Что произойдет, если мы позволим космическому мусору накапливаться до 2100 года?

Спутники — это объекты одноразового использования. Если они устаревают или выходят из строя, их отключают и оставляют в космосе, поскольку их нельзя легко отремонтировать. Такой подход с начала покорения космоса привел к экспоненциальному перегружению орбит вокруг Земли. Что произойдет, если мы позволим им и их обломкам накапливаться до 2100 года? Станет ли космос кладбищем космических кораблей, пока наш доступ в космос не будет прекращен?

Все представляют себе Вселенную огромной и бесконечной… трудно представить ее перегруженной целой кучей объектов. Тем не менее вокруг нашей планеты происходит опасное накопление спутников и другого космического мусора, угрожающее действующим спутникам, а также пилотируемым космическим полетам.

В частности, на малых высотах спутники чаще сталкиваются с маленькими, устаревшими спутниками. На больших высотах они сталкиваются с обломками, образовавшимися в результате фрагментации (когда один обломок встречается с другим, образуя множество более мелких обломков).

И, к сожалению, мы все больше зависим от спутников во многих аспектах нашей повседневной жизни, начиная с Интернета. 2020-е годы ознаменовались началом новой эры в космических полетах — запуском и развертыванием настоящих спутниковых группировок благодаря ракетам-носителям частных компаний, таких как SpaceX.

Технологии, необходимые для этих больших спутниковых группировок, быстро становятся более надежными и компактными. В результате за последние два года увеличилось количество коммерческих спутников, запущенных в околоземное пространство, подавляющее большинство из которых — небольшие спутники весом от 100 до 1000 кг, по данным Европейского космического агентства (ЕКА).

Космос становится все более переполнен космическим мусором. В апреле 2022 года спутнику наблюдения Земли Copernicus Sentinel-1A пришлось изменить траекторию, чтобы избежать попадания фрагмента ракеты, запущенной 30 лет назад.

В крайнем сценарии, когда ничего не будет сделано для устранения неактивных космических объектов, пересечение орбит вокруг Земли станет невозможным, а угроза столкновений между спутниками возрастет в десятки раз, с риском отключения электричества на всей планете и частыми падениями мусора.

За более чем 60 лет космической деятельности в результате более чем 6050 запусков на орбиту было выведено около 56 450 объектов, из которых около 28 160 остаются в космосе и регулярно отслеживаются Сетью космического наблюдения США и поддерживаются в списках, сообщает ЕКА. В последнем перечислены объекты размером от 5 до 10 см на низкой околоземной орбите (НОО) и от 30 см до 1 м на геостационарных расстояниях (ГСО). Лишь небольшая часть — около 4000, или менее трети, — в настоящее время являются неповрежденными и действующими спутниками.

Общая масса этого большого количества космического материала составляет более 9300 тонн. Около 24% каталогизированных объектов являются спутниками, а около 11% — изношенными разгонными блоками и объектами, связанными с миссией, такими как пусковые приспособления и обтекатели.

Кроме того, с 1961 года на орбите произошло не менее 560 случаев фрагментации. Только 7 событий были связаны со столкновениями. Фактически, первое зарегистрированное столкновение произошло в 1996 году, когда обломки ракеты Ariane столкнулись с французским военным спутником CERISE, запущенным в 1995 году. Обломки сильно ударили по антенне спутника, отломив ее и отправив спутник в падение. Это стало тревожным сигналом о серьезной ситуации, которую представляет собой космический мусор для нынешних и будущих миссий.

К сожалению, следует ожидать, что в будущем столкновения станут основным источником космического мусора. Согласно моделям ЕКА и CNES (Национальный центр космических исследований), фактическое количество объектов размером более 1 см, вероятно, превышает один миллион, а количество объектов размером менее 1 см, вероятно, составляет около 330 миллионов.

Синдром Кесслера

Если мы существенно не изменим использование одноразовых космических аппаратов, а также способ их утилизации (или не утилизации), то «экстраполяция» нашего поведения может привести к «синдрому Кесслера».

Последний вариант был впервые предложен в 1978 году ученым НАСА Дональдом Дж. Кесслером. Это модель, описывающая ситуацию, когда плотность объектов на орбите достаточно высока, чтобы столкновения между объектами и обломками создавали каскадный эффект, при этом каждое столкновение порождает обломки, которые затем увеличивают вероятность дальнейших столкновений. В этот момент некоторые низкие околоземные орбиты станут абсолютно негостеприимными или даже непроходимыми.

По данным CNES, в результате чрезмерного присутствия космического мусора возникают две основные проблемы: первая — с точки зрения космоса, вторая — с точки зрения Земли.

Космические последствия размножения космического мусора

Давайте сначала посмотрим на угрозы, когда мы находимся в космосе.

Во-первых, даже небольшой обломок может нанести большой ущерб при столкновении на орбите. Это связано с тем, что они движутся со скоростью до 28 163 км/ч, поэтому размер обломков не пропорционален размеру нанесенного ущерба. Например, объект диаметром 1 см обладает той же энергией, что и автомобиль, движущийся со скоростью 130 км/ч. Единственный способ защититься от него — это маневрировать спутником/космической станцией/космической капсулой, находящейся в зоне риска.

Однако не всегда есть возможность маневрировать, чтобы избежать объекта: например, если объект слишком мал для фиксирования, от него можно только пострадать. Так, 10 февраля 2009 года бывший российский космический аппарат столкнулся с работающим американским коммерческим космическим аппаратом Iridium и уничтожил его, добавив к списку космического мусора более 2300 крупных, отслеживаемых обломков и множество более мелких.

Совсем недавно, через несколько месяцев после запуска, телескоп Джеймс Уэбб пострадал от метеоритного удара, который невозможно было предсказать, но который не помешал выполнению миссии и открытию миру 12 июля самого исключительного вида нашей Вселенной.

Кроме того, космонавты становятся мишенью не только во время выходов в открытый космос, но и в космических кораблях. Например, 15 ноября 2021 года в результате испытания российской ракеты поле обломков на орбите Земли вблизи Международной космической станции увеличилось вдвое, взорвав бывший российский спутник «Космос 1408». Космонавтам МКС пришлось спешить к своим кораблям, готовиться к отстыковке от космической станции и при необходимости совершить аварийное возвращение на Землю. Примерно через два часа они вернулись к своей обычной деятельности.

Несколько раз выходы в открытый космос приходилось откладывать после обнаружения космического мусора с определенным риском для космонавтов. В то время как обломки могут пробить конструкции МКС, удар для космонавта смертелен. Так, 30 ноября 2021 года, после этого взрыва, НАСА заявило в пресс-релизе: «Из-за отсутствия возможности правильно оценить риск для космонавтов, команды решили отложить выход в открытый космос, запланированный на вторник, 30 ноября, до получения дополнительной информации«.

Наземные последствия увеличения количества космического мусора

Во-вторых, важно посмотреть на это с точки зрения Земли. Некоторые обломки в конечном итоге падают обратно на Землю. Большая их часть испаряется при входе в атмосферу. Но от 10 до 20% обломков попадает на поверхность земного шара. В большинстве случаев столкновения происходят в водных районах Земли, на которой, к счастью, заселено только 3% ее поверхности.

Однако, по оценкам, каждую неделю падает один крупный обломок. В августе 2022 года на ферме в Австралии были найдены части (в том числе одна длиной более 3 метров) ракеты-носителя SpaceX. Только один инцидент в 1997 году привел к незначительной травме плеча американца.

Третья проблема вытекает непосредственно из предыдущей. Согласно статье в New York Times, атмосфера нашей планеты естественным образом притягивает мусор на орбите и сжигает его в нижней (более плотной) атмосфере, но повышение уровня углекислого газа снижает плотность верхней атмосферы, что может уменьшить этот эффект.

Исследование, представленное в прошлом месяце на Европейской конференции по космическому мусору, предполагает, что эта проблема была недооценена и что количество космического мусора на орбите может, в худшем случае, увеличиться в 50 раз к 2100 году, поскольку сопротивление спутников, которое помогает очистить космический мусор при входе в атмосферу, может уменьшиться.

Существует и четвертая угроза. Ученые предупредили, что стремительное развитие мегаспутниковых группировок, развернутых, в частности, компаниями SpaceX и Amazon, помимо обеспечения доступности интернета для всех, рискует привести к нескольким «трагедиям общего пользования», в частности, для наземной астрономии, верхней атмосферы Земли и околоземной орбиты.

Последняя проблема — это доступ в космос с самой Земли. Учитывая рост количества космического мусора и пессимистические прогнозы экспертов, мечты о путешествии на Луну и дальнейшем исследовании Солнечной системы могут стать недостижимыми (в экстремальной ситуации, когда космический мусор накапливается без ограничений).

Обеспечение устойчивого освоения космоса

Бхавия Лал, помощник администратора Управления технологий, политики и стратегии (OTPS) в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия, говорит в своем заявлении: «Орбитальный мусор — одна из величайших проблем нашего времени. Сохранение нашей способности использовать космос имеет решающее значение для нашей экономики, национальной безопасности и научно-технического развития страны».

В 2018 году проект RemoveDebris, возглавляемый Университетом Суррея и поддерживаемый другими организациями, включая Airbus, успешно продемонстрировал свой план по захвату мусора размером с коробку из-под обуви.

Недавно ЕКА подписало контракт на миссию ClearSpace-1, которая должна продемонстрировать технологии, необходимые для активного удаления мусора, и создать первый шаг в новом устойчивом коммерческом секторе в космосе, занимающемся утилизацией объектов повышенной опасности для космических аппаратов.

Но все это пока лишь демонстрация технологий, без реальной эксплуатации. Главным рычагом остается тот факт, чтобы не создавать слишком много дополнительного мусора. Для этого необходимо установить общие правила для всех.

В 2007 году IADC (Межведомственный координационный комитет по космическому мусору, созданный в 1993 году) разработал ряд принципов, диктующих основные правила устойчивого освоения космоса. Но в этом документе нет ничего принудительного.

Решения и меры по адаптации к засорению

Когда отслеживаемый мусор оказывается на пути действующих спутников или космических аппаратов, подается сигнал тревоги, и операторы маневрируют, чтобы избежать столкновения. Но по мере увеличения количества предупреждений операторам космических аппаратов станет невозможно реагировать на них вручную, что чревато трагическими столкновениями.

ЕКА разрабатывает автоматизированные системы, использующие искусственный интеллект и другие технологии, чтобы помочь операторам выполнять «маневры по предотвращению столкновений» и уменьшить количество ложных тревог. CNES следует этому примеру, разрабатывая проект иммерсивной видеоигры для смартфонов, направленной на то, чтобы сделать космос чистым и устойчивым.

Первоначально он будет использоваться для просвещения общественности по вопросам космического мусора. Вторым этапом видеоигры будет сбор данных о стратегиях, которые используют игроки, чтобы избежать космического мусора, и выявление тенденций для управления космическим движением.

Мориба Джа и Стив Возняк, соучредитель компании Apple, также разработали новое онлайн-приложение Wayfinder. Запущенное в марте 2022 года, оно отслеживает траекторию движения космического мусора в (почти) реальном времени.

Положительным моментом является то, что многие корпуса ракет, запускаемых сегодня для доставки спутников на низкую околоземную орбиту, утилизируются экологически безопасным способом. Некоторые из них сгорают при «контролируемом входе» в атмосферу Земли, другие постепенно выводятся на далекие орбиты и распадаются естественным образом в течение 25 лет. Не говоря уже о создании многоразовых космических кораблей, таких как ракеты-носители компании SpaceX.

Если повысить осведомленность всех космических институтов и принять глобальные и универсальные меры для будущих миссий и запусков, наш горизонт может стать более ясным. Однако совершенно ясно и недвусмысленно, что сейчас на карту поставлено устойчивое будущее освоения космоса. Основной угрозой, с точки зрения Земли и космоса, является появление синдрома Кесслера. Если дело дойдет до этого, будущее освоения космоса обречено, как и наша сегодняшняя жизнь.

Анимация (автор Дж. Пайано), основанная на 3D моделях и прогнозах, опубликованных ЕКА и НАСА, показывает обзор расположения обломков и основные области их скопления до 2100 года, в крайнем случае, если ничего не будет сделано для ограничения их количества. Здесь, для наглядности экрана, обломки примерно в 1000-1500 раз больше, чем в реальности, но и в 1000-1500 раз менее многочисленны, чем предполагалось (чтобы компенсировать это визуальное сокращение):