Методы борьбы с космическим мусором сообщение
Обновлено: 28.06.2024
Миллионы кусков космического мусора загромождают орбиту Земли, это означает, что существует растущая проблема доступа в космос. Несколько компаний и организаций предложили способы избавления от брошенных спутников и другого космического мусора.
Вот семь интересных предложений, начиная от электрических токов и заканчивая метанием из рогатки и сбиванием мусора.
Европейская идея e.DeOrbit
Миссия e.DeOrbit, впервые предложенная публично в начале 2014 года, будет заниматься поиском космического мусора на полярной орбите на высоте от 800 до 1000 километров. Европейское космическое агентство рассматривает несколько видов "механизмов захвата" для сбора мусора, таких как сети, гарпуны, роботизированные руки и щупальца.
Швейцарский наноспутник CleanSpaceOne
Ожидается, что космический аппарат для демонстрации технологий CleanSpace One будет запущен с модифицированного реактивного самолета Airbus A300. Затем спутник Swiss Space Systems встретится с выведенным из эксплуатации наноспутником SwissCube, чтобы вывести его с орбиты.
Электродинамический трос Японии
Японское агентство аэрокосмических исследований предлагает использовать электродинамический трос, ток которого замедлил бы скорость спутников или космического мусора. Замедление скорости спутника приведет к тому, что он постепенно приблизится к Земле, где сгорит.
Рогатка для Космического Мусора
Мусорный парусник
Британское предложение под названием CubeSail будет использовать сопротивление солнечного паруса для перемещения орбитального космического мусора на более низкие орбиты.
Понятие космического мусора
Первая информация о космическом мусоре датируется серединой XX века с момента доставки первых спутников на околоземную орбиту. Со временем их количество стремительно растет.
С Земли отслеживают объекты, из которых только 6% являются функционирующими. Остальные образуют загрязнение космического пространства. Размеры их начинаются от 1 см в диаметре. Но наличие постоянного движения на большой скорости приводит к тому, что они становятся потенциально опасными для космических кораблей.
Дополнительно велика вероятность падения крупных элементов на Землю под влиянием гравитации.
Сколько мусора в космосе?
Точных данных о количестве дрейфующего мусора вокруг планеты неизвестно. Предположительно количество обломков составляет до 100 000 при весе 5000 тонн.
В каталогах, которые ведут страны, насчитывается не более 15 000 обломков, что не может соответствовать реальности. Продолжительный период освоения космоса в сочетании с отсутствием утилизации привел к скоплению огромного количества парящих в космосе фрагментов. Возможная причина преуменьшения объема – невозможность фиксации всех частиц за счет малых размеров.
Карта космического мусора
Для оценки загрязнения космоса была создана трехмерная визуализация, отражающая известные и контролируемые обломки. Цветная индексация позволяет отличать активные и неактивные объекты:
- Зеленым цветом обозначают действующие космические спутники.
- Серым – работоспособное, но не действующие на данный момент.
- Красным – космический мусор вокруг Земли, неспособный функционировать.
Посмотрев впервые на предложенную визуализацию, создается ложное впечатление свалки вокруг Земли. Следует понимать, что каждая точка на карте определяет расположение элемента без учета размеров и расстояния до соседнего обломка.
С другой стороны, ущерб от повреждения 1000 спутников составляет 130 млрд. долларов. Поэтому космические агентства крайне пристально отслеживают концентрацию мусора.
Причины возникновения и основные источники
Если посмотреть на состав, то он крайне неоднороден. Источниками засорения околоземного пространства являются:
- 55% – отходы космической деятельности, последствия взрывов, столкновений;
- 20% – нефункционирующие спутники;
- 17% – разгонные блоки, ступени ракет, отсоединившиеся на взлете;
- и только 6% – работающие станции.
Проблема засорения космоса мусором
С момента запуска первого спутника прошло более 60 лет. За это время в космос отправлено 6000 станций. Из них около 1000 являются действующими. О проблеме космического мусора заговорил генеральный секретарь ООН в 1993 году. В своем докладе он показал значимость проблематики в планетарном масштабе.
На основании выдвинутых теорий последствий засорения орбитального пространства, становится понятна необходимость контроля за свободно летающими космическими объектами. В противном случае, освоение космоса в ближайшем будущем будет под вопросом.
В чем состоит опасность?
Опасность вращающегося на околоземной орбите мусора заключается не в самих обломках, а в вероятности столкновения с взлетающими ракетами. Если от крупных фрагментов астронавты умеют уклоняться, то мелкие часто находятся вне поля зрения и пробивают обшивку. Это не сценарий фантастического фильма, а реальность.
Реальные примеры опасного влияния космического мусора:
Другая, не менее грозная проблема, – падение фрагментов по типу метеорного потока. Движение на орбите обусловлено влиянием гравитации, без нее весь мусор улетел бы в далекий космос. Крупные объекты проходят через слои атмосферы, частично сгорая, и падают на Землю. Повреждения могут быть катастрофическими в случае приземления на населенный пункт.
Эффект Кесслера
Одна из версий загрязнения космоса базируется на цепной реакции или эффекте Кесслера. Выдвинул данную гипотезу консультант НАСА Дональд Кесслер. При столкновении двух крупных объектов образуется множество осколков. Каждая из вновь образованных частиц может распасться на еще более мелкие фрагменты. Подобная лавинообразная тенденция делает околоземную орбиту непригодной для полетов.
По его прогнозам увеличение количества космического мусора растет по экспоненте. Закрывая глаза на проблему, к 2055 году теория станет явью.
Методы удаления космического мусора
Специалисты, занимающиеся проблемами космоса, предлагают различные методы борьбы с космическим мусором. Большая часть способов сегодня находится в стадии разработки:
- огромные металлические сети-улавливатели;
- буксир, вывозящий обломки станций, спутников;
- солнечный парус для выведения объектов с орбиты;
- воздушные шары, обволакивающие мусор, для ускорения возвращения отработанных спутников на Землю;
- воздействие лазером для смены траектории полета мусора;
- распыление вольфрамовой пыли по контуру орбиты, что предупредит прохождение мусорных фрагментов к поверхности Земли.
Как убрать за собой?
Законодательно утвержденного международного соглашения относительно уменьшения мусорной нагрузки на орбите Земли сегодня не существует. Каждая страна руководствуется своими принципами в этих вопросах (например, уничтожение китайского спутника встречной ракетой в январе 2007 года). Общие рекомендации включают следующие положения:
- спуск отработанных станций на землю с последующей переработкой и утилизацией;
- выведение нефункционирующих аппаратов за пределы орбиты.
Космическое агентство предложило несколько альтернативных вариантов решения проблемы загрязнения космоса:
- Смещение обломков реактивной струей. Для реализации проекта требуются мощные космические установки, потому что осуществление с поверхности Земли невозможно.
- Захват и перемещение мусора с геостационарной орбиты на территорию захоронения (с помощью сети или солнечного паруса). Она располагается выше околоземной на 235 км. Испытали технологию японские ученые в 2016 году, но эксперимент провалился.
- Прикрепление индивидуального двигателя к каждому крупному объекту и выведение в ручном режиме.
Полезные изобретения
Несколько дней назад на орбиту с помощью ракеты-носителя Falcon 9 был выведен космический грузовик Dragon. На его борту находится экспериментальный вариант мусоросборщика, именуемый RemoveDebris. Действует система поиска и захвата мусора за счет гарпуна и сети.
У аппаратов подобного типа поле деятельности огромное, потому что количество объектов размером от 10 см на орбите более 20 000, а масса приближается к 8000 тонн.
Чисто там, где не сорят…
- 194 эпизода разрушения по причине взрыва спутников, ступеней ракет, разгонных блоков;
- 51 случай отделения фрагментов – солнечные панели, элементы конструкции, детали теплоизоляции.
Взрывы космических аппаратов возникают за счет перегрева остатков топлива в баках. Примеры подобной ситуации:
Для решения проблемы необходима модернизация в виде встраивания клапанов, обеспечивающих стравливание паров топлива. Либо гарантия работы двигателей до полной выработки с понижением орбиты аппаратов.
Кто и как контролирует мусор в космосе?
Чтобы обнаружить орбитальный мусор применяются два технологических направления:
- оптические методы – использование оптических телескопов;
- радиолокационные подходы – с помощью радиотелескопов.
Околоземная орбита – это не свалка отработанных спутников. Чтобы сохранить возможность осваивать далекие миры, человечество сегодня должно бороться с космическим мусором и поддерживать чистоту околоземной орбиты.
Кладбище космических кораблей в точке Немо в Тихом океане
Достоинства и недостатки солнечной энергетики
Остров из мусора в Тихом океане: размеры, фото, расположение на карте
Что такое озоновый слой и какова его роль на планете?
Что является причинами выпадения кислотных дождей?
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
Альтернативная энергетика и экология: виды и пути развития
Влияние загрязнения атмосферы на здоровье человека и окружающую среду
Глобальное потепление климата: миф или реальность
Вывоз строительного мусора для переработки и утилизации
Солнечная энергия в России: проблемы и перспективы развития солнечной энергетики
Уже сейчас на орбите Земли находится примерно полмиллиона объектов размером с пачку сигарет, а скоро там и вовсе будет не протолкнуться. Чем это все грозит, многие себе в целом представляют, но не все оценивают масштаб проблемы. Особенно с учетом того, что мусор движется со средней скоростью, в 10 раз превышающей начальную скорость пули, выпущенной из Калашникова.
Под катом про текущую ситуацию в космосе, несколько вариантов решения проблемы и краткое описание способов, о которых начинают поговаривать в научных кругах.
Статья написана по мотивам лекции заведующего лабораторией кафедры теоретической механики Руслана Пикалова из Самарского университета, которая прошла в Точке кипения при этом же вузе.
Что такое космический мусор?
Космический мусор — это объекты искусственного происхождения, которые находятся на орбите, но не представляют никакой практической значимости.
В основном это аппараты, которые закончили свое активное существование — вышли из строя в результате аварии или просто выработали свой ресурс:
- разгонные блоки верхних ступеней ракет-носителей;
- элементы конструкции ракетно-космической техники;
- детали и обломки, которые образовались вследствие аварий;
- потерянные элементы, например плитки термоизоляции;
частицы топлива, краски, обшивки.
По современному космическому законодательству страна, которая вывела объект в космос, после окончания срока его эксплуатации должна за собой убрать. Но пока это только теория. А на практике неограниченное распространение космического мусора может поставить под вопрос программу полетов.
Чем опасен космический мусор?
Первая проблема — это скорость.
Самый крупный искусственный объект на орбите Земли — МКС. Возьмем для расчетов ее орбиту — 390 км над поверхностью планеты. Мы знаем, что МКС делает один полный оборот вокруг Земли за 1,5 часа.
Отсюда легко рассчитать линейную скорость движения по орбите — 28 тыс. км/ч. Это в 10 раз быстрее, чем пуля патрона 7,62х39, вылетевшая из АК.
Представьте, что будет, если вам в голову прилетит пакет с мусором на такой скорости? И это не предельное значение, многие спутники летают значительно быстрее.
Вторая проблема — это количество космического мусора.
Ниже на картинке — результат моделирования с ресурса stuffin.space, который наглядно демонстрирует объекты искусственного происхождения, находящиеся на околоземной орбите: от 100 до 1000 км над поверхностью Земли. Почти все это — космический мусор. По каждому объекту есть информация.
Классификация мусора
Космический мусор классифицируют по размеру.
Малый космический мусор — это объекты меньше 1 см. По самым оптимистичным расчетам, таких объектов около 10 млн. Пессимистичные оценки — порядка 20 млн.
Эти миллионы частиц никак не отслеживаются с Земли. Их полет непредсказуем.
В начале июня космический мусор проделал дыру в манипуляторе Canadarm2, пристыкованном к МКС. К счастью, на его работоспособность это не повлияло
Вторая группа — средний космический мусор. Это объекты с диаметром наибольшего поперечного сечения от 1 до 10 см. И хотя их существенно меньше — порядка 500 тыс. единиц, — они намного опаснее. Столкновение любого спутника с таким объектом вызовет серьезные повреждения. Скорее всего, аппарат потеряет функциональность, вдобавок образуются мелкие обломки нового космического мусора.
Плюс в том, что средние объекты мы можем отслеживать. Если автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС ОКП) заметит, что какой-то объект летит навстречу МКС, то орбиту последней корректируют — станцию поднимают или опускают, чтобы избежать столкновения.
Самая малочисленная и самая опасная группа объектов — это крупный космический мусор. К нему относится все, что имеет диаметр поперечного сечения больше 10 см. Таких объектов порядка 21 тыс. единиц. Это космические аппараты и их крупные обломки. Столкновение с таким объектом подобно аварии с автомобилем на скорости 28 тыс. км/час. От аппарата, участвующего в таком столкновении, не останется ничего. Более того, при разрушении образуется большое количество мелкого космического мусора, который будет двигаться по непредсказуемым траекториям.
Как быстро накапливается мусор?
На 2021 год на околоземных орбитах находится порядка 21 тыс. объектов размером больше 10 см. Из них около 4 тыс. — функционирующие космические аппараты.
Вот как растет их число с 1957 года:
Это было первая известная авария двух искусственных объектов в космосе. В результате образовалось порядка 3 тыс. обломков. На рисунке — модель их распространения вокруг Земли:
Синим отражены траектории частиц осколков, которые, как нитки в клубке, опоясывают всю планету
Синдром Кесслера
Американский астроинженер Дональд Кесслер первым описал явление хаотичного нарастания числа объектов искусственного происхождения на орбите Земли. По его мнению, этот рост приведет к запуску цепной реакции, которая сделает преумножение космического мусора неконтролируемым.
Решение проблемы космического мусора
Уже есть ряд предложений по борьбе с космическим мусором — от радикальных, вроде полного отказа от полетов в космос на несколько десятков лет в ожидании, пока околоземное пространство очистится само, до вполне реализуемых.
Для методов увода даже существует своя классификация:
Поговорим о каждой из групп.
Пассивные методы увода
Эта группа методов предполагает использование естественной среды — того, что есть вокруг нас, — без искусственных воздействий.
Солнечный парус
Солнечный парус — по аналогии с обычным парусом на корабле — собирает энергию солнца, чтобы затормозить объект. При торможении его орбита начинает понижаться, со временем переходя в орбиту схода. Так объект благополучно падает на Землю, сгорая в верхних слоях атмосферы.
Кроме того, метод сложно использовать на аппаратах, которые уже запущены. Пока непонятно, как на них ставить солнечный парус, раскрывать и ориентировать так, чтобы получить нужный эффект.
Сопротивление атмосферы
Этот метод основан на том же эффекте паруса, но в атмосфере Земли.
На орбите 500 км еще заметно влияние атмосферы. Ее плотность мала, но частицы газов еще можно использовать для торможения. Для этого предлагают использовать либо надувной шар-баллон, либо специальную пену, которая расширяется в несколько сотен раз. В обоих случаях площадь поперечного сечения объекта увеличивается, он замедляется, и орбита понижается.
Пример использования шара-баллона для торможения спутника в атмосфере. По расчетам, для ускорения выведения с орбиты в 730 км аппарата Iridium массой 700 кг понадобится шар радиусом 17 м. Время сходя при этом сократится с 97 лет до 143 дней
Метод с пеной безопасен, потому что для ее нанесения достаточно подлететь к объекту космического мусора, не захватывая его. Однако область его применения ограничена. На высоте больше 1000 км над поверхностью Земли атмосферы уже практически нет, поэтому торможение будет слабым.
Электродинамическая тросовая система
Из курса школьной физики мы знаем, что Земля — это большой магнит с северным и южным полюсами и магнитным полем. Если в магнитном поле двигать проводник с током, возникнет сила Лоренца, которую можно использовать для торможения. Для этого с объекта космического мусора необходимо вертикально к Земле опустить трос и пустить по нему ток.
У этого метода нет ограничений по высоте орбиты: магнитное поле Земли достаточно протяженно. Но для его использования нужно как-то прикреплять токопроводящие тросы на уже запущенные объекты космического мусора, а также позиционировать их по направлению к Земле.
Эффективность пассивных методов увода
Сравним, сколько будет жить объект в космосе сам по себе и при воздействии на него с помощью вышеописанных методов.
Первая (самая высокая) кривая — график жизни космического аппарата в зависимости от высоты при условии, что мы ничего не делаем для его увода. Если на орбите 500 км аппарат будет жить 10–15 лет, то на 1000 км может беспрепятственно существовать более 1,5 тыс. лет.
Графики сравнения времени увода тел с орбиты естественным путем (синий), с использованием атмосферного тормоза площадью наибольшего сечения 30 м2 (сиреневый) и токопроводящим тросом (зеленый)
При использовании атмосферы для торможения аппарата на орбите до 1000 км 1,5 тыс. лет превращаются в 100 лет, что говорит о достаточно высокой эффективности метода.
С электродинамической тросовой системой 1,5 тыс. лет сокращаются до 1–2 лет, поэтому именно ее всерьез рассматривают как основной пассивный способ увода космического мусора с орбиты.
Отсюда вывод: чтобы не заниматься клинерской сваркой в космосе, все аппараты надо снабжать тросами на этапе проектирования.
Активные методы увода
Эти методы предполагают прямое и активное воздействие на объекты космического мусора.
Бесконтактные методы
Один из самых интересных методов этой группы — лазер.
Идея заключается в том, чтобы, нагревая поверхность мусорного объекта, добиться испарения вещества. При определенных условиях это создаст механический импульс и приведет к торможению и снижению орбиты космического мусора.
Один большой недостаток этого способа заключается в том, что, если разместить такую установку на Земле, ее работа будет слишком энергозатратной. Альтернативная идея — поставить установку на орбиту. Здесь будут сложности, как сориентировать аппарат, чтобы он всегда получал солнечную энергию, а лазер попадал на космический мусор. Но в принципе эти задачи решаемы.
Следующий метод — ионный поток.
Главный плюс ионных двигателей — в малых энергозатратах. На пяти килограммах топлива один двигатель будет работать в течение года. По космическим меркам это очень мало. Хотя тяги ионного двигателя не хватает, чтобы эффективно перемещать космические корабли, для работы с мусором ее оказалось достаточно.
Еще один интересный метод основан на электростатическом взаимодействии — силе Кулона.
Если мы зарядим (создадим электростатическое силовое поле) аппарат-уборщик и объект космического мусора, то, управляя одним, сможем менять орбиту второго. В случае зарядов разного знака мы будем тащить мусор за уборщиком, а при одинаковом знаке — сталкивать мусор с орбиты.
Самая новая и достаточно оригинальная идея — гравитационный уборщик.
Она состоит в том, чтобы создать большую массивную станцию, которая за счет массы от 100 тонн будет в своей сфере Хилла, как магнит, собирать на околоземных орбитах космический мусор. Каждый собранный объект будет увеличивать массу станции, увеличивая и ее сферу Хилла.
Схема перетаскивания мусора с помощью гравитационного уборщика на орбиту захоронения (высоту, где уже не летают космические аппараты)
Контактные методы
Вторая группа активных методов увода предполагает непосредственный контакт с мусором. Чтобы захватить мусор и сопроводить его либо до орбиты захоронения, либо до атмосферы, используется специальный космический аппарат.
С ее помощью мы можем захватить мусорный объект сетью, гарпуном или иным устройством (как на рыбалке), а потом тащить его за собой:
Методы жесткого и гибкого захвата на сегодняшний день наиболее отработаны, в том числе в ходе экспериментов на МКС, хотя для реального сбора мусора их пока не используют.
Не проработан и вопрос, что делать с мусором. Уводить мусор на орбиту захоронения — как прятать под ковер. Случайное столкновение объектов между собой или мусора с космическим телом может выбить неиспользуемые аппараты с орбиты, добавив нам проблем.
Да и сжигать все в атмосфере — не самая лучшая идея. Если объект крупный, осколки могут разлетаться и достигать земли в радиусе тысяч километров. Возможно, мусор следует перерабатывать прямо на орбите. Чем и как — пока непонятно. Но, может, возникнет какой-нибудь стартап в ближайшем будущем. Вон, нашелся же студент, который теперь убирает мусор в океане и реках. И спонсоры у него нашлись.
Проблемы людей с мусором не заканчиваются на Земле — они следуют за нами в космос. Тысячи тонн брошенных спутников, отработанных ракетных частей и блуждающих фрагментов мусора теперь кружат вокруг нашей планеты на невероятных скоростях, и объем космического мусора растет с каждым годом.
С начала космической эры состоялось более 4900 запусков — более 6600 спутников припарковались на орбите. Из них 3600 остаются в космосе, из которых только 1000 функционирует нормально. Несомненно, мы вывели на орбиту довольно много мусора — и он вышел из-под нашего контроля. Примерно 65% орбитального мусора, входящего в каталог, произошло из-за столкновений на орбите.
Общее количество космического мусора сейчас составляет:
- 30 000 обломков больше 10 сантиметров в поперечнике
- 670 000 обломков больше 1 сантиметра
- 170 миллионов обломков больше 1 миллиметра
Среди этих объектов отработанные верхние ступени ракет, списанные или сломанные спутники, пусковые адаптеры, крышки от объективов и даже тонкие медные провода — все, что сопровождает запуск ракеты. Объекты отслеживаются US Space Surveillance Network, которая составляет каталог космического мусора от 5 до 10 сантиметров на низкой околоземной орбите и до 1 метра на геостационарной орбите.
И все-таки оно вертится
10-сантиметровый кусок космического мусора может полностью разбить спутник, а сантиметровый кусочек полностью выведет из строя космический аппарат и пробьет щиты Международной космической станции. Даже миллиметровый объект может вывести из строя деликатные подсистемы.
Синдром Кесслера
На самом деле, такая ситуация уже происходила, только в значительно меньших масштабах. В 2007 году, в рамках демонстрации силы, китайские военные сбили одну из нерабочих метеорологических станций, случайно выбросив тысячи обломков мусора на орбиту.
Шансы на то, что начнется синдром Кесслера, растут с каждым годом, по мере увеличения количества барахла на орбите.
Немножко профилактики
Прежде чем мы займемся непосредственной очисткой, стоит поговорить о профилактике и ликвидации последствий. К примеру, мы можем начать делать спутники и космические станции более прочными. Усилить защиту от ударов (как космического мусора, так и метеорных тел). Спутники также должны быть более маневренными.
При этом мы должны сделать все возможное, чтобы предотвратить появление космического мусора. Во избежание столкновений, например, орбиты всех обломков мусора и возможных целей должны быть известны заранее. К счастью, эта информация предоставляется каталогом U.S. Strategic Command (USSSTRATCOM). Офис Европейского космического агентства, ответственный за космический мусор, предоставляет прогнозы событий и оценку риска столкновений в качестве сервиса для миссий ESA и третьих лиц.
Перспективные способы очистки орбиты Земли
Итак, пришло время очистить орбиту Земли от космического мусора. Ученые и инженеры предлагали массу разнообразных стратегий по активной уборке космического мусора, хорошие и не очень. Давайте пробежимся по списку наилучших кандидатов.
Старые добрые невод и гарпун
Такие спутники могли бы маневрировать по всей НОО и убирать буквально любую цель. Более того, их можно было бы использовать многократно, а значит и убирать больше целей. Разработчики полагают, что EDDE мог бы убирать 136 объектов в три года — а 12 EDDE могли бы убрать 2465 объектов на НОО весом более 2 килограммов за семь лет.
Однако сработает такой план только с крупными объектами.
Космические воздушные шары
Зачем использовать сети, если есть воздушные шары? Эта идея называется Gossamer Orbit Lowering Device, или GOLD System, и были предложена Кристин Гейтс. Концепция использует очень большой и тонкий воздушный шар, который будет оборачивать объект и увеличивать его аэродинамическое сопротивление в несколько сотен раз, тем самым приводя к его падению в атмосферу Земли. GOLD System могла бы ускорить процесс естественного схода с орбиты у некоторых объектов с нескольких столетий до нескольких месяцев. Надувная система проста и эффективна, по крайней мере на бумаге.
Реактивный буксир
Для более крупных объектов можно было бы использовать отдельных суицидальных роботов, которые будут двигать спутники к повторному входу в атмосферу. Проект CleanSpaceOne от EPFL, например, включает спутниковый куб, который будет преследовать, захватывать и уничтожать космический мусор. Правда, стоимость будет непомерно высока — порядка 200 миллионов долларов для каждой миссии.
Солнечный парус
Surrey Space Centre работает над HybridSail — системой, объединяющей большой развертываемый отражающий парус с тросами для буксировки объектов с орбиты. Система будет сводить объекты с орбиты за счет аэродинамического сопротивления и обмена импульсом с заряженными тросами и ионосферной плазмой.
В этой схеме небольшой спутниковый куб должен состыковаться с куском космического мусора. Затем, используя магнитную систему ориентации, он бы стабилизировал крен, тангаж и рыскание объекта. Затем развернул бы тросы и парус 5 на 5 метров, положив начало фазе схода с орбиты.
Мы могли бы выпустить облако вольфрамовой пыли на орбиту для создания атмосферного сопротивления на орбитальных высотах. С уменьшением скорости целостность орбит тысяч обломков космического мусора была бы нарушена. Небольшие кусочки мусора постепенно сходили бы со своих орбит в течение нескольких десятилетий (решение не мгновенное).
Чтобы это сделать, нужно выпустить облако вольфрамовой пыли — крошечные частицы не более 30 мкм в поперечнике — на высоте порядка 1000 километров, создав относительно толстый слой мелких частиц материи, которые будут полностью окутывать планету. Вольфрам, который почти в два раза плотнее свинца, прибавит существенный вес любому объекту, за который зацепится.
Идея прекрасная — идеально подойдет для синдрома Кесслера — но в случае с крупными объектами работать не будет.
Перенаправление с помощью лазера
А вот работка наземным лазерам. Laser Orbital Debris Removal, или LODR, будет использовать мощные импульсные лазеры, которые будут стрелять с поверхности и создавать плазменные джеты на космическом мусоре. Это приведет к тому, что мусор будет замедляться и повторно входить в атмосферу, падая в океан. Технологии у нас уже есть, причем лет 15 уже, только вот по плану на один объект будет уходить до миллиона долларов.
Другая похожая идея — спутник, который может выстреливать электрически заряженные атомы или ионы, постепенно замедляя и стаскивая объект на Землю.
Вместо того чтобы захватывать объекты когтями, гарпунами и сетями, мы могли бы перемещать крупные объекты, не прикасаясь к ним. Кроме того, нам не обязательно сталкивать их в атмосферу — мы могли бы выводить их на геосинхронную орбиту.
Для этого спутники-уборщики должны быть оснащены электростатическим управлением и двигателями малой тяги, чтобы избегать каких-либо контактов. Как вариант приводится система GliDeR, которая будет использовать активные выбросы заряда и прямые потоки заряженных частиц в отношении мусора.
Космический мусоровоз
Представьте себе орбитальный мусоровоз, а вместе с ним и перерабатывающий завод. Дизайнер Вон Линг представил его так:
Телескоп с лазером
Международная группа ученых предлагает прикрепить гигантский лазер к космическому телескопу и взрывать с его помощью мусор на орбите.
Для устранения орбитального минного поля, в рамках предложения Acta Astronautica, за основу будет взят Extreme Universe Space Observatory (EUSO), новый японский космический телескоп, который присоединится к МКС в 2017 году. EUSO не был предназначен для утилизации мусора — по факту, его основная задача — регистрировать ультрафиолетовое излучение высокоэнергетических космических лучей, которые входят в атмосферу Земли в ночное время. Но мощная оптика телескопа и широкое поля зрения делают его идеальным инструментом для определения небольших скоростных обломков мусора, которые носятся вокруг МКС.
В сочетании с высокоэнергетическим лазером, EUSO становится отличным стрелком. Ебисузаки и его коллеги предлагают оснастить телескоп CAN лазерной системой, которая была спроектирована для нового поколения ускорителей частиц. Лазеры CAN используют массив из тысяч оптоволокон, которые действуют сообща и производят мощный плазменный импульс. Ебисузаки считает, что такой импульс способен замедлять кусок мусора, пока тот не упадет на орбиту и не сгорит в атмосфере Земли.
С глазами EUSO и силой CAN, Ебисузаки говорит, что мы сможем останавливать опасные частицы в полете и сталкивать их в атмосферу Земли. Ученые сейчас занимаются проведением небольшого эксперимента на МКС, используя 20-сантиметровую версию EUSO и мини-лазер CAN с 100 оптических волокон.
Глядя на такие усилия по очистке замусоренного нами же космоса, можно понадеяться, что небо в ближайшее время станет гораздо чище. А после этого направим определенные усилия на уборку мусора на Земле.
С момента первого запуска спутника в открытый космос прошло 100 лет. За этот срок человечество успело превратить орбиту вокруг земли в технологическую свалку. Проблема космического мусора нависла над человечеством и игнорировать ее нельзя, иначе будут печальные последствия.
Что из себя представляет космический мусор
Космическим мусором называют отработанные и испорченные куски старых спутников, запускаемых с Земли на орбиту за последние пятьдесят лет. На околоземную орбиту приходится большой процент космического мусора. Объекты, которые попали в космос, не будут находиться в нем вечно. На них оказывают воздействие космические тела, другой космический мусор, а также космическое и солнечное излучение.
Количество мусора на орбите
Самая близкая к поверхности Земли орбита находится на расстоянии 2 тыс. км. от поверхности. По последним данным, фото со спутников на ней больше 220 000 предметов, сделанных людьми. Их общая масса переваливает за отметку в 5 тысяч тонн. Учёные выяснили, что среди всего этого мусора, объекты, имеющие диаметр более 1 см, находятся там в количестве от 60 до 100 тыс. штук. А вот найдено и уничтожено с помощью метода экстраполяции только 10-12 тыс.
Источники загрязнения космического пространства
- исправно работающие аппараты – 6%;
- выведенные из рабочего состояния КА – 22%;
- разгонные блоки и ступени РН – 17%;
- разные технологичные элементы, отходы, оставленные в результате процесса запуска, фрагменты, обломки разных устройств – 55%.
Космический мусор обладает неприятной особенностью: он может репродуцироваться в космосе, на орбите. Объекты большого размера и диаметра могут разваливаться на сотни и тысячи более мелких.
Специалисты NASA докладывают, что около 33% всего космического мусора — результаты 10 космических миссий, потерпевших провал.
Отработавшие свой срок спутники
Значительная часть космических аппаратов эксплуатируется 5-10 лет, а потом их заменяют на более новые и совершенные модели.
За последние пять лет более 6.5 тыс. спутников запустили с Земли в космос и примерно 55% из них (3.5 тыс.) продолжают свою работу до сих пор.
Сразу несколько компаний строят планы по покрытию спутниковым интернетом всей территории планеты. Компания OneWeb считает необходимым запустить около 700 аппаратов для этой цели, а SpaceX считает, что потребуется не менее 12 тыс.
Система спутников Starlink
Такие проекты могут привести к появлению на орбите гигантского количества мусора, но и создать реальную опасность столкновения космических аппаратов. Известен случай, когда в ноябре 2019 года европейский метеоспутник ADM-Aeolus практически чудом смог разминуться и не столкнуться с аппаратом Starlink от SpaceX.
Еще одну проблему начинают создавать кубсаты – малые и сверхмалые спутники, популярность которых с 2010 года набирает стремительные обороты. Они достаточно дешевы в производстве, занимают мало места, а потому на орбиту доставляются десятками за один раз, при этом они практически неуправляемы.
Спутник формата CubeSat
Проект был запущен в 60-х годах прошлого столетия и именно он стал причиной самого большого выброса космического мусора на орбиту планеты. Военные планировали создать искусственную ионосферу, которая позволяла бы поддерживать связь по всей Земле. Для реализации этой цели на орбиту земли вывели миллионы мелких иголок. Последние проработали не более недели, сломались и превратились в космический мусор. Значительная их часть сгорела в атмосфере, но большое количество до сих пор находятся на орбите.
Ракетные блоки
На килограмм массы, которая выводится в космос в рабочих целях, приходится около 5 кг дополнительной массы, которая неизбежно превратится в мусор.
Передовые ступени ракет-носителей сегодня способны возвращаться обратно на землю, что нельзя сказать о разгонных блоках, которые остаются за пределами атмосферы. Часто в них остается некоторое количество топлива (5-10%), которое иногда детонирует, превращая разгонный блок в тысячи мелких осколков.
Другие источники космического мусора
Опасность космического мусора
В течение долгого времени проблема загрязнения пространства космическим мусором казалась глубоко теоретической, но уже в середине 1980-х годов ученые серьезно обеспокоились этой проблемой.
Угроза для исправно работающих спутников
Самую большую опасность космический мусор представляет для работающих космических аппаратов. Как известно, на тела в космосе не воздействует сила трения, что заставляет объекты в нем передвигаться со значительной скоростью и постоянно. Даже осколок маленького диаметра в состоянии сбить большой аппарат, повредить технику или убить космонавта.
Самый печальный сценарий развития события был описан американским инженером Дональдом Кесслером. В своей работе он высказал, что если космический мусор продолжит увеличиваться в таких бесконтрольных объемах, это рано или поздно приведет к каскадному эффекту. Взрыв или банальный развал одного объекта, приведет к тому, что его обломки заденут другие, которые также развалятся, в свою очередь.
На текущий момент столкновение с космическим мусором все еще не представляет большой угрозы, однако, история уже знает подобные случаи:
От столкновения с космическим мусором страдали не только космические аппараты, но и пилотируемые корабли. В 1983 году после возвращения шаттла Challenger на его иллюминаторе был замечен глубокий след от удара микрочастицы краски. В 1999 году была угроза столкновения МКС с частью ракетного блока, от которого она успешно уклонилась.
Угроза космического мусора для Земли
Космический мусор является опасным и для населения планеты, однако, такая опасность не является значительной. Большая часть угрозы исходит от объектов, на борту которых содержатся радиоактивные элементы.
В 1964 году вышел из строя и взорвался американский аппарат, на борту которого находилась ядерная установка.
В 1976 году советский военный аппарат, содержащий на борту ядерный реактор, упал в Канаде, создав опасность для местного населения. Как сообщает НАСА, в течение каждого года сразу несколько крупных обломков КА достигают поверхностей Земли.
Более реальной угрозой становится то, что большое количество мусора на околоземной орбите может привести к тому, что для человечества будет закрыт доступ в космос.
Если ничего не предпринимать, космического мусора станет так много, что возможность совершать полеты будет полностью исключена. Помимо исследования космоса, закроется возможность для запуска спутников на орбиту.
Способы разрешения проблемы космического мусора
В 2017 году была созвана специальная Европейская конференция, целью которой было обсуждение проблемы большого количества мусора на орбите. На конференции собралось более 300 ученых, представляющих позиции разных стран. Они установили наиболее эффективные способы устранения космического мусора. По итогу проведенного заседания было обнаружено 750 000 обломков с диаметром больше 1 см. и 166 млн. объектов более мелкого размера.
Все уже существующие и пока только разрабатываемые способы устранения мусора можно разделить на две разных категории: профилактика и уборка.
К профилактическим мерам относят:
- снижение веса выводимых в космос аппаратов;
- усиление их защитных свойств;
- увеличение длительности срока эксплуатации;
- обязательная утилизация КА;
- повышение показателей управляемости и маневренности.
Эти способы могут замедлить загрязнение космоса, но не избавят от уже находящихся там объектов. На сегодня не существует способов эффективного уничтожения мусора на орбите. Но есть некоторые проекты, над которыми трудятся учёные.
Защитные лазеры
Конструкторы рассчитывают, что подобные технологии позволят в прямом смысле испарять космический мусор. Сейчас в России учёные разрабатывают эту технологию для защиты МКС.
Использование гарпунной системы
Задумка заключается в том, что нерабочий мусор будет захватываться и отводиться в плотные слои атмосферы, а после утилизироваться. В начале 2019 года технология была успешно испытана – британский аппарат Remove DEBRIS смог подобным образом загарпунить часть спутника.
Использование воздушных шаров
Данную систему назвали Gold system. По задумке, космический мусор будет обволакивать надёжный и большой шар, который позволит увеличить аэродинамическое сопротивление объекта.
Буксировка на солнечном парусе
Исследовательский центр Surrey Space Centre разрабатывает технологию уборки космического мусора с помощью буксировки на специальном транспорте. Аппарат HybridSail с помощью специального троса будет стыковаться с мусорными объектами, а после разворачивать парус и увозить от орбиты.
Идею придумал ученый Гурудас Гангули из США. Он разработал идею распыления вольфрама на высоте 1.1 тыс. км. Согласно его расчетом, тяжёлый вольфрам будет медленно опускаться к поверхности Земли, тормозя на своем пути мелкий мусор, не нанося ущерба исправным аппаратам. Воплощение такой идеи займет не менее 20 лет.
Использование буксира
Для уборки космического мусора предлагается использовать специальные аппараты-буксировщики, которые будут вместе с собой увозить от орбиты мусорные объекты.
Орбитальная переработка
Идея состоит в переработке мусора на орбите. Спутники и другие вышедшие из строя объекты содержат много драгоценных металлов и полезных элементов.
Снимки из космоса
Опасность космического мусора существует как для Земли, так и для работающих спутников в космосе. Страны всего мира серьезно озадачены этой проблемой и разрабатывают пути ее решений.
Читайте также: