую для Земли.
Последствия размножения космического мусора для космоса.
Рассмотрим сначала опасности, с которыми сталкиваемся в космосе.
Даже небольшой фрагмент может причинить большой урон при столкновении на орбите из-за скорости – до 28 163 км/ч. Размер осколков не определяет масштаба ущерба. Например, объект диаметром 1 см обладает такой же энергией, как автомобиль, движущийся со скоростью 130 км/ч. Единственный способ защиты — маневрирование спутниками, космическими станциями или капсулами в зоне риска.
В некоторых ситуациях маневрирование невозможно, чтобы избежать столкновения: например, если объект слишком мал для определения, последствия могут быть разрушительными. Так, 10 февраля 2009 года бывший российский космический аппарат столкнулся с американским коммерческим аппаратом Iridium и уничтожил его. В результате образовались более 2300 крупных отслеживаемых обломков и множество мелких фрагментов, которые стали частью космического мусора.
Недавно, спустя несколько месяцев после старта работы, телескоп Джеймса Уэбба получил метеоритный удар, которого заранее не удалось предугадать. Вне зависимости от этого, миссия продолжается и 12 июля открыла миру исключительную часть Вселенной.
Кроме того, космонавты становятся мишенью не только во время выходов в открытый космос, но и в космических кораблях. В качестве примера можно привести 15 ноября 2021 года: испытание российской ракеты привело к увеличению вдвое количества обломков на орбите Земли возле Международной космической станции из-за взрыва бывшего российского спутника «Космос 1408». Космонавтам МКС пришлось срочно отправиться в свои корабли, подготовиться к отстыковке от станции и, если потребуется, совершить аварийное возвращение на Землю. Через примерно два часа они вернулись к своей обычной деятельности.
Выходы в открытый космос неоднократно откладывали из-за обнаружения космического мусора, представляющего опасность для космонавтов. Обломки могут повредить конструкции МКС, а удар по человеку может оказаться смертельным. В связи с этим 30 ноября 2021 года после взрыва НАСА в пресс-релизе сообщило: Невозможность достоверно оценить риски для космонавтов привела к принятию решения о переносе выхода в открытый космос, назначенного на вторник, 30 ноября, до получения уточняющих данных. «.
Последствия роста объемов космического мусора на Землю.
С точки зрения Земли важно учитывать, что некоторые обломки возвращаются на её поверхность. Часть из них испаряется при прохождении атмосферы, но от 10 до 20% достигают земной поверхности. В основном столкновения происходят в океанах, которые занимают большую часть Земли, заселенная же лишь небольшая ее часть.
По оценкам, каждую неделю падает один большой фрагмент. В августе 2022 года на австралийской ферме обнаружили части (в том числе одну длиной более трех метров) ракеты-носителя SpaceX. Только один случай в 1997 году привел к незначительной травме плеча американца.
Из-за роста количества углекислого газа атмосферная плотность уменьшается, что может ослабить естественное очищение орбиты от мусора.
Исследование, опубликованное на прошлой неделе на Европейской конференции по космическому мусору, указывает на недооценку масштаба проблемы и предсказывает возможное увеличение количества космического мусора на орбите в 50 раз к 2100 году. Такой сценарий возможен из-за снижения сопротивления спутников при входе в атмосферу, что усложнит очистку от космических отходов.
Четвертая угроза заключается в стремительном развитии мегаспутниковых группировок, развернутых компаниями SpaceX и Amazon. Ученые предупреждают, что кроме обеспечения доступности интернета для всех, это может привести к трагедиям общего пользования: для наземной астрономии, верхней атмосферы Земли и околоземной орбиты.
Доступ в космос с Земли – последняя проблема. Учитывая рост количества космического мусора и пессимистичные прогнозы экспертов, мечты о путешествии на Луну и исследовании Солнечной системы могут стать недостижимыми, если накопление мусора не ограничено.
Обеспечение устойчивого освоения космоса
Бхавия Лал, помощник администратора Управления технологий, политики и стратегии (OTPS) в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия, в своем заявлении отмечает: «Орбитальный мусор — одна из главных проблем современности. Сохранение возможности использования космоса критически важно для экономики, национальной безопасности и научно-технического прогресса нашей страны».
В 2018 году проект RemoveDebris под руководством Университета Суррея совместно с Airbus и другими организациями продемонстрировал успешную концепцию захвата космического мусора размером с картонную коробку.
ЕКА заключило контракт на миссию ClearSpace-1, которая продемонстрирует технологии для активного удаления мусора и станет первым шагом к новому устойчивому коммерческому сектору в космосе, занимающемуся утилизацией опасных объектов для космических аппаратов.
Пока все это — лишь продемонстрированные технологии, их эксплуатация еще не началась. Основная задача состоит в том, чтобы не производить чрезмерное количество отходов.
В 2007 году IADC (Межведомственный координационный комитет по космическому мусору, созданный в 1993 году) утвердил ряд принципов устойчивого освоения космоса. В документе отсутствуют обязательные положения.
Решения и меры по адаптации к засорению
Если отслеживаемый мусор встречается с действующими спутниками или космическими аппаратами, подаётся сигнал тревоги, и операторы маневрируют, чтобы избежать столкновения. Однако при росте количества предупреждений операторам космических аппаратов станет невозможно реагировать на них вручную, что может привести к трагическим столкновениям.
Мориба Джа и Стив Возняк, соучредитель компании Apple, создали новое онлайн-приложение Wayfinder. Запущенное в марте 2022 года, оно отслеживает траекторию движения космического мусора практически в реальном времени.
Среди преимуществ можно отметить экологичную утилизацию многих ракетных корпусов, запускаемых для размещения спутников на низкую околоземную орбиту. Часть из них сгорает при входе в атмосферу Земли, другие выводятся на далекие орбиты и распадаются естественным путем за 25 лет. Развитие многоразовых космических кораблей, таких как ракеты-носители компании SpaceX, также положительно сказывается на ситуации.
Повысив осведомленность всех космических институтов и приняв глобальные, универсальные меры для будущих миссий и запусков, можно сделать горизонт более ясным. В настоящее время на карту поставлено устойчивое будущее освоения космоса. Основной угрозой для Земли и космоса является синдром Кесслера. В случае его появления будущее освоения космоса, равно как и наша сегодняшняя жизнь, обречены.
Анимация Дж. Пайано, основанная на 3D-моделях и прогнозах ЕКА и НАСА, демонстрирует распределение обломков и их скопления до 2100 года в случае отсутствия мер по ограничению их количества. Для наглядности фрагмент экрана отображает обломки в размере 1000-1500 раз больше реальных, но при этом в 1000-1500 раз меньше их предполагаемого числа (чтобы компенсировать визуальное сокращение).