Космический мусор: растущая угроза и технологии очистки орбиты

Освоение и использование космоса принесли человечеству огромную пользу, от глобальной связи и навигации до прогнозирования погоды и научных открытий. Однако десятилетия космической деятельности также привели к растущей проблеме: космическому мусору, также известному как орбитальный мусор. Этот мусор представляет серьезную угрозу для действующих спутников, будущих космических миссий и долгосрочной устойчивости космической деятельности.

Что такое космический мусор?

Космический мусор включает в себя все нефункционирующие, созданные человеком объекты на околоземной орбите. Сюда входят:

Вышедшие из строя спутники: спутники, которые достигли конца своего срока службы, но остаются на орбите.
Корпуса ракет: верхние ступени ракет, которые выводили спутники на орбиту.
Фрагментарный мусор: обломки спутников и ракет, которые разрушились в результате взрывов, столкновений или деградации.
Мусор, связанный с миссиями: объекты, выброшенные во время развертывания спутников или операций миссии, такие как крышки объективов или переходные кольца.
Мелкий мусор: даже крошечные объекты, такие как частицы краски или шлак от твердотопливных ракетных двигателей, могут нанести значительный ущерб из-за своей высокой скорости.

Сеть космического наблюдения Соединенных Штатов (SSN) отслеживает объекты размером более 10 см на низкой околоземной орбите (НОО) и более 1 метра на геостационарной орбите (ГСО). Однако существуют миллионы более мелких фрагментов мусора, которые слишком малы для отслеживания, но все же представляют угрозу.

Опасности космического мусора

Опасности, создаваемые космическим мусором, многогранны:

Риск столкновения

Даже небольшие фрагменты мусора могут нанести значительный ущерб действующим спутникам из-за высоких скоростей, с которыми они движутся на орбите (обычно около 7-8 км/с на НОО). Столкновение даже с небольшим объектом может вывести из строя или уничтожить спутник, что приведет к потере ценных услуг и образованию еще большего количества мусора.

Пример: В 2009 году вышедший из строя российский спутник «Космос-2251» столкнулся с действующим спутником связи Iridium, создав тысячи новых фрагментов мусора.

Синдром Кесслера

Синдром Кесслера, предложенный ученым НАСА Дональдом Кесслером, описывает сценарий, при котором плотность объектов на НОО настолько высока, что столкновения между объектами могут вызвать каскадный эффект, создавая еще больше мусора и делая космическую деятельность все более опасной и непрактичной. Этот неконтролируемый процесс может сделать определенные орбитальные регионы непригодными для использования на целые поколения.

Увеличение стоимости миссий

Операторы спутников должны тратить ресурсы на отслеживание мусора, выполнение маневров уклонения от столкновений и укрепление спутников для защиты от ударов. Эти действия увеличивают стоимость и сложность миссий.

Угроза для пилотируемых полетов

Космический мусор представляет прямую угрозу для пилотируемых космических полетов, включая Международную космическую станцию (МКС). МКС имеет защиту от мелкого мусора, но более крупные объекты требуют от станции выполнения маневров уклонения.

Текущее состояние проблемы космического мусора

Количество космического мусора неуклонно росло в течение последних нескольких десятилетий. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), на 2023 год насчитывается:

Около 36 500 отслеживаемых объектов размером более 10 см.
Примерно 1 миллион объектов размером от 1 до 10 см.
Более 130 миллионов объектов размером менее 1 см.

Большая часть мусора сконцентрирована на НОО, которая также является наиболее активно используемым орбитальным регионом для наблюдения Земли, связи и научных исследований.

Технологии очистки орбиты: решение проблемы

Решение проблемы космического мусора требует многостороннего подхода, включающего смягчение проблемы мусора, осведомленность о космической обстановке (SSA) и активное удаление мусора (ADR). Смягчение проблемы мусора направлено на предотвращение создания нового мусора, в то время как SSA включает отслеживание и мониторинг существующего мусора. ADR, тема этой статьи, предполагает активное удаление мусора с орбиты.

Для ADR разрабатывается и тестируется множество инновационных технологий. Эти технологии можно условно разделить на следующие категории:

Методы захвата

Методы захвата используются для физического удержания или фиксации фрагмента мусора перед его уводом с орбиты или перемещением на более безопасную орбиту. Исследуется несколько подходов:

Роботизированные манипуляторы: это универсальные инструменты, которые можно использовать для захвата и манипулирования мусором. Они часто оснащены специализированными захватными устройствами (грипперами) для надежного удержания различных типов объектов.
Сети: большие сети могут быть развернуты для захвата объектов мусора, особенно тех, которые кувыркаются или имеют неправильную форму. После захвата сеть и мусор могут быть вместе сведены с орбиты.
Гарпуны: гарпуны используются для проникновения и закрепления на объектах мусора. Этот метод подходит для захвата твердых объектов, но может быть неприменим для хрупких или поврежденных предметов.
Тросы: электродинамические тросы могут использоваться для стаскивания мусора с орбиты с помощью магнитного поля Земли. Они эффективны для увода с орбиты крупных объектов, но требуют тщательного контроля.
Захват пеной или аэрогелем: использование облака липкой пены или аэрогеля для окутывания и захвата мусора. Этот подход все еще находится на ранних стадиях разработки.

Методы увода с орбиты

После захвата фрагмента мусора его необходимо свести с орбиты, то есть вернуть в атмосферу Земли, где он сгорит. Для увода с орбиты используются несколько методов:

Прямой увод с орбиты: использование двигателей для непосредственного снижения орбиты мусора до тех пор, пока он не войдет в атмосферу. Это самый простой метод, но он требует значительного количества топлива.
Увеличение атмосферного торможения: развертывание большого тормозного паруса или баллона для увеличения площади поверхности мусора, что усиливает атмосферное торможение и ускоряет его вход в атмосферу.
Электродинамические тросы: как упоминалось выше, тросы также могут использоваться для увода с орбиты путем создания тормозной силы через взаимодействие с магнитным полем Земли.

Бесконтактные методы

Некоторые технологии ADR не предполагают физического захвата мусора. Эти методы предлагают потенциальные преимущества с точки зрения простоты и масштабируемости:

Лазерная абляция: использование мощных лазеров для испарения поверхности объектов мусора, создавая тягу, которая постепенно снижает их орбиту.
Ионный пастух: использование ионного луча для отталкивания объектов мусора от действующих спутников или на более низкие орбиты. Этот метод является бесконтактным и позволяет избежать риска столкновения во время захвата.

Примеры миссий и технологий по очистке орбиты

Было разработано несколько миссий и технологий для демонстрации осуществимости ADR:

RemoveDEBRIS (Европейское космическое агентство): эта миссия продемонстрировала несколько технологий ADR, включая сеть, гарпун и тормозной парус. Она успешно захватила имитированный объект мусора с помощью сети и развернула тормозной парус для ускорения собственного увода с орбиты.
ELSA-d (Astroscale): эта миссия продемонстрировала возможность захвата и увода с орбиты имитированного объекта мусора с помощью магнитной стыковочной системы. В ней участвовали аппарат-обслуга и аппарат-клиент, который представлял собой мусор.
ClearSpace-1 (Европейское космическое агентство): эта миссия, запуск которой запланирован на 2026 год, нацелена на захват и увод с орбиты верхней ступени Vespa (Vega Secondary Payload Adapter) — фрагмента мусора, оставшегося на орбите после запуска ракеты Vega. Для захвата Vespa будет использоваться роботизированный манипулятор.
ADRAS-J (Astroscale): миссия ADRAS-J предназначена для сближения с существующим крупным фрагментом мусора (верхняя ступень японской ракеты) для характеристики его состояния и движения. Эти данные будут иметь решающее значение для планирования будущих миссий по удалению.
e.Deorbit (Европейское космическое агентство - предложено): планируемая миссия по захвату и уводу с орбиты крупного неработающего спутника с помощью роботизированного манипулятора. Миссия направлена на демонстрацию технической осуществимости удаления крупных и сложных объектов мусора.

Проблемы и соображения

Несмотря на прогресс в технологиях ADR, остается несколько проблем и соображений:

Стоимость

Миссии ADR дороги в разработке и выполнении. Стоимость запуска космического аппарата и выполнения сложных маневров на орбите может быть значительной. Разработка экономически эффективных решений ADR имеет решающее значение для того, чтобы сделать удаление мусора экономически жизнеспособным.

Развитие технологий

Многие технологии ADR все еще находятся на ранних стадиях разработки и требуют дальнейшего тестирования и усовершенствования. Разработка надежных и эффективных методов захвата и увода с орбиты необходима для успеха миссий ADR.

Правовая и нормативная база

Правовая и нормативная база для ADR все еще находится в стадии разработки. Возникают вопросы об ответственности за ущерб, причиненный во время удаления мусора, о праве собственности на удаленный мусор и о возможности использования технологий ADR в наступательных целях. Международное сотрудничество и установление четких правовых норм необходимы для обеспечения ответственной и устойчивой деятельности в области ADR.

Выбор цели

Выбор правильных объектов мусора для удаления имеет решающее значение для максимизации эффективности усилий ADR. Приоритетное удаление крупных объектов с высоким риском, которые представляют наибольшую угрозу для действующих спутников, является обязательным. Следует учитывать такие факторы, как размер, масса, высота и потенциал фрагментации объекта.

Политические и этические соображения

ADR поднимает политические и этические вопросы, такие как возможность использования технологий ADR в военных целях или для несправедливого нацеливания на спутники других стран. Международная прозрачность и сотрудничество имеют решающее значение для решения этих проблем и обеспечения того, чтобы ADR использовалась на благо всех.

Международные усилия и сотрудничество

Признавая глобальный характер проблемы космического мусора, многочисленные международные организации и инициативы работают над решением этого вопроса:

Комитет ООН по использованию космического пространства в мирных целях (UN COPUOS): этот комитет служит форумом для международного сотрудничества по вопросам, связанным с космосом, включая смягчение проблемы космического мусора. Он разработал руководящие принципы по смягчению проблемы космического мусора, которые широко приняты космическими державами.
Межагентский координационный комитет по космическому мусору (IADC): этот комитет является форумом для космических агентств для обмена информацией и координации деятельности, связанной с космическим мусором. Он разрабатывает согласованные руководящие принципы по смягчению проблемы космического мусора и способствует исследованиям в области технологий ADR.
Рейтинг устойчивости космоса (SSR): инициатива, возглавляемая Всемирным экономическим форумом, для продвижения устойчивых практик в космосе. SSR оценивает устойчивость космических миссий на основе таких факторов, как меры по смягчению проблемы мусора и возможности уклонения от столкновений.

Эти международные усилия необходимы для развития сотрудничества, обмена передовым опытом и разработки общих подходов к решению проблемы космического мусора.

Будущее очистки орбиты

Будущее очистки орбиты, вероятно, будет включать сочетание технологических достижений, изменений в политике и международного сотрудничества. Ключевые тенденции и события, за которыми стоит следить, включают:

Достижения в технологии ADR: продолжение исследований и разработок более эффективных и экономичных технологий ADR, таких как роботизированные манипуляторы, сети и лазерная абляция.
Развитие возможностей обслуживания на орбите: разработка космических аппаратов, которые могут выполнять обслуживание на орбите, такое как дозаправка, ремонт и перемещение спутников. Эти возможности также могут быть использованы для удаления мусора.
Внедрение более строгих мер по смягчению проблемы мусора: принятие более строгих мер по смягчению проблемы мусора космическими державами и организациями, включая требования по уводу спутников с орбиты по окончании срока службы и их пассивации.
Повышение осведомленности о космической обстановке: улучшение отслеживания и мониторинга космического мусора для лучшей оценки рисков столкновений и планирования маневров уклонения.
Создание всеобъемлющей правовой и нормативной базы: разработка четких правовых руководящих принципов для деятельности в области ADR, затрагивающих такие вопросы, как ответственность, право собственности и использование технологий ADR в военных целях.

Решение проблемы космического мусора имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной устойчивости космической деятельности и сохранения преимуществ, которые освоение и использование космоса предоставляют человечеству. Инвестируя в технологии ADR, внедряя более строгие меры по смягчению проблемы мусора и способствуя международному сотрудничеству, мы можем создать более безопасную и устойчивую космическую среду для будущих поколений.

Заключение

Космический мусор — это растущая угроза для нашей космической инфраструктуры и будущего освоения космоса. Разработка технологий очистки орбиты имеет важное значение для смягчения этого риска. Хотя серьезные проблемы остаются, продолжающиеся исследования, международное сотрудничество и политические достижения дают надежду на более чистую и безопасную орбитальную среду. Приверженность правительств, космических агентств и частных компаний по всему миру имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной устойчивости космической деятельности и дальнейшего использования благ, которые космос предоставляет человечеству.