Космічне сміття: зростаюча загроза та технології очищення орбіти

Наше дослідження та використання космосу принесли людству величезну користь, від глобального зв'язку та навігації до прогнозування погоди та наукових відкриттів. Проте десятиліття космічної діяльності також призвели до зростаючої проблеми: космічного сміття, також відомого як орбітальне сміття або космічний мотлох. Це сміття становить значну загрозу для діючих супутників, майбутніх космічних місій та довгострокової стійкості космічної діяльності.

Що таке космічне сміття?

Космічне сміття охоплює всі нефункціональні, створені людиною об'єкти на орбіті навколо Землі. Сюди входять:

• Відпрацьовані супутники: Супутники, які досягли кінця свого терміну служби, але залишаються на орбіті.
• Корпуси ракет: Верхні ступені ракет, які виводили супутники на орбіту.
• Фрагментарне сміття: Уламки супутників та ракет, які розпалися через вибухи, зіткнення або деградацію.
• Сміття, пов'язане з місіями: Об'єкти, що вивільняються під час розгортання супутників або операцій місії, наприклад, кришки об'єктивів або перехідні кільця.
• Дрібне сміття: Навіть крихітні об'єкти, як-от лусочки фарби або шлак від твердопаливних ракетних двигунів, можуть завдати значної шкоди через свою високу швидкість.

Мережа космічного спостереження США (SSN) відстежує об'єкти розміром понад 10 см на низькій навколоземній орбіті (ННО) та понад 1 метр на геостаціонарній орбіті (ГСО). Однак існують мільйони менших уламків сміття, які занадто малі для відстеження, але все ще становлять загрозу.

Небезпеки космічного сміття

Небезпеки, що їх становить космічне сміття, є багатогранними:

Ризик зіткнення

Навіть маленькі уламки сміття можуть завдати значної шкоди діючим супутникам через високу швидкість, з якою вони рухаються на орбіті (зазвичай близько 7-8 км/с на ННО). Зіткнення навіть з невеликим об'єктом може вивести з ладу або знищити супутник, що призведе до втрати цінних послуг та створення ще більшої кількості сміття.

Приклад: У 2009 році недіючий російський супутник «Космос-2251» зіткнувся з діючим супутником зв'язку Iridium, утворивши тисячі нових уламків.

Синдром Кесслера

Синдром Кесслера, запропонований вченим NASA Дональдом Кесслером, описує сценарій, за якого щільність об'єктів на ННО є настільки високою, що зіткнення між об'єктами можуть викликати каскадний ефект, створюючи ще більше сміття та роблячи космічну діяльність все більш небезпечною та непрактичною. Цей неконтрольований процес може зробити певні орбітальні регіони непридатними для використання протягом поколінь.

Збільшення вартості місій

Оператори супутників змушені витрачати ресурси на відстеження сміття, виконання маневрів уникнення зіткнень та зміцнення супутників проти ударів. Ці заходи збільшують вартість та складність місій.

Загроза для пілотованих польотів

Космічне сміття становить пряму загрозу для пілотованих польотів, зокрема для Міжнародної космічної станції (МКС). МКС має захисні екрани від дрібного сміття, але більші об'єкти вимагають від станції виконання маневрів ухилення.

Поточний стан космічного сміття

Кількість космічного сміття постійно зростала протягом останніх кількох десятиліть. За даними Європейського космічного агентства (ESA), станом на 2023 рік налічується:

• Близько 36 500 об'єктів розміром понад 10 см, що відстежуються.
• Приблизно 1 мільйон об'єктів розміром від 1 см до 10 см.
• Понад 130 мільйонів об'єктів розміром менше 1 см.

Більша частина сміття сконцентрована на ННО, яка також є найбільш використовуваним орбітальним регіоном для спостереження за Землею, зв'язку та наукових досліджень.

Технології очищення орбіти: вирішення проблеми

Вирішення проблеми космічного сміття вимагає комплексного підходу, що включає зменшення утворення сміття, обізнаність про космічну обстановку (ОКО) та активне видалення сміття (АВС). Зменшення утворення сміття зосереджене на запобіганні створенню нового сміття, тоді як ОКО включає відстеження та моніторинг існуючого сміття. АВС, на якому зосереджено цю статтю, передбачає активне видалення сміття з орбіти.

Численні інноваційні технології розробляються та тестуються для АВС. Ці технології можна умовно поділити на такі категорії:

Методи захоплення

Методи захоплення використовуються для фізичного схоплення або утримання уламка сміття перед його зведенням з орбіти або переміщенням на безпечнішу орбіту. Досліджуються декілька підходів:

• Роботизовані маніпулятори: Це універсальні інструменти, які можна використовувати для захоплення та маніпулювання сміттям. Вони часто оснащені спеціалізованими кінцевими ефекторами (захватами) для надійного утримання різних типів об'єктів.
• Сітки: Великі сітки можна розгортати для захоплення об'єктів сміття, особливо тих, що обертаються або мають неправильну форму. Після захоплення сітка разом зі сміттям може бути зведена з орбіти.
• Гарпуни: Гарпуни використовуються для пробивання та закріплення на об'єктах сміття. Цей метод підходить для захоплення твердих об'єктів, але може бути непридатним для крихких або пошкоджених предметів.
• Троси: Електродинамічні троси можна використовувати для стягування сміття з орбіти за допомогою магнітного поля Землі. Вони ефективні для зведення з орбіти великих об'єктів, але вимагають ретельного контролю.
• Захоплення піною або аерогелем: Використання хмари липкої піни або аерогелю для обволікання та захоплення сміття. Цей підхід все ще перебуває на ранніх стадіях розробки.

Методи зведення з орбіти

Після захоплення уламка сміття його необхідно звести з орбіти, тобто повернути в атмосферу Землі, де він згорить. Для цього використовуються декілька методів:

• Пряме зведення з орбіти: Використання двигунів для прямого зниження орбіти сміття доти, доки воно не увійде в атмосферу. Це найпростіший метод, але він вимагає значної кількості палива.
• Збільшення атмосферного гальмування: Розгортання великого гальмівного вітрила або балона для збільшення площі поверхні сміття, що збільшує атмосферний опір і прискорює його вхід в атмосферу.
• Електродинамічні троси: Як зазначено вище, троси також можна використовувати для зведення з орбіти, створюючи гальмівну силу через взаємодію з магнітним полем Землі.

Безконтактні методи

Деякі технології АВС не передбачають фізичного захоплення сміття. Ці методи пропонують потенційні переваги з точки зору простоти та масштабованості:

• Лазерна абляція: Використання потужних лазерів для випаровування поверхні об'єктів сміття, створюючи тягу, яка поступово знижує їхню орбіту.
• Іонний пастух: Використання іонного променя для відштовхування об'єктів сміття від діючих супутників або на нижчі орбіти. Цей метод є безконтактним і дозволяє уникнути ризику зіткнення під час захоплення.

Приклади місій та технологій з очищення орбіти

Було розроблено кілька місій та технологій для демонстрації можливостей АВС:

• RemoveDEBRIS (Європейське космічне агентство): Ця місія продемонструвала кілька технологій АВС, включаючи сітку, гарпун та гальмівне вітрило. Вона успішно захопила імітований об'єкт сміття за допомогою сітки та розгорнула гальмівне вітрило для прискорення власного зведення з орбіти.
• ELSA-d (Astroscale): Ця місія продемонструвала можливість захоплення та зведення з орбіти імітованого об'єкта сміття за допомогою магнітної док-системи. Вона включала сервісний космічний апарат та клієнтський апарат, що представляв сміття.
• ClearSpace-1 (Європейське космічне агентство): Ця місія, запланована до запуску у 2026 році, має на меті захопити та звести з орбіти верхній ступінь Vespa (Vega Secondary Payload Adapter), уламок сміття, що залишився на орбіті після запуску ракети Vega. Для захоплення Vespa буде використано роботизований маніпулятор.
• ADRAS-J (Astroscale): Місія ADRAS-J призначена для зближення з існуючим великим уламком сміття (верхній ступінь японської ракети) для характеристики його стану та руху. Ці дані будуть вирішальними для планування майбутніх місій з видалення.
• e.Deorbit (Європейське космічне агентство - пропонується): Запланована місія з захоплення та зведення з орбіти великого покинутого супутника за допомогою роботизованого маніпулятора. Місія має на меті продемонструвати технічну можливість видалення великих, складних об'єктів сміття.

Виклики та міркування

Незважаючи на прогрес у технологіях АВС, залишається кілька викликів та міркувань:

Вартість

Місії АВС є дорогими у розробці та виконанні. Вартість запуску космічного апарату та виконання складних маневрів на орбіті може бути значною. Розробка економічно ефективних рішень для АВС є вирішальною для того, щоб зробити видалення сміття економічно життєздатним.

Розвиток технологій

Багато технологій АВС все ще перебувають на ранніх стадіях розробки та вимагають подальшого тестування та вдосконалення. Розробка надійних та ефективних методів захоплення та зведення з орбіти є важливою для успіху місій АВС.

Правова та нормативна база

Правова та нормативна база для АВС все ще розвивається. Існують питання щодо відповідальності за шкоду, завдану під час видалення сміття, права власності на видалене сміття та потенціалу використання технологій АВС у наступальних цілях. Міжнародна співпраця та встановлення чітких правових норм є необхідними для забезпечення відповідальної та сталої діяльності з АВС.

Вибір цілі

Вибір правильних об'єктів сміття для видалення є критичним для максимізації ефективності зусиль АВС. Пріоритетним є видалення великих, високоризикових об'єктів, що становлять найбільшу загрозу для діючих супутників. Слід враховувати такі фактори, як розмір, маса, висота об'єкта та його потенціал до фрагментації.

Політичні та етичні міркування

АВС викликає політичні та етичні міркування, такі як потенціал використання технологій АВС у військових цілях або для несправедливого націлювання на супутники інших країн. Міжнародна прозорість та співпраця є вирішальними для вирішення цих проблем та забезпечення того, щоб АВС використовувалося на благо всіх.

Міжнародні зусилля та співпраця

Визнаючи глобальний характер проблеми космічного сміття, численні міжнародні організації та ініціативи працюють над вирішенням цього питання:

• Комітет ООН з мирного використання космічного простору (UN COPUOS): Цей комітет є форумом для міжнародної співпраці з питань, пов'язаних з космосом, включаючи зменшення утворення космічного сміття. Він розробив керівні принципи щодо зменшення утворення космічного сміття, які широко прийняті космічними державами.
• Міжагентський координаційний комітет з космічного сміття (IADC): Цей комітет є форумом для космічних агентств для обміну інформацією та координації діяльності, пов'язаної з космічним сміттям. Він розробляє узгоджені керівні принципи щодо зменшення утворення космічного сміття та сприяє дослідженням технологій АВС.
• Рейтинг космічної стійкості (SSR): Ініціатива, очолювана Всесвітнім економічним форумом, для просування стійких практик у космосі. SSR оцінює стійкість космічних місій на основі таких факторів, як заходи зі зменшення утворення сміття та можливості уникнення зіткнень.

Ці міжнародні зусилля є важливими для сприяння співпраці, обміну найкращими практиками та розробки спільних підходів до вирішення проблеми космічного сміття.

Майбутнє очищення орбіти

Майбутнє очищення орбіти, ймовірно, включатиме поєднання технологічних досягнень, політичних змін та міжнародної співпраці. Ключові тенденції та розробки, на які варто звернути увагу, включають:

• Прогрес у технологіях АВС: Продовження досліджень та розробок більш ефективних та економічно вигідних технологій АВС, таких як роботизовані маніпулятори, сітки та лазерна абляція.
• Розвиток можливостей орбітального обслуговування: Розробка космічних апаратів, які можуть виконувати орбітальне обслуговування, таке як дозаправка, ремонт та переміщення супутників. Ці можливості також можна використовувати для видалення сміття.
• Впровадження суворіших заходів зі зменшення утворення сміття: Прийняття суворіших заходів зі зменшення утворення сміття космічними державами та організаціями, включаючи вимоги щодо зведення з орбіти наприкінці терміну служби та пасивації супутників.
• Покращення обізнаності про космічну обстановку: Покращене відстеження та моніторинг космічного сміття для кращої оцінки ризиків зіткнень та планування маневрів ухилення.
• Створення всеосяжної правової та нормативної бази: Розробка чітких правових настанов для діяльності з АВС, що стосуються таких питань, як відповідальність, право власності та використання технологій АВС у військових цілях.

Вирішення проблеми космічного сміття є вирішальним для забезпечення довгострокової стійкості космічної діяльності та збереження переваг, які дослідження та використання космосу надають людству. Інвестуючи в технології АВС, впроваджуючи суворіші заходи зі зменшення утворення сміття та сприяючи міжнародній співпраці, ми можемо створити безпечніше та більш стійке космічне середовище для майбутніх поколінь.

Висновок

Космічне сміття є зростаючою загрозою для нашої космічної інфраструктури та майбутнього освоєння космосу. Розробка технологій очищення орбіти є важливою для зменшення цього ризику. Хоча залишаються значні виклики, поточні дослідження, міжнародна співпраця та політичні досягнення дають надію на чистіше та безпечніше орбітальне середовище. Зобов'язання урядів, космічних агентств та приватних компаній по всьому світу є вирішальними для забезпечення довгострокової стійкості космічної діяльності та продовження отримання користі, яку космос надає людству.