Космически отпадъци: Нарастващата заплаха и технологиите за почистване на орбита

Нашето изследване и използване на космоса донесоха огромни ползи за човечеството – от глобални комуникации и навигация до прогнозиране на времето и научни открития. Десетилетията на космически дейности обаче доведоха и до нарастващ проблем: космическите отпадъци, известни още като орбитални отпадъци или космически боклук. Тези отпадъци представляват значителна заплаха за функциониращите сателити, бъдещите космически мисии и дългосрочната устойчивост на космическите дейности.

Какво представляват космическите отпадъци?

Космическите отпадъци обхващат всички нефункционални, създадени от човека обекти в орбита около Земята. Това включва:

• Излезли от употреба сателити: Сателити, които са достигнали края на своя експлоатационен живот, но остават в орбита.
• Корпуси на ракети: Горни степени на ракети, които са извели сателити в орбита.
• Фрагментационни отпадъци: Части от сателити и ракети, които са се разпаднали поради експлозии, сблъсъци или деградация.
• Отпадъци, свързани с мисии: Обекти, освободени по време на разгръщане на сателити или операции на мисията, като капаци на обективи или адаптерни пръстени.
• Малки отпадъци: Дори малки обекти, като люспи боя или шлака от твърдогоривни ракетни двигатели, могат да причинят значителни щети поради високата си скорост.

Американската мрежа за космическо наблюдение (SSN) проследява обекти, по-големи от 10 см в ниска околоземна орбита (LEO) и по-големи от 1 метър в геостационарна орбита (GEO). Съществуват обаче милиони по-малки парчета отпадъци, които са твърде малки, за да бъдат проследени, но все пак представляват заплаха.

Опасностите от космическите отпадъци

Опасностите, които представляват космическите отпадъци, са многостранни:

Риск от сблъсък

Дори малки парчета отпадъци могат да причинят значителни щети на работещи сателити поради високите скорости, с които се движат в орбита (обикновено около 7-8 км/сек в LEO). Сблъсък дори с малък обект може да деактивира или унищожи сателит, което води до загуба на ценни услуги и създаване на още повече отпадъци.

Пример: През 2009 г. нефункциониращ руски сателит, Космос 2251, се сблъска с работещ комуникационен сателит Iridium, създавайки хиляди нови парчета отпадъци.

Синдром на Кеслер

Синдромът на Кеслер, предложен от учения на НАСА Доналд Кеслер, описва сценарий, при който плътността на обектите в LEO е достатъчно висока, така че сблъсъците между обекти могат да предизвикат каскаден ефект, създавайки още повече отпадъци и правейки космическите дейности все по-опасни и непрактични. Този неконтролируем процес може да направи определени орбитални региони неизползваеми за поколения напред.

Увеличени разходи за мисии

Сателитните оператори трябва да изразходват ресурси за проследяване на отпадъци, извършване на маневри за избягване на сблъсъци и укрепване на сателитите срещу удари. Тези дейности увеличават разходите и сложността на мисиите.

Заплаха за пилотираните космически полети

Космическите отпадъци представляват пряка заплаха за пилотираните космически полети, включително за Международната космическа станция (МКС). МКС има екранировка за защита от малки отпадъци, но по-големите обекти изискват станцията да извършва маневри за избягване.

Текущо състояние на космическите отпадъци

Количеството космически отпадъци непрекъснато се увеличава през последните няколко десетилетия. Според Европейската космическа агенция (ESA), към 2023 г. има:

• Около 36 500 проследявани обекта, по-големи от 10 см.
• Приблизително 1 милион обекта с размери между 1 см и 10 см.
• Над 130 милиона обекта, по-малки от 1 см.

По-голямата част от отпадъците са концентрирани в LEO, която е и най-интензивно използваният орбитален регион за наблюдение на Земята, комуникации и научни изследвания.

Технологии за почистване на орбита: Решаване на проблема

Справянето с проблема с космическите отпадъци изисква многостранен подход, включващ смекчаване на проблема с отпадъците, ситуационна осведоменост в космоса (SSA) и активно премахване на отпадъци (ADR). Смекчаването на проблема се фокусира върху предотвратяването на създаването на нови отпадъци, докато SSA включва проследяване и наблюдение на съществуващите отпадъци. ADR, фокусът на тази блог публикация, включва активното премахване на отпадъци от орбита.

Разработват се и се тестват множество иновативни технологии за ADR. Тези технологии могат да бъдат най-общо категоризирани по следния начин:

Методи за улавяне

Методите за улавяне се използват за физическо захващане или задържане на парче отпадък, преди той да може да бъде спуснат от орбита или преместен на по-безопасна орбита. Разглеждат се няколко подхода:

• Роботизирани ръце: Това са универсални инструменти, които могат да се използват за захващане и манипулиране на отпадъци. Те често са оборудвани със специализирани крайни ефектори (хващачи) за сигурно задържане на различни видове обекти.
• Мрежи: Големи мрежи могат да бъдат разгърнати за улавяне на отпадъчни обекти, особено такива, които се въртят или имат неправилна форма. След улавянето мрежата и отпадъците могат да бъдат спуснати от орбита заедно.
• Харпуни: Харпуните се използват за проникване и обезопасяване на отпадъчни обекти. Този метод е подходящ за улавяне на твърди обекти, но може да не е подходящ за крехки или повредени елементи.
• Въжета: Електродинамичните въжета могат да се използват за изтегляне на отпадъци от орбита с помощта на магнитното поле на Земята. Те са ефективни за спускане от орбита на големи обекти, но изискват внимателен контрол.
• Улавяне с пяна или аерогел: Използване на облак от лепкава пяна или аерогел за обгръщане и улавяне на отпадъци. Този подход е все още в ранен етап на развитие.

Методи за деорбитиране

След като парче отпадък бъде уловено, то трябва да бъде деорбитирано, тоест върнато в земната атмосфера, където ще изгори. За деорбитиране се използват няколко метода:

• Директно деорбитиране: Използване на двигатели за директно понижаване на орбитата на отпадъка, докато той навлезе отново в атмосферата. Това е най-простият метод, но изисква значително количество гориво.
• Увеличаване на атмосферното съпротивление: Разгръщане на голямо спирачно платно или балон за увеличаване на повърхността на отпадъка, като по този начин се увеличава атмосферното съпротивление и се ускорява повторното му навлизане.
• Електродинамични въжета: Както бе споменато по-горе, въжетата могат да се използват и за деорбитиране чрез генериране на спирачна сила чрез взаимодействие с магнитното поле на Земята.

Безконтактни методи

Някои ADR технологии не включват физическо улавяне на отпадъците. Тези методи предлагат потенциални предимства по отношение на простота и мащабируемост:

• Лазерна аблация: Използване на мощни лазери за изпаряване на повърхността на отпадъчни обекти, създавайки тяга, която постепенно понижава тяхната орбита.
• Пастир с йонен лъч: Използване на йонен лъч за изтласкване на отпадъчни обекти далеч от работещи сателити или към по-ниски орбити. Този метод е безконтактен и избягва риска от сблъсък по време на улавяне.

Примери за мисии и технологии за почистване на орбита

Разработени са няколко мисии и технологии, за да се демонстрира осъществимостта на ADR:

• RemoveDEBRIS (Европейска космическа агенция): Тази мисия демонстрира няколко ADR технологии, включително мрежа, харпун и спирачно платно. Тя успешно улови симулиран отпадъчен обект с помощта на мрежа и разгърна спирачно платно, за да ускори собственото си деорбитиране.
• ELSA-d (Astroscale): Тази мисия демонстрира способността за улавяне и деорбитиране на симулиран отпадъчен обект с помощта на магнитна система за скачване. Тя включваше обслужващ космически апарат и клиентски космически апарат, който представляваше отпадъка.
• ClearSpace-1 (Европейска космическа агенция): Тази мисия, планирана за изстрелване през 2026 г., има за цел да улови и деорбитира горна степен на Vespa (Vega Secondary Payload Adapter), парче отпадък, оставено в орбита след изстрелване на ракета Vega. Тя ще използва роботизирана ръка за улавяне на Vespa.
• ADRAS-J (Astroscale): Мисията ADRAS-J е предназначена да се срещне със съществуващо голямо парче отпадък (горна степен на японска ракета), за да характеризира неговото състояние и движение. Тези данни ще бъдат от решаващо значение за планирането на бъдещи мисии за премахване.
• e.Deorbit (Европейска космическа агенция - предложена): Планирана мисия за улавяне и деорбитиране на голям излязъл от употреба сателит с помощта на роботизирана ръка. Мисията има за цел да демонстрира техническата осъществимост на премахването на големи, сложни отпадъчни обекти.

Предизвикателства и съображения

Въпреки напредъка в технологията ADR, остават няколко предизвикателства и съображения:

Разходи

Мисиите ADR са скъпи за разработване и изпълнение. Цената на изстрелването на космически апарат и извършването на сложни маневри в орбита може да бъде значителна. Разработването на икономически ефективни ADR решения е от решаващо значение за превръщането на премахването на отпадъци в икономически жизнеспособно.

Развитие на технологиите

Много ADR технологии все още са в ранен етап на развитие и изискват допълнителни тестове и усъвършенстване. Разработването на надеждни и ефективни методи за улавяне и деорбитиране е от съществено значение за успеха на мисиите ADR.

Правна и регулаторна рамка

Правната и регулаторната рамка за ADR все още се развива. Има въпроси относно отговорността за щети, причинени по време на премахване на отпадъци, собствеността върху премахнатите отпадъци и потенциала технологията ADR да бъде използвана за нападателни цели. Международното сътрудничество и установяването на ясни правни насоки са необходими, за да се гарантират отговорни и устойчиви ADR дейности.

Избор на цели

Изборът на правилните отпадъчни обекти за премахване е от решаващо значение за максималната ефективност на усилията за ADR. Приоритизирането на премахването на големи, високорискови обекти, които представляват най-голямата заплаха за работещите сателити, е от съществено значение. Трябва да се вземат предвид фактори като размер, маса, височина на обекта и потенциал за фрагментация.

Политически и етични съображения

ADR повдига политически и етични съображения, като например потенциала технологията ADR да бъде използвана за военни цели или за несправедливо насочване към сателитите на други нации. Международната прозрачност и сътрудничество са от решаващо значение за справяне с тези опасения и за гарантиране, че ADR се използва в полза на всички.

Международни усилия и сътрудничество

Признавайки глобалния характер на проблема с космическите отпадъци, множество международни организации и инициативи работят за решаването на този въпрос:

• Комитет на ООН по мирното използване на космическото пространство (UN COPUOS): Този комитет предоставя форум за международно сътрудничество по въпроси, свързани с космоса, включително смекчаване на проблема с космическите отпадъци. Той е разработил насоки за смекчаване на проблема с космическите отпадъци, които са широко приети от космическите нации.
• Междуведомствен координационен комитет по космическите отпадъци (IADC): Този комитет е форум за космическите агенции за обмен на информация и координиране на дейности, свързани с космическите отпадъци. Той разработва консенсусни насоки за смекчаване на проблема с космическите отпадъци и насърчава изследванията на ADR технологии.
• Рейтинг за устойчивост на космоса (SSR): Инициатива, ръководена от Световния икономически форум за насърчаване на устойчиви практики в космоса. SSR оценява устойчивостта на космическите мисии въз основа на фактори като мерки за смекчаване на проблема с отпадъците и способности за избягване на сблъсъци.

Тези международни усилия са от съществено значение за насърчаване на сътрудничеството, споделяне на най-добри практики и разработване на общи подходи за справяне с проблема с космическите отпадъци.

Бъдещето на почистването на орбита

Бъдещето на почистването на орбита вероятно ще включва комбинация от технологичен напредък, промени в политиката и международно сътрудничество. Ключовите тенденции и развития, които трябва да се наблюдават, включват:

• Напредък в ADR технологията: Продължаващи изследвания и разработки на по-ефективни и икономически изгодни ADR технологии, като роботизирани ръце, мрежи и лазерна аблация.
• Развитие на способности за обслужване в орбита: Разработването на космически апарати, които могат да извършват обслужване в орбита, като презареждане с гориво, ремонт и преместване на сателити. Тези способности могат да се използват и за премахване на отпадъци.
• Въвеждане на по-строги мерки за смекчаване на проблема с отпадъците: Приемането на по-строги мерки за смекчаване на проблема с отпадъците от космическите нации и организации, включително изисквания за деорбитиране в края на експлоатационния живот и пасивиране на сателитите.
• Повишена ситуационна осведоменост в космоса: Подобрено проследяване и наблюдение на космическите отпадъци за по-добра оценка на рисковете от сблъсък и планиране на маневри за избягване.
• Създаване на всеобхватна правна и регулаторна рамка: Разработването на ясни правни насоки за ADR дейности, разглеждащи въпроси като отговорност, собственост и използването на ADR технология за военни цели.

Справянето с проблема с космическите отпадъци е от решаващо значение за осигуряване на дългосрочната устойчивост на космическите дейности и запазване на ползите, които изследването и използването на космоса предоставят на човечеството. Чрез инвестиране в ADR технологии, прилагане на по-строги мерки за смекчаване на проблема с отпадъците и насърчаване на международното сътрудничество, можем да създадем по-безопасна и по-устойчива космическа среда за бъдещите поколения.

Заключение

Космическите отпадъци са нарастваща заплаха за нашата космическа инфраструктура и бъдещето на изследването на космоса. Разработването на технологии за почистване на орбита е от съществено значение за смекчаване на този риск. Въпреки че остават значителни предизвикателства, текущите изследвания, международното сътрудничество и напредъкът в политиката дават надежда за по-чиста и по-безопасна орбитална среда. Ангажиментът на правителствата, космическите агенции и частните компании по света е от решаващо значение за осигуряване на дългосрочната устойчивост на космическите дейности и продължаващите ползи, които космосът предоставя на човечеството.