Космический мусор околоземного масштаба

Российский стартап предлагает решить проблему с помощью спутника-липучки, выпускающего пену
29.06.2020
Александр Хохлов


StarRocket

26 июня на неопределенное время был перенесен старт ракеты Falcon 9 со спутниками Starlink. Только в июне 2020-го на орбиту отправились уже 118 аппаратов этой группировки, в результате чего ее текущий размер достиг 538 штук. Всего же на первом этапе планируется запустить 12 тысяч спутников, затем к ним присоединятся еще 30 тысяч. Это почти вдвое больше, чем число всех искусственных спутников, которые находятся на орбите сегодня, включая фрагменты разрушенных аппаратов. При таком масштабе предстоящих запусков отдельные задержки уже не имеют значения, они только подчеркивают главную проблему: космический мусор и слежение за тысячами объектов на орбите становятся важнейшей задачей при дальнейшем освоении космоса. До сих пор с ней удавалось справляться с помощью регулирования орбит объектов и наблюдения за ними, но с каждым годом становится яснее, что рано или поздно орбиту придется чистить «вручную» - запуская специальные спутники-мусорщики. В России уже есть инженеры, которые готовы этим заняться - рассказываем об их проекте.

Сколько мусора сейчас на орбите и кто за ним следит

С начала освоения человеком космического пространства там накопилось более семи с половиной тысяч тонн мусора: из примерно 20 тысяч искусственных объектов, находящихся сейчас на орбите Земли, только около 2,7 тысяч - это действующие спутники. Остальные - или отработавшие свой срок аппараты или их фрагменты.

Космический мусор - это все неработоспособные объекты, созданные и запущенные человеком в космос, и их фрагменты, появившиеся в результате разрушения. Именно инциденты с взрывами и столкновениями космических аппаратов создают большинство каталогизированных объектов мусора, а также множество совсем небольших осколков, которые даже не попадают в каталоги (величиной менее пяти сантиметров).

Один из самых известных таких инцидентов произошел 10 февраля 2009 года, когда столкнулись американский спутник связи Iridium и неработающий российский военный аппарат «Космос-2251». Их относительная скорость движения составляла порядка 14-16 км/с. В результате столкновения образовалось большое облако осколков, впоследствии разлетевшихся на огромную площадь.

18 декабря 2019 года российский метеорологический спутник «Метеор-М» № 2-2 столкнулся предположительно с микрометеоритом, что изменило его орбиту и на время лишило ориентации; позже специалисты смогли вернуть его в работоспособное состояние. Впрочем, причиной инцидента мог быть и мелкий неидентифицированный фрагмент космического мусора.

Но в целом сегодня столкновения на орбите происходят не очень часто - прежде всего благодаря работающим системам слежения. В США с задачей мониторинга космического мусора и предотвращения возможных аварий занимается 18-я эскадрилья космического контроля Космических сил. С помощью радиолокационных и оптических средств наблюдения она отслеживает все объекты в космосе, и прогнозирует возможные инциденты. Подразделение работает как с коммерческими спутниковыми операторами, так и с научными миссиями, что позволяет уклонять активные спутники от столкновений с помощью двигателей. Все данные о космическом мусоре поступают в базу данных Центра объединенных космических операций Стратегического командования Вооруженных сил США, имеющую как открытую, так и закрытую часть (там содержится информация о военных спутниках США).

Открытые всему миру данные публикуются в каталоге космических объектов, который ведет Командование воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD - North American Aerospace Defense Command). Свои средства радиолокационного и оптического наблюдения и службы по расчету вероятности столкновений также есть в Европе, России и Китае.

Откуда столько мусора и насколько серьезна проблема

Однако ситуация с космическим мусором постепенно ухудшается. Основной вклад в это вносят две причины:

  1. Взрывы баков двигательных установок спутников и разгонных блоков (вторых ступеней ракет).
  2. Испытания противоспутникового оружия.

Например, в октябре 2012 года на орбите взорвался разгонный блок «Бриз-М», образовав облако из более чем 100 фрагментов, а в 2018 и 2020 годах разрушились разгонные блоки «Фрегат». В марте и августе 2018 года взорвались американские разгонные блоки «Центавр» ракеты-носителя Atlas V, еще одна аналогичная авария произошла в апреле 2019 года. Во всех этих случаях образовались обломки, которые еще долго будут создавать сложности для операторов спутников.

Испытания противоспутникового оружия могут быть еще одним - едва ли не более важным источником мусора на орбите. Так, в январе 2007 года Китай уничтожил собственный спутник FengYun-1C ракетой средней дальности наземного пуска. Перехват произошел на высоте 862 км на околополярной орбите, в результате чего в каталоге NORAD прибавилось более 3300 отслеживаемых единиц космического мусора, таким образом каталог вырос на четверть всего за один инцидент.

В феврале 2008 года и в марте 2019 года подобные испытания противоспутниковых ракет произвели США и Индия, к счастью, выбрав мишени на более низких орбитах. При этом в командовании Космических сил США отмечают, что Россия тоже занимается созданием противоспутникового оружия, хотя информации о результатах этой работы по понятным причинам мало.

Моделирование, проведенное европейскими специалистами из ESAʼs Space Debris Office, показывает, что обломки, образованные уже состоявшимися взрывами и столкновениями, в течение нескольких десятилетий распределятся на орбитах высотой около 800-400 километров. Это станет серьезной опасностью для работающих там спутников, особенно учитывая планы по развертыванию спутниковых группировок связи Starlink и его аналогов (Telesat, Kuiper, и, возможно, OneWeb).


«Поезд» из спутников Starlink, видимый невооруженным глазом с Земли
Olivier Staiger

Что же делать с космическим мусором

Мусорный кризис на орбите, который мы наблюдаем сегодня - вещь вполне ожидаемая. Еще в 1978 году консультант NASA Дональд Кесслер теоретически описал так называемый «синдром» (получивший впоследствии его имя), который подобен эффекту домино на орбите: в случае превышения некоторого критического количества космического мусора вероятность столкновений может начать неконтролируемо расти. В результате столкновений будет появляться новый мусор, что в конце концов сделает низкие орбиты непригодными для использования. Так что космические инженеры уже давно задумываются, как именно можно начать бороться с мусором, когда необходимость в этом станет по-настоящему неотложной.

Профилактика

Сегодня не существует реальной возможности для массового активного удаления космического мусора с орбиты. Космические агентства основное внимание уделяют прежде всего профилактике: к новым спутникам предъявляются требования, заложенные в международные соглашения и в национальные законы о космической деятельности, например, в стандарты ISO. Там прописано, что любой аппарат после завершения своей работы должен быть тем или иным способом утилизирован. Например, сведен с орбиты или отправлен на орбиту захоронения.

Для небольших аппаратов стараются предусмотреть пассивные средства торможения в верхних слоях атмосферы. Для сведения с орбиты крупных спутников и грузовых кораблей снабжения МКС используют торможение собственными двигателями - они падают в специальный район захоронения - «кладбище космических кораблей» в южной части Тихого океана. Оно расположено значительно южнее острова Рождества, в 3900 километрах к востоку от новозеландского города Веллингтон. В этом районе запрещено судоходство и полеты авиации. Но часто обломки спутников неуправляемо падают в других районах Земли.

Уничтожение мусора

Тем не менее, космические агентства осознают, что существующих мер недостаточно, из-за чего необходимо разрабатывать активные способы очищения орбиты от мусора. Большие ресурсы вкладываются в средства наблюдения и обработки данных об объектах в космосе. Например, буквально в мае 2020 года космическое агентство Великобритании выделило миллион фунтов стерлингов на гранты по развитию технологий с искусственным интеллектом и машинным обучением, которые будут анализировать базы данных космического мусора, и на создание новых способов отслеживания космических объектов в космосе.

Европейское космическое агентство (ЕКА) вместе с партнерами работает над созданием «космических мусорщиков», аппаратов способных захватывать и сводить с орбиты неуправляемые объекты. Так, в сентябре 2018 года прошел эксперимент со спутником RemoveDebris, разработанным британской компанией SSTL. Запущенный на грузовом корабле на МКС, он вышел за борт вместе с имитатором космического мусора. Во время испытаний аппарат успешно поймал мусор в свою сеть.

Еще один проект, спонсируемый ЕКА - космический аппарат миссии ClearSpace-1, который в 2025 году должен захватить манипуляторами старый адаптер полезной нагрузки, оставшийся на орбите от европейской ракеты «Вега», и свести его в атмосферу Земли для уничтожения.

Можно заметить, что все эти инициативы носят единичный характер - это разработка технологий на будущее за государственный счет, а не коммерческий бизнес. Увеличение активности в этом направлении сдерживается отсутствием понятного спроса.

Единственный современный проект с понятными коммерческими целями - это космический аппарат Mission Extension Vehicle-1 (MEV-1), разработанный американской корпорацией Northrop Grumman и предназначенный для продления срока службы телекоммуникационных геостационарных спутников. Пробная миссия была выведена в космос в октябре 2019 года ракетой-носителем «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз». Аппарат MEV-1 пристыковался на орбите захоронения к старому, но работоспособному, телекоммуникационному спутнику Intelsat 901 и вернул его в точку стояния на рабочей геостационарной орбите, где он еще пробудет минимум пять лет. После этого Intelsat 901 будет возвращен на орбиту захоронения, а космический аппарат корпорации Northrop Grumman сможет продлить активное существование еще одному спутнику, - если, конечно, под такую услугу найдется платежеспособный покупатель. Всего MEV-1 должен проработать «корректором орбит» не менее 15 лет.

Из этого редкого примера можно понять проблему существования рынка борьбы с космическим мусором: если продление срока работы телекоммуникационных спутников, у которых закончилось на борту топливо, но жива электроника, вполне может быть востребовано и оплачено спутниковыми операторами, то, например, платить за очистку геостационарной орбиты от множества мертвых спутников, пока не готов никто.

У вопроса «космических мусорщиков» есть еще одно измерение - политическое. Многие предлагаемые способы очистки орбиты (например, лазеры) могут использоваться как космическое оружие для уничтожения чужих спутников. Договор по космосу 1967 года запрещает размещать в космическом пространстве любые виды оружия массового уничтожения (ядерное, химическое и биологическое), но другие виды оружия в договоре не затрагиваются. Тем не менее космические военные ведомства пристально следят за функциональными возможностями аппаратов других стран, в том числе используя спутники-инспекторы. И любые факты об объектах «двойного назначения», то есть оружия в космосе, могут использоваться в дипломатических переговорах, как «проблемы, создающие угрозу безопасности и устойчивости в космосе».

Российские инженеры тоже делают мусоросборщики, но пока за них никто не хочет платить

Российские инженеры прекрасно осведомлены о проблеме и даже не раз предлагали довольно оригинальные решения. Однако пока все они сталкиваются с отсутствием четкой бизнес-модели - за уборку на орбите пока никто не хочет платить.

Например, в 2019 году инженер-исследователь Мария Баркова из холдинга «Российские космические системы» запатентовала и представила концепцию по сбору и переработке космического мусора прямо на орбите. Она предложила использовать для ловли спутников специальную сетку, а фрагменты улова - перерабатывать и использовать в качестве реактивного топлива. Получить финансирование на столь сложный и дорогой проект, насколько известно, до сих пор не удалось.

В 2020 году российский стартап StartRocket предложил для решения той же проблемы другой подход - исходящий из принципа максимальной экономии на всем, где это только возможно. В некотором смысле этому проекту удалось продвинуться несколько дальше - частично финансировать разработку будет Лаборатория Касперского.

StartRocket предлагает использовать в качестве космических мусорщиков простые неуправляемые спутники массой до 100 кг, получившие название Foam Debris Catcher. Главная часть такого аппарата - пеногенератор, сродни тому, из которого получают монтажную пену при строительстве. Такой пеногенератор не требует разворачивания манипуляторов или специальных сетей, а способен сам создать липкую «сеть» из самозатвердевающей полимерной пены, уже попав на орбиту. Пролетая мимо объекта космического мусора, он по команде с Земли должен «выстрелить» в него сетью, которая, прилипнув к спутнику или фрагменту, сократит срок его нахождения на орбите за счет дополнительного аэродинамического торможения в верхних слоях атмосферы Земли.

Надо сказать, что использование пены не являются сугубо российским изобретением - такие планы есть и у Европейского космического агентства, они были опубликованы еще в 2011 году в проекте Expanding Foam Space Debris Removal. Но если в ЕКА планируют в будущем использовать дорогие управляемые космические аппараты, то StartRocket предлагает максмально экономичный подход. Российские инженеры собираются радикально сократить срок подготовки и стоимость разработки спутника, отказавшись от двигателей и большого размера аппарата. Еще одна важная черта, работающая на сокращение общего бюджета проекта - запуск аппарата в качестве попутной нагрузки на ракетах-носителях разных типов.


Видеопрезентация проекта спутника-мусорщика StartRocket

Перспективы StartRocket пока туманны. Но проблему мусора все равно придется решать

Влад Ситников, основатель StartRocket, считает, что проект в отсутствии рынка на услуги по удалению космического мусора может существовать на частные пожертвования, - как, например, существует «Гринпис». А средства на запуск тестового аппарата формата кубсат 3U (Test Foam Sat, или TFS) можно собрать с помощью краудфандинга и частных пожертвований, как это сделали в «Планетарном обществе» в США с двумя аппаратами LightSail.

«Собрать кубсат - вопрос нескольких месяцев. При получении финансирования на поиск пены - мы найдем ее через 6-9 месяцев. Мы не начинаем поиск с чистого листа, мы знаем, с чем будем работать. У нас есть лаборатория и партнер, который уже ведет изыскания в похожей области. Если все сложится удачно, мы проведем тестирование кубсата и договоримся о запуске», - рассказал Ситников «Медузе».

«У нас есть еще одно решение - „бочка" с двигателем. Оно стоит в три раза дороже. Но наша изначальная цель была - [сделать] максимально дешево и доступно. Космос сейчас - это дорого. Мало компаний, мала конкуренция, мало предложений. Поэтому мы ограничились бюджетом в один миллион долларов и попытались втиснуться в эти рамки. Понимаем, что критика проекта будет [сфокусирована] в отсутствии управляемости [спутником из-за отсутствия двигателя]. Однако наши расчеты показывают, что мы можем достичь успеха миссии даже и без двигателей», - говорит Ситников.

Стартап планирует максимально эффективно использовать уже существующие технологии: попутное выведение спутника на орбиту, высокоточные математические модели и наземную инфраструктуру для слежения за космическим мусором. Поэтому в команду позвали специалистов с опытом создания и эксплуатации космической техники.

Станет ли это предложение российской компании реальностью, судить сложно. Можно вспомнить опыт «Планетарного общества», о котором говорит сам основатель StartRocket. На создание двух аппаратов LightSail 1 и LightSail 2 формата кубсат с солнечным парусом у них ушло десять лет, а стоимость всего проекта составила целых семь миллионов долларов. Средства, собранные с помощью краудфандинга, составили, к сожалению, лишь небольшую часть этой суммы.

Очевидно одно - количество спутников и объектов космического мусора в ближнем космосе будет увеличиваться быстрее, чем происходит естественное самоочищение низкой орбиты. И эта проблема - уже не проблема следующего поколения, как считалось еще пару десятков лет назад. Как она будет решаться, пока неизвестно.

Источник: Meduza

Читайте другие наши материалы