Внеземная свалка: чем опасен космический мусор и как его можно устранить?

В его состав входят и крупные объекты, такие как старые спутники и части ракет, и миллионы мелких частиц. Этот мусор возникает из-за запусков, аварий или столкновений. Например, в 1965 году два спутника взорвались, оставив около 500 обломков, а в 2009 году сильное столкновение породило более 3200 осколков. С каждым новым запуском аппаратов количество мусора на орбите увеличивается. В 2023 году в космосе насчитывалось около 30 тыс. крупных фрагментов.

Есть и другие источники мусора, такие как выбросы активных зон реакторов российских спутников в 1980-х годах, а также старые миссии, например, эксперимент «Мидас», оставивший тонкие медные провода. В космосе под воздействием ультрафиолетового излучения и микрометеоритов материалы подвергаются эрозии, что также создает мусор в виде чешуек краски и других микрочастиц.

Некоторые объекты, находящиеся на низкой орбите, могут сгореть в атмосфере Земли и полностью разрушиться, не достигая поверхности планеты. Однако те, что находятся на более высоких орбитах, могут оставаться в космосе сотни и даже тысячи лет, создавая долгосрочные риски. Например, спутники на геостационарной орбите, которые обеспечивают связь и наблюдение за погодой, находятся на высоте около 36 тыс. км и могут вращаться вокруг Земли столетиями.

Он движется на орбите Земли с огромной скоростью — порядка 10 км/с. Это в сотни раз быстрее скорости на автомагистралях, поэтому небольшие частицы могут нанести серьезный ущерб. Столкновение с 10-сантиметровым обломком способно полностью уничтожить спутник, тогда как частица диаметром всего 1 см способна пробить защитные покрытия Международной космической станции (МКС). В 2021 году МКС уже получила повреждение от двухдюймового осколка, а для избежания столкновений она выполняла десятки маневров.

С ростом количества объектов на орбите угроза крушений только возрастает. Космические корабли и спутники вынуждены маневрировать для уклонения от осколков. Столкновения приводят к каскадному росту числа обломков, создавая эффект «космического мусорного шторма», который затрудняет дальнейшее освоение пространств.

Кроме того, обломки могут падать из космоса на Землю. Так, в марте 2024 года часть контейнера с устаревшими батареями, сброшенная с МКС, приземлилась на крышу дома во Флориде. Хотя ожидалось, что большая часть объекта сгорит в атмосфере, некоторые фрагменты уцелели и нанесли ущерб. Получается, что даже относительно небольшие частицы космического мусора могут стать угрозой для жизни и имущества, особенно если падают на населенные районы.

С момента начала космической эры культура выбрасывания отходов, подобно проблеме пластика в океане, становится все более актуальной. Прогнозируется, что к 2030 году на орбите будет около 60 тыс. спутников, что создает высокий риск столкновений.

Эффект Кесслера демонстрирует, что увеличение числа космических аппаратов ведет к большему количеству столкновений и, как следствие, к образованию множества осколков. Такие крушения могут вызвать каскадные реакции, делающие орбиту непригодной для использования. Кроме того, частицы мусора диаметром от 1 до 10 см, которые не поддаются отслеживанию, представляют собой серьезную угрозу для действующих спутников.

Процесс сокращения космического мусора требует международного сотрудничества и технологических инноваций. Однако уменьшить его количество можно несколькими способами:

• повышением осведомленности и отслеживанием: космический мусор часто представляет опасность из-за недостатка данных для его обнаружения. Улучшенные системы мониторинга помогут предотвращать столкновения;
• координацией между странами и компаниями: поскольку космический трафик увеличивается, важно улучшить координацию действий, чтобы операторы спутников могли более эффективно избегать столкновений. Это потребует автоматизированных решений и единых правил движения на орбите;
• минимизацией роста количества мусора: этого можно достичь через улучшение технологий, например, сжигание отработанных спутников в атмосфере, и через международные соглашения, которые обязывают выводить старые устройства с орбиты;
• удалением мусора: для объектов, которые уже находятся на орбите, возможны пассивное и активное удаление. Пассивное удаление означает ожидание, пока мусор сам войдет в атмосферу и сгорит, что может занять десятки и сотни лет. Активные методы включают использование различных технологий для захвата частиц и их выведения с орбиты, например, лазеров и магнитов. Однако это требует согласования между странами, так как объекты в космосе считаются суверенной собственностью.

Вопрос оплаты очищения космоса и ответственности за мусор также требует международного урегулирования, так как многие объекты принадлежат разным странам, и без их согласия уборка невозможна.

В июне 2023 года британский стартап Astroscale презентовал свой проект ELSA-M (End of Life Services by Astroscale-Multiple), направленный на взаимодействие с вышедшими из строя спутниками. Устройство, разработанное компанией, использует магнитный и пневматический комплект для физического соединения с аппаратом, которого необходимо убрать. После сопряжения устройство способно маневрировать спутник на более низкую орбиту, что упрощает его последующий вывод из эксплуатации. В конечном итоге аппарат будет подвергнут повторному входу в атмосферу, где сгорит, уменьшая тем самым количество космического мусора. Но пока отсутствует нормативная база, обязывающая соблюдать технологические требования для безопасного удаления вышедшего из строя оборудования.

Август 2023 года ознаменовался предложением от МГУ, чьи исследователи разработали защитные экраны для захвата космического мусора, сформированные из контейнеров с газожидкостной смесью. Эти устройства способны аккумулировать и трансформировать кинетическую энергию, что снижает необходимую толщину стали и, следовательно, массу устройства. При столкновении с мусором стенка контейнера разрушается, образуя облако расплавленных капель, которое замедляет движение в жидкости, превращая энергию удара в тепловую. Моделирование показало, что такая многослойная защита может поглотить значительную часть энергии, снижая вес конструкции до 20%.

В декабре 2023 года исследователи из Мичиганского университета предложили способ обнаружения космического мусора путем анализа электрических сигналов, возникающих при крушениях. Когда небольшие фрагменты сталкиваются с высокой скоростью, они взрываются и создают крошечные обломки, которые генерируют импульсы электрического поля. Эти сигналы, хоть и очень кратковременные, могут быть зарегистрированы с помощью высококачественных антенн, что позволяет отслеживать даже мусор диаметром менее 1 мм. Такой метод может значительно улучшить текущие технологии, которые в основном выявляют только крупные объекты.

В январе 2024 года стало известно, что стартап EX-Fusion из Осаки разрабатывает наземную лазерную систему для уничтожения космического мусора, направляя импульсы на мелкие частицы, чтобы замедлить их движение и заставить упасть в атмосферу, где они сгорят. В сотрудничестве с австралийской компанией EOS Space Systems, они намерены отслеживать осколки размером менее 10 см в диаметре, которые сложно обнаружить существующими системами, такими как у NASA. Планируется использовать твердотельные лазеры с диодной накачкой, которые смогут производить короткие импульсы, замедляющие обломки. Это решение отличается от лазерного оружия, поскольку его можно легко настраивать и обслуживать на земле. Однако, прежде чем система станет действенной, разработчикам необходимо решить проблемы с обнаружением частиц и создать достаточно мощные лазеры.

Наконец, в апреле 2024-го японская компания Astroscale сделала первую в мире фотографию отдельного куска космического мусора, приблизившись к верхней ступени ракеты H-IIA, вращающейся вокруг Земли с 2009 года. Этот проект стал частью миссии по захвату и удалению обломков. Станция выполнила синхронное движение по орбите, что позволило протестировать способности маневрирования вблизи объектов. В дальнейшем планируется использовать роботизированную руку для изменения орбиты мусора и его удаления в атмосферу, где он сгорит.