Космический мусор собирается в «астероиды» и может угрожать Земле. Как с ним бороться?

NASA предупредило о приближении к Земле «астероида», состоящего из космического мусора. Рассказываем, из чего он состоит, на сколько опасен и как мы собираемся бороться с проблемой космического мусора.

Что такое космический мусор?

Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являются опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые.

В некоторых случаях крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы объекты космического мусора могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.

Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов.

Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 года. 

Из чего он состоит?

В настоящее время в районе низких околоземных орбит (НОО) вплоть до высот около 2000 км находится, по разным оценкам, порядка 220 тыс. (300 тыс. по данным Управления ООН по вопросам космического пространства, октябрь 2009) техногенных объектов общей массой до 5000 тонн.

На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число подобных объектов поперечником более 1 см достаточно неопределенно и может достигать 60—100 тыс.

Лишь небольшая их часть (порядка 10 %) была обнаружена, отслеживается и внесена в каталоги с помощью наземных радиолокационных и оптических средств. Например, на 2013 год каталог Стратегического командования США содержал 16 600 объектов (в основном, размером более 10 см), большая часть которых была создана СССР, США и Китаем.

Российский каталог, ГИАЦ АСПОС ОКП (ЦНИИмаш), содержал в августе 2014 года 15,8 тыс. объектов космического мусора, а всего на околоземных орбитах находилось более 17,1 тыс. объектов (включая действующие спутники), столкновение с любым из которых приведет к полному разрушению КА.

Около 6 % отслеживаемых объектов — действующие; около 22 % объектов прекратили функционирование; 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей и около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.

Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким наклонением, плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного пролёта составляет около 10 км/с.

Вследствие огромного запаса кинетической энергии столкновение любого из этих объектов с действующим космическим аппаратом может повредить его или даже вывести из строя. Примером может послужить первый случай столкновения искусственных спутников: Космос-2251 и Iridium 33, произошедший 10 февраля 2009 года; в результате оба спутника полностью разрушились, образовав свыше 600 обломков.

Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это НОО, геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО).

Чем опасен космический мусор?

Крупные объекты, находящиеся на низких околоземных орбитах постепенно замедляются и через какое-то время входят в атмосферу. Некоторые их фрагменты достигают поверхности планеты. Небольшие объекты космического мусора попадают в плотные слои атмосферы практически ежедневно, более крупные — несколько раз в месяц. По данным Nicholas Johnson (НАСА) почти ежегодно отдельные фрагменты спутников или ракет достигают поверхности.

• Падение объекта WT1190F

13 ноября 2015 года произошло падение одного из фрагментов ракеты, ранее участвовавшей в лунной программе. Фрагмент размером 1-2 метра и плотностью 0,1 г/см³ вошёл в атмосферу в районе Индийского океана примерно в 60 километрах от побережья Шри-Ланки.

По некоторым мнениям, это был первый зафиксированный случай возвращения на Землю космического мусора с высокой эллиптической орбиты, апогей которой примерно в 2 раза превышает расстояние от Луны до Земли. Объект WT1190F 13 ноября вошёл в атмосферу Земли, где благополучно сгорел.

• «Астероид» из мусора

По словам ученых, к Земле движется небесное тело, имеющее земное происхождение. Ученые национального космического ведомства США отмечают, что небесное тело искусственного происхождения приблизится к Земле на расстояние, равное 10% дистанции от Земли до Луны. Об этом стало известно в начале февраля 2021 года. 

Национальное аэрокосмическое агентство США признало в «»астероиде» обломок ракеты-носителя Centaur миссии Surveyor 2. Космический мусор стал искусственным спутником нашей планеты, попав в ловушку гравитации. Ученые, проведя моделирование, выяснили, что обломок ракеты в скором времени покинет орбиту Земли, совершив экстремально близкое приближение.

Стоит отметить, что искусственный астероид достаточно давно летает в космосе, так как Surveyor 2 был запущен в 1966 году. Ученым еще предстоит выяснить, действительно ли это так.

Методы уборки и уничтожения космического мусора

Эффективных практических мер по уничтожению космического мусора на орбитах более 600 км (где не сказывается очищающий эффект от торможения об атмосферу) на настоящем уровне технического развития человечества пока не разработано.

Также рассматривались проекты спутников, испаряющих обломки мощным лазерным лучом или меняющих их орбиту ионными пучками, которые должны тормозить обломки для их входа в атмосферу с частичным или полным сгоранием в ней или, в случае аппаратов на геостационарной орбите, уводить их на орбиту захоронения, или наземные лазеры (Laser broom), либо аппарат, который будет собирать мусор для его дальнейшей переработки.

Вместе с тем актуальность задачи обеспечения безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства (ОКП) и снижения опасности для объектов на Земле при неконтролируемом вхождении космических объектов в плотные слои атмосферы и их падении на Землю стремительно растёт.

Международное сотрудничество по решению проблемы «космического мусора» развивается по следующим приоритетным направлениям:

• Экологический мониторинг ОКП, включая область геостационарной орбиты (ГСО): наблюдение за «космическим мусором» и ведение каталога объектов «космического мусора».
• Математическое моделирование «космического мусора» и создание международных информационных систем для прогноза засоренности ОКП и её опасности для космических полетов, а также информационного сопровождения событий опасного сближения КО и их неконтролируемого входа в плотные слои атмосферы.
• Разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия высокоскоростных частиц «космического мусора».
• Разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности ОКП.

Поиск и отслеживание космического мусора

Существует множество инструментов контроля околоземных орбит с целью поиска объектов на ней. Их можно разделить на радиолокационные и оптические.

Обнаружение орбитальных объектов может быть также дополнительной функцией универсальных инструментов исследования космического пространства или оборонных систем. Также существует ряд специализированных инструментов.

В СССР и США были созданы мощные инструменты отслеживания космического пространства. Также ряд специализированных инструментов существует в Европе и других странах.

Также работает ряд национальных программ отслеживания околоземных объектов и борьбы с космическим мусором. Для координации их деятельности создано Inter-Agency Space Debris Coordination Committee.

• Йодный двигатель

Небольшое, но потенциально полезное нововведение могло бы помочь очистить небо от космического мусора: оно позволит крошечным спутникам дешево и легко самоуничтожиться в конце своей миссии. 

В технологии используется новое топливо — йод — в электрическом двигателе, который контролирует высоту спутника над Землей. Йод дешевле и использует более простые технологии, чем традиционные виды топлива. В отличие от многих традиционных ракетных топлив, йод нетоксичен и остается твердым при комнатной температуре и давлении. Это упрощает и удешевляет работу на Земле.

При нагревании он превращается в газ, не проходя через жидкую фазу, что делает его идеальным для простой двигательной установки. Кроме того, он плотнее традиционных топлив, поэтому на борту спутника занимает меньшие объемы.

• Космический корабль-сборщик мусора

Российские ученые предложили очистить низкую околоземную орбиту Земли с помощью космического корабля. На его борту предусмотрены особые модули с двигателями.

Эти модули будут прикрепляться к объектам космического мусора и отодвигать их. Что касается геостационарной орбиты, предпочтительным способом ее очистки был бы буксирующий космический корабль, считают ученые.

Его задача — транспортировать объекты космического мусора на «орбиту уничтожения» (высотой в 600 км, где объекты постепенно уничтожаются от торможения об атмосферу).

Космический корабль-сборщик, предложенный командой для очистки околоземных орбит, имеет длину 11,5 м, диаметр 3 м и вес чуть более 4 тонн. Такой коллектор может нести от 8 до 12 модулей с двигателями на борту.

Для перемещения ступеней легкового корабля потребуется от 50 до 70 кг топлива, для перевозки ступени «Зенит-2» массой 9 тонн — около 350. Общий вес такого сборщика на старте составит от 8 до 12 тонн.

Современные ускорители могут легко вывести такой груз на любую орбиту высотой до 1000 км. После того, как в коллекторе закончатся модули, он присоединится к последней ступени бустера, переместится с ним в верхний слой атмосферы и сгорит.

• Японский стартап для очистки мусора

Японский стартап планирует запуск устройств, которые с марта 2021 года будут находить и устранять космический мусор. Если все пройдет успешно, то они отправят полноценную миссию.

Японский стартап Astroscale отправил свой космический аппарат ELSA-d на космодром Байконур в Казахстане. Там инженеры интегрируют его с ракетой «Союз», запуск которого запланирован на март 2021 года.

В компании отметили, что это важнейший полет для них, поскольку это первая демонстрация технологий компании по борьбе с мусором — одной из важнейших проблем в области обеспечения устойчивости космической деятельности.

Малоразмерное устройство продемонстрирует две ключевые технологии: прицеливание, которое поможет определять местонахождение мусора с помощью датчика прицеливания на основе GPS.

Эти данные будут использоваться так называемым «сервисным» спутником, который может перехватить кусок космического мусора.