Про космический мусор

Вчера был, без преувеличения, один из самых главных современных праздников для всего человечества - День Космонавтики. Именно в этот день человечество впервые вырвалось за пределы своей колыбели. Но сегодня мы поговорим об обратной стороне этой медали - о таком побочном продукте космонавтики, как космический мусор.

4 октября 1957 года, когда радиоэфир впервые наполнился знаменитым "Бип! Бип!", вряд ли хоть кто-то задумывался над тем, что перемещающаяся по небосводу маленькая точка, таблицы наблюдений публиковались в газетах того времени, станет не только одним из величайших достижений человечества, но и ознаменует возникновение новой проблемы, пути полного решения которой до сих пор неизвестны.

Дело в том, что то, что непосредственно сам “Спутник 1” был слишком мал, чтобы его можно было увидеть с Земли. Та точка, которую многие принимали за него, была на самом деле второй ступенью ракеты-носителя Р-7. Она же стала первым фрагментом популяции того, что нынче принято называть космическим мусором.

За последующие 56 лет было произведено около 5000 запусков, в ходе которых на орбите оказалось почти 40 000 объектов диаметром более 10 сантиметров. Из этих 40 000 тысяч объектов, лишь 6600 были спутниками – остальные представляли собой третьи ступени ракет, обломки от взорвавшихся аппаратов, столкновений, испытаний противоспутникового оружия, и даже потерянные космонавтами инструменты.

Если говорить про сегодняшний день, то сейчас системы космической разведки отслеживают на земной орбите порядка 16 000 объектов суммарной массой до 10 000 тонн. Из них,  только 3600 являются спутниками, причем лишь 1000 из них находится в работоспособном состоянии – остальные давно выработали свой ресурс.Но это лишь верхушка айсберга. ESA оценивает популяцию объектов диаметром свыше 5 сантиметров, в 45 000 объектов. Что касается объектов поменьше, то по всей видимости существуют еще сотни тысяч (некоторые оценки дают цифру от 300 до 500 тысяч) обломков, диаметром от 1 до 5 сантиметров, и миллионы небольших частиц.

Сквозное отверстие в радиаторной панели шаттла "Индевор" оставшееся после столкновения с одним из кусков космического мусора.

Откуда же берутся крупные обломки? Запуск каждого спутника сопровождается образованием большим количеством технологического мусора - в околоземное пространство попадают предметы, вроде крышек для линз, взрывных болтов, временного крепежа, элементов защитного покрытия  и т.п.

Кроме того, в космосе остаются набравшие первую космическую скорость последние ступени ракет и разгонные блоки. В их баках часто остается 5-10% топлива, которое весьма летуче и легко превращается в пар, что иногда приводит к достаточно мощным взрывам. После ряда лет пребывания в космосе отслужившие свое ступени ракет могут буквально взорваться на куски, разбрасывая вокруг себя своеобразную шрапнель из мелких осколков. За последние несколько лет в околоземном пространстве было отмечено порядка 182 подобных взрывов. Так, только один взрыв ступени индийской ракеты стал причиной образования сразу 300 крупных обломков.

Отдельная категория космического мусора  - т.н. ядерный мусор. В свое время, СССР запустил в космос большую серию спутников морской разведки "УС-А". Каждый аппарат был оснащен ядерным реактором с 30 килограммами обогащенного урана-235.

Всего было запущено 33 аппарата, из которых несколько уже “вернулось” на Землю. В их числе, печально знаменитый “Космос-954”, в 1978 году обогативший 124 000 квадратных километра канадской территории советским ураном.

Остальные были переведены на орбиту захоронения высотой 700 – 1000  километров. Предполагается, что они смогут просуществовать там от 250 до 2000 лет, прежде чем все это счастье начнет падать кому-то на голову. При этом, системы охлаждения некоторых этих спутников дали утечку, из-за чего на эту же орбиту попали тысячи капель натрий-калиевого охладителя, которые теперь тоже являются частью популяции космического мусора.

В результате, вся эта мусорная "группировка" растет очень быстрыми темпами (примерно 5% в год), причем значительная ее часть появилась после всего лишь двух инцидентов.

Первым стало печально известное испытание китайцами противоспутниковой ракеты в 2007 году. Да, СССР и США испытывали противоспутниковое оружие и раньше, а американцы в 2008 году сбили свой спутник шпион – но "USA-193"  как раз таки находился на высоте 250 километров, и потому 99% его обломков вошли в атмосферу в течении недели. Китайцы  же умудрись уничтожить спутник, который находится на полярной орбите высоте 800 километров. Результат? 3500 тысячи каталогизированных обломков, и по некоторым данным, до 150 000 мелких частиц. 97% процентов этого мусора все еще остается на орбите и просуществует там еще сотни лет.

Вторым инцидентов стало столкновение спутников "Космос-2251" и "Iridium" 33 в 2009 году, которое пополнило орбиту еще 2000 обломками (это те, которые удалось отследить). Столкновения спутников с космическим мусором бывали и раньше – но этот случай стал первым в истории, когда столкнулись два космических аппарата.

Самыми загрязненными на сегодняшний день являются орбиты в 800, 1000, 1500 километров и геостационарная орбита, и количество обломков на них уже приходится принимать в расчет, при планировании новых миссий. Известно, что во время последней миссии по обслуживанию “Хаббла”, NASA оценивало вероятность столкновения шаттла с космическим мусором 1 к 229, что было уже на грани допустимого риска. В результате, при старте “Атлантиса” были приняты беспрецедентные меры безопасности - на соседней стартовой площадке стоял снаряженный шаттл “Индевор”, который должен был стать спасательным кораблем в случае столкновения "Атлантиса" с каким-то из обломков.

Из-за всего этого, сценарий т.н. цепной реакции (или синдрома Кесслера), когда одно из столкновений приведет к эффекту домино, когда образовавшиеся обломки начнут сталкиваться между собой, после чего какая-то из орбит станет полностью непригодной для использования уже не выглядит фантастикой в стиле “Гравитации”. Существует даже кандидат на роль такого катализатора такого события – 8 тонный спутник "Энвисат", вращающийся на высоте 785 километров. Каждый год он дважды пролетает на расстоянии 200 метров от нескольких обломков – и шансы на то, что рано или поздно, они  столкнутся, весьма велики.

Основная проблема, из-за которой мусор представляет собой долговременную угрозу, связана с его долговечность. Если  на низких орбитах, где скажем функционирует МКС, еще силен очистительный эффект атмосферы и объекты могут существовать на них лишь несколько лет, то чем дальше от Земли, тем дольше просуществует мусор.  На орбитах высотой порядка 1000 километров, объекты могут существовать несколько тысяч лет. Чтобы было понятнее, приведу пример: спутник “Авангард-1” был запущен в 1958 году и ныне является самым старым куском металла, болтающимся в космосе. Перицентр его орбиты составляет 654 километра и он войдет в атмосферу не раньше 24 столетия.

Ну а что касается спутников, находящихся на геостационарных орбитах, то они просуществуют миллионы лет. Если нас сметет глобальная катастрофа, то по всей видимости они станут последним свидетельством того, что на нашей планете существовала относительно разумная жизнь.

Я начинал с того, что упомянул, что наряду с крупными объектами, к мусору относятся и мелкие частицы.  Откуда они берутся? Во время работы твердотопливных двигателей, из его сопла выбрасывается множество мелких пылевидных частиц размерами до 10 мкм. Еще один источник появления частиц - это кусочки краски, отвалившиеся от обшивки космического аппарата. И, несмотря на крошечные размеры, благодаря огромным скоростям, даже такая мелочь способна причинить вполне ощутимый ущерб, как солнечным батареям, так и корпусу космических аппаратов. В 2009 году, экипаж “Атлантиса” доставил на Землю снятый с телескопа “Хаббл” радиатор, который провел в космосе 16 лет. На его поверхности (размер радиатора 2.2 на 0.8 метра) было обнаружено 685 от попадания мелких частиц, большинство из которых были именно мусором.

В такой ситуации конечно принято вопрошать что делать, но на самом деле, явного решения нет. Все предлагаемые меры в основном сводятся к тому, чтобы замедлить рост популяции мусора. Не уменьшить, а просто замедлить. Даже если с завтрашнего дня человечество прекратит полеты в космос, общее количество обломков на орбите еще несколько десятилетий  будет увеличиваться из-за новых столкновений между обломками.

Конечно, учеными предлагаются разные экзотические варианты очистки,  вроде лазеров для мелких частиц, использования сетей, спутников-пращ, тросов по которым пропущено электричество - но все это пока что лишь теория, практических испытаний не проводилось. Более-менее реально говорить про технологии свода с орбиты крупных объектов, с помощью специально созданных аппаратов. А вот что делать с гайками в космосе, пока что сказать сложно. При этом, даже если говорить про утилизацию крупных объектов, возникает два очевидных вопроса:

1) Эффективность и практичность. Было бы глупо, если  запуски космических уборщиков приведут к тому, что на орбите окажется еще больше мусора.

2) Вопрос права. Объекты в космосе – собственность запустившей их стороны. Даст ли, к примеру, согласие правительство России на то, чтобы американский спутник-уборщик производил какие-то действия с российским неработающим военным спутником? А правительство США? Риторический вопрос.

Конечно, хорошо, что в последнее время эта тема стала реально подыматься и обсуждаться и стали приниматься хоть какие-то базовые меры, но вряд ли кто-то может утверждать, что в обозримом будущем гарантированно удастся ли найти какие-то эффективные и дешевые способы очистки орбиты. Существует даже шутка, что инопланетяне не прилетают к нам в гости потому что каждая космическая цивилизация настолько быстро замусоривает свою орбиту, что приводит к невозможности какого-либо освоения космоса. Хотелось бы, чтобы это так и осталось шуткой.