Опасный звездный хлам: как очистить орбиту от космического мусора?

Большинство людей воспринимает космос как безупречное по чистоте пространство, кажется, что в окружении абсолютной пустоты парят лишь несколько ракет и парочка спутников. Однако реальное положение дел сильно отличается: на орбите Земли вращаются миллионы обломков мусора. Рассказываем, чем опасны остатки телескопов и ракет и как с ними бороться

Космическая индустрия является одной из крупнейших отраслей мировой экономики. Так, в 2022 году ее объем на международном рынке составил около $469 млрд (этот показатель не переставал расти в последующие годы). И несмотря на большое количество трудностей, связанных с покорением Вселенной, одной из главных остается крошечный космический мусор. В связи с тем, что на орбиту выводят все больше объектов, увеличивается вероятность их столкновения с вращающимся там хламом.

А учитывая то, что очистка околоземного космоса стоит дорого и требует участия всех ведущих экономик мира, борьба с мусором постоянно откладывается. Другими словами, пока существует возможность запускать новые космические аппараты и избегать столкновений с посторонними объектами на орбите, мотивация заниматься столь дорогостоящей и сложной в реализации инициативой остается крайне низкой. 

Однако полная финансовая экспертиза NASA 2023 года по удалению космического мусора обещает дать новый толчок этому делу. В ней эксперты описали финансовые издержки и преимущества различных путей борьбы с быстрорастущей космической опасностью, причем специалисты оценили еще и то, насколько быстро те или иные способы ликвидации принесут ощутимую пользу. Оказалось, что существуют методы, затраты на которые оправдают себя в течение десятилетия. Все это дает надежду на скорую реализацию некоторых проектов по предотвращению загрязнения и очистке орбиты. 

Почему космический мусор такая большая проблема? 

В настоящее время Сеть космического наблюдения Соединенных Штатов (United States Space Surveillance Network) отслеживает более 23 тыс. единиц космического мусора, чей размер превышает размер мячика для игры в большой теннис. В целом на околоземной орбите насчитывают около 29 тыс. "мусорных объектов" больше 10 см, 670 тыс. — больше 1 см и более 170 млн кусочков, чей размер превышает 1 мм. В целом эксперты считают, что на орбите Земли существует около 100 трлн неотслеживаемых кусков космического мусора.

ЧТО ТАКОЕ КОСМИЧЕСКИЙ МУСОР?

Это любые искусственные объекты, которые появились на орбите Земли в результате деятельности человека. Космический мусор включает в себя, например, целые спутники, в которых закончилось топливо и чья миссия завершилась, обломки, которые возникли после столкновения более крупных машин, и даже крошечные кусочки краски, которые оторвались от ракет во время полета.

Возникает резонный вопрос, как что-то настолько маленькое может стать проблемой? Неужели теннисный мячик или даже что-то еще меньшее может повредить ракету и угрожать проведению космических миссий? К сожалению, да. Например, в 2016 году Европейское космическое агентство продемонстрировало фотографию вмятины в стеклянном иллюминаторе МКС, которая образовалась в результате столкновения с крошечным кусочком космического хлама. 

Так происходит из-за скорости, с которой вращается мусор: согласно существующим данным, объекты на высоте МКС передвигаются со скоростью около 25 200 км/ч. Это значение в 10 раз выше того, с которым пули вылетают из пистолета на Земле. Получается, что даже самый небольшой предмет на орбите планеты представляет опасность для космонавтов и для летательных аппаратов в эксплуатации. Эксперты сравнивают это с движением по шоссе: пока объекты движутся в одном направлении, особой опасности нет. Они вряд ли заденут друг друга и нанесут серьезный ущерб. Однако если два предмета на высокой скорости все же столкнутся, плачевных последствий не избежать.

Спутники, космические аппараты и обломки космического мусора вращаются вокруг планеты во множестве различных направлений: некоторые передвигаются горизонтально, вдоль экватора, а другие — вертикально, вдоль полюсов, а бывают и обломки с ретроградным, обратным, движением. Хаотичное космическое движение в сочетании с большим количеством запускаемых на орбиту объектов увеличивает риск столкновения аппаратов и делает покорение Вселенной опаснее. Некоторые эксперты и вовсе считают, что игнорирование проблемы может привести к тому, что человечество потеряет возможность хоть как-то взаимодействовать с космическим пространством: вид на звезды будет перекрыт, спутники будут разбиваться еще до того, как справятся со своей миссией. Другими словами, при критическом уровне загрязнения со всеми космическими амбициями можно будет попрощаться.

Как избавиться от космического мусора? 

К сожалению, единой эффективной стратегии все еще не существует. До сих пор большинство идей находится на стадии разработки. Однако некоторые инициативы по очистке орбиты уже близки к тому, чтобы стать реальностью. Вот некоторые из них.

Отслеживать космический хлам

Одна из главных проблем космического мусора заключается в том, что за ним очень трудно уследить. Из-за этого ученые не всегда знают, где находится потенциальная опасность. Один из самых простых способов преодоления этого кризиса — трекирование всего, что есть на орбите. Этим, например, занимается компания Privateer: она отслеживает более 27 тыс. самых больших кусков космического мусора в реальном времени. 

Благодаря этим данным вероятность столкновения объектов в космосе снижается, что, в свою очередь, приводит к сокращению хлама, загрязняющего орбиту (крупные куски мусора не разбиваются на мелкие, в результате чего ближний космос сохраняет свою чистоту). 

Несмотря на то, что эта система очень полезна, в ней есть слабые стороны, главная из которых — недостаточная точность. Дело в том, что большинство объектов космического мусора слишком малы и не поддаются трекированию. Кроме того, избежать столкновения, даже если удалось отследить угрозу, не всегда возможно. Перемещать спутники в космосе и менять траекторию их движения очень дорого. Каждый такой маневр обходится компаниям в тысячи долларов. А иногда спутники невозможно подвинуть без отключения некоторых систем для наблюдения за космосом. В случае с исследовательскими аппаратами это означает невосполнимые издержки и потерю ценных данных.

Сжечь мусор в атмосфере

Самый простой способ избавиться от космического мусора — сжечь его в атмосфере Земли. Для этого опасный объект необходимо схватить и переместить с орбиты в зону, где действует притяжение, космический хлам начнет падать и по принципу метеорита сгорит в верхних слоях атмосферы. 

Для того чтобы провернуть такую операцию, необходима специальная машина: она должна захватывать мусор и спускать его на Землю. По оценке Яна Симински, специалиста по космическому мусору в Европейском космическом агенстве, разработка подобного аппарата обойдется примерно в €100 млн (около $108 млн).

Несмотря на все это, Европейское космическое агентство анонсировало первую в мире миссию по удалению космического мусора, назначив ее на 2025 год. За операцию отвечает швейцарский стартап ClearSpace. Разработанный ими "уборщик" чем-то напоминает клешню: она захватывает крупные куски хлама, замедляя и стабилизируя их движение, после чего падает на Землю, растворяясь вместе с космическим мусором. 

Однако и у этого метода есть свои недостатки: помимо больших экономических издержек каждого такого запуска клешня не способна удалять мелкие осколки с орбиты. 

Существует схожая, менее дорогостоящая разработка, которая предполагает использование космической сети. В ней мусорные осколки будут как бы запутываться, после чего их запустят на Землю с помощью аппарата, напоминающего гарпун. Однако и это обойдется недешево, примерно в $16 млн.

Лазерные испарители

Еще один возможный способ избавиться от мусора — испарить его или переместить с первоначальной орбиты с помощью лазера. Отечественные специалисты из Института прикладной физики РАН (ИПФ, Нижний Новгород) предлагают разместить подобную пушку на МКС, чтобы защищать станцию от наиболее опасных частиц хлама. 

Однако с этой технологией нужно быть крайне осторожным: мощность лазера должна быть подобрана очень точно, чтобы не разбивать крупные куски на более мелкие и, как следствие, более трудные для устранения. Кроме того, лазер не поможет избавиться от хлама на орбите, а лишь защитит существующие в космосе машины от повреждений.

Экологичные космические аппараты

Японские ученые давно работали над созданием первого в мире деревянного спутника. Для того чтобы построить экологичный аппарат, они протестировали различные виды древесины и пришли к выводу, что магнолия прекрасно подходит для заданных целей. После того как образцы этого растения побывали на орбите (они находились в открытом космосе в течение девяти месяцев), на них не осталось никаких следов. Вакуум и радиация не разрушили перспективный материал. Это делает дерево подходящим для создания корпуса и деталей спутников и отличной альтернативой металлу. 

После того как гипотеза ученых подтвердилась и магнолию признали пригодной для дальнейшей работы, исследователи из Киотского университета совместно с лесозаготовительной компанией Sumitomo Forestry создали экологичную замену существующим космическим аппаратам, которую можно будет утилизировать без вреда для окружающей среды. При сгорании деревянного спутника будет образовываться меньше токсичного оксида алюминия, который способен на много лет задерживаться в верхних слоях атмосферы. 

Запуск альтернативного космического аппарата запланирован на лето 2024 года. Пока точных данных о ракете-носителе, которая доставит объект в космос, нет. Эксперты все еще выбирают из двух главных претендентов: Orbital Sciences Cygnus и SpaceX Dragon.