Околоземная орбита может наполниться грудой осколков из-за разрушительного эффекта домино

На «густонаселенной» околоземной орбите спутники регулярно сближаются, а операторы используют двигатели, чтобы избежать их столкновения. В 2009 году сделать это не удалось — два запущенных Россией космических аппарата врезались друг в друга. Один из их осколков прошел недалеко от МКС, а многие засоряют космос до сих пор. О том, как орбита может стать непригодной для использования и почему человечеству необходим «космический уборщик» — в материале «Газеты.Ru».

Встреча в космическом океане

Первое в мировой истории столкновение спутников произошло 10 февраля 2009 года. Вероятность этого события была ничтожно низкой, как если запустить в океан две моторные лодки с бесконечным запасом топлива, задать случайный курс и ждать, что они встретятся. В космосе шанс столкновения еще меньше из-за наличия дополнительной координаты — высоты.

Столкновение «Космос-2251» и Iridium 33 оказалось связано с Россией. «Космос-2251» был отечественным спутником военной связи устаревшей системы «Стрела-2М». После запуска в 1993 году он проработал лишь два года и с тех пор оставался на орбите в качестве космического мусора. Iridium 33, напротив, был действующим аппаратом гражданской связи одноименной американской компании-провайдера. Запущен он был также Россией на ракете «Протон» с космодрома Байконур в 1997 году. Столкнулись спутники над территорией РФ, в районе полуострова Таймыр.

© Иридиум 33

Оба аппарата вращались по орбитам высотой 700–800 км, будучи наклоненными относительно друг друга почти на 90 градусов. И в результате влетели друг в друга с суммарной скоростью выше 10 км/с, что, по оценкам физиков, высвободило энергию, эквивалентную взрыву от одной до пяти тонн тротила.

Неработающий «Космос-2251» было не жалко, но потеря Iridium 33 создала риск возникновения перебоев со связью, как заявила компания-оператор. Считается, что подобное столкновение должно полностью уничтожить оба аппарата, но оказалось, что это не так. Спутники группы Iridium порождали искусственное астрономическое явление: периодические яркие вспышки в небе, когда солнце отражалось от массивных антенн. Камера видеонаблюдения смогла зафиксировать такую вспышку от Irridium 33 уже после столкновения, из чего следует, что он уцелел хотя бы частично, — хотя, конечно же, потерял работоспособность.

© Сборщик космического мусора (СКМ)

После инцидента ни одна из сторон не предъявила другой претензии и требования возместить ущерб, событие посчитали досадной случайностью.

Долгосрочные последствия

Потеря единичного космического аппарата, который мог сломаться сам по себе, не так важна. Куда более серьезной проблемой оказалось облако осколков, оставшееся от спутников,— 1668 от российского и 628 от американского. Каждый фрагмент сохранил изначальную орбитальную скорость и добавил к ней случайный импульс от столкновения и взрыва. Часть из них начала пересекать орбиту МКС, и в 2012 году один из осколков прошел в сотне метров от станции. Он был мелким и не смог бы уничтожить все орбитальные модули одним ударом, но на всякий случай астронавты заняли места в спускаемом аппарате, чтобы в случае экстренной ситуации вернуться на Землю.

Основной проблемой, связанной с фрагментами уничтоженных аппаратов, считается их долгое пребывание на орбите. За семь лет (к 2016 году) меньше половины осколков сгорело в атмосфере. Сейчас, по данным сайта Space-Track.com, от аппаратов осталось 916 и 212 осколков.

© Облако осколков через 50 минут после столкновения спутников

Поэтому операторы космических аппаратов стараются отслеживать их будущие сближения, чтобы успеть уклониться. Однако не для всех спутников есть точные параметры орбиты, и в случае со столкновением 2009 года алгоритмы предсказывали, что они разойдутся в 500 метрах друг от друга. Всего Irridium получала около 400 предупреждений в неделю о возможных столкновениях, но глава компании оценивал шанс наступления такого события как 1 к 50 миллионам.

Лазеры и ловчие сети

Число космических аппаратов растет ежегодно и очень быстро: например, один только оператор Starlink в настоящий момент имеет более пяти тысяч спутников на низких орбитах (высотой около 550 км), а в будущем их будет в разы больше. Чем больше космических аппаратов, тем больше от них остается мусора и тем выше риск столкновения. Если эта тенденция сохранится и дальше, то околоземная орбита станет непригодной для размещения спутников и тем более обитаемых станций.

В связи с этим инженеры предложили множество проектов по очистке орбиты. Для низкоорбитальных спутников они не требуются вовсе: например, Starlink и так используют плазменные двигатели, чтобы не упасть. Без их работы атмосфера будет постепенно понижать орбиту, так что аппараты сгорят в течение пяти-десяти лет.

Однако на более высоких орбитах аппараты способны существовать многие десятки и сотни лет. Если они вышли из строя и не успели перед этим направить себя в плотные слои атмосферы или на орбиту захоронения, то убрать их сможет лишь «космический дворник». Такое название получили сразу несколько проектов орбитальных буксиров, способных пристыковаться к выведенному из эксплуатации спутнику и оттащить его на безопасную орбиту.

© NASA // Дырка после столкновения с космическим мусором

Более экзотические проекты предполагают использование ячеистой сети, — например, такой проект представили инженеры «Российских космических систем». Их аппарат будет ловить не только крупные спутники, но и кубсаты , а также обломки и отработавшие ракетные ступени, с которыми состыковаться крайне трудно. После этого «дворник» измельчит улов в жерновах, превратит его в порошок и использует в качестве компонента топлива, чтобы повысить время активной работы.

Есть предложение бороться с космическим мусором бесконтактно, с помощью «ионной метлы». Например, такой проект представили ученые Самарского университета.

«Аппарат-уборщик, приблизившись к выбранному мусорному объекту на расстояние около десяти метров, направит на него ионную струю двигателя, так называемый плазменный факел. Сталкиваясь с поверхностью космического мусора, частицы ионной струи генерируют силу, которая и будет использоваться для перемещения мусора в нужном направлении», — рассказал в своей монографии «Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком» Александр Ледков, один из авторов идеи.

Наконец, изменить орбиту мусора можно с помощью лазера наземного или космического базирования. По расчетам NASA, нынешние технологии позволят лучу сдвигать орбиту на несколько метров в день исключительно за счет давления фотонов. Существенный минус этого метода — риск разрушения космического аппарата под действием лазера, что приведет к образованию более мелких осколков, с которыми бороться труднее.

Способы борьбы с космическим мусором придется найти в любом случае. Еще в 1970-е годы ученые предсказали синдром Кесслера. Согласно этой гипотезе, столкновение двух спутников может породить массу осколков, и при перенаселенной орбите они разобьют на фрагменты другие спутники, те — следующие, и так до тех пор, пока орбита из-за эффекта домино не станет абсолютно непригодной для использования человечеством. Без «космического дворника» в той или иной форме реализация синдрома Кесслера практически неизбежна.