Источники засорения околоземного пространства и как с этим бороться, существующие решения

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.

Фото: nito4ka.ru.

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

В 1979 году в США впервые запущена программа по изучению космического мусора, оставляемого после выхода из строя спутников. С тех пор термин «космический мусор» обозначает все объекты рукотворного происхождения, находящиеся в космосе и выведенные из строя. Интересна структура таких объектов, находящихся рядом с поверхностью планеты:

• 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

Процесс утилизации объектов, отработавших свое, происходит за счет их запуска в атмосферу или отправкой на орбиту захоронения космического мусора. Большие объекты обычно опускают на дно Тихого океана, где не пролегает маршрут судов. Для доставки космического мусора на «мусорную» орбиту требуется потратить много топлива, а утилизация мусора обходится в сотни тысяч долларов только за один килограмм, поэтому такие траты стараются сократить.

Космический проект «Вестфолд»

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

Происхождение космического мусора разнообразно. Некоторую его часть составляют вещи, использованные космонавтами и оставленные в космическом пространстве. Большую часть небольших частиц составляют несгораемые остатки ракетного топлива в твердом виде или капли жидкого металла, оставшиеся из ядерных установок. Дополнительный мусор создают испытания специального противоспутникового оружия. Так, в 2007 году проводились испытания китайского оружия, которым эта страна сбила свой аппарат «Фэнъюнь-1C».

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:

• в 1996 году ИСЗ CERISE столкнулся с частью бака РН «Ариан-5»;
• в 2006 в результате столкновения с космическим мусором был поврежден и выведен из строя отечественный аппарат «Экспресс-АМ11»;
• в 2009 году спутник Iridium был поврежден столкновением с нерабочим ИСЗ «Космос-2251».

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.

Использование вольфрамового «веника»

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.