Физика. Астрофизика и космические лучи

Магистр физики Айгумусова Д.С.

Инновационный Евразийский университет, Казахстан

Вариативность решений проблемы утилизации космического мусора

Человечество, начавшее писать историю покорения космоса с 1957 года после запуска первого искусственного спутника Земли, за 59 лет успело оставить после себя отчётливый след, в том числе и за пределами нашей планеты. Речь идёт о так называемом «космическом мусоре» — не представляющих уже былой научной ценности объектах искусственного происхождения, но выступающих реальной угрозой для действующих спутников и пилотируемых кораблей.

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 являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые. В некоторых случаях, крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные) 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 и транспортные коммуникации.

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. Было отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны.

Цель работы: рассмотреть само понятие космического мусора, представить и описать способы решения проблемы по утилизации орбитального мусора и выявить положительные и отрицательные стороны этих способов решений данной проблемы.

Актуальность задачи обеспечения безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства и снижения опасности для объектов на Земле при неконтролируемом вхождении космических объектов в плотные слои атмосферы и их падении на Землю стремительно растет. Так, некоторые учёные склоняются к мнению, что данный вопрос уже сейчас стоит, что называется, ребром: или человечество на данном этапе сумеет найти недорогой способ уничтожения бороздящих в невесомости обломков, или космический мусор в конечном итоге станет преградой на пути исследования планет Солнечной системы и других небесных тел.

Каждый год в атмосферу земли входит 100-150 тонн обломков. Самым примечательным случаем за последние годы стало столкновение германского и американского спутников, чьи обломки упали в Бенгальский залив в 2011 году. Астронавтам на орбите также не стоит расслабляться (привет «Гравитации»). В 2012 году МКС была переведена на более высокую орбиту для предотвращения столкновения с обломками от японского спутника.

Команда инженеров из Швейцарии работала в течение последних трех лет, чтобы разработать космический спутник-ассенизатор. Их цель - ликвидация угрозы, которую представляет орбитальный мусор.

Данная проблема не является новой - космос переполнен неработающими спутниками и отбрасываемыми ступенями ракет. Проект чистильщика под названием "CleanSpace", разрабатывается большой группой ученых лозаннского федерального политехнического центра Ecole, Центра космических исследований и обработки сигналов, швейцарского университета прикладных наук и искусств. Их целью является создание небольшого аппарата-ловушки для захвата сверхмалых спутников. Если быть точнее, швейцарских ученых интересует захват спутников собственного производства. Эти малые спутники Земли были запущены еще в конце 2009 года. Создание аппарата "CleanSpace" должно быть реализовано до 2018 года. Пока инженерная команда занимается разработкой самой важной составляющей чистильщика - системой захвата. Инженерам удалось выполнить техническую реализацию этой системы.

"CleanSpaceOne" представляет собой рабочий прототип, выполненный в виде закрытого конуса, который раскрывается для того, чтобы захватить мини-спутник, а затем захлопывается. Когда пойманный спутник попадает в ловушку - они оба (вместе с аппаратом) сжигаются в атмосфере.

Схожий способ очистки предложил доктор Кристен Гейтс (KristenGates) на конференции специалистов астродинамики. Он представил вниманию участников форума свое изобретение под названием GOLD (Gossamer Orbit Lowering Device). GOLD представляет собой шар, размером с футбольное поле. Оболочка шара сделана из тонких как паутина, но суперпрочных материалов. Его отправляют на орбиту в компактной упаковке, а затем крепят к мертвому спутнику. Шар надувают до максимальных размеров, своей огромной массой он увеличивает сопротивление воздуха. Это сопротивление обусловлено редкими молекулами газа, что парят на границе атмосферы. Шар сводит спутник с орбиты в сторону Земли, где он и сгорает в плотных слоях атмосферы.

Это занимает очень небольшое количество газа, чтобы раздуть его в почти совершенном вакууме космоса. Система функционирует, даже если будет проколотым много раз малыми объектами космического мусора и крошечными метеорными телами. Несмотря на эти небольшие отверстия, общая скорость утечки будет очень мала. Надувная система с легкостью не будет отставать с утечкой. В очень редких случаях, когда большой объект попадает на очень тонкую оболочку, это не будет причиной того, что этот объект распадется на несколько мелких фрагментов. Таким образом, сама система GOLD не может сделать среду космического мусора хуже, чем может быть в случае с некоторыми альтернативными концептами сведения с орбиты, которые могут нести высокую опасность из-за столкновений с действующими спутниками.

В заключении, система GOLD имеет малый риск отключения других действующих спутников и более низкий риск создания больших фрагментов мусора. Кроме того, система GOLD не требует рабочий спутник, чтобы обеспечить стабилизацию позиции или мощности как с двигательной установки сведения с орбиты. GOLD может быть интегрирован в спутник до начала запуска, или пристыкован к заброшенным спутникам роботами чтобы активно начать сведение мусора с орбиты с наиболее важных орбитальных регионов. Такая система может помогать частным, коммерческим и военным операторам космических спутников при выполнении своих обязательств, чтобы смягчить растущую проблему космического мусора экономически эффективным и низким риском способом.

Система GOLD имеет несколько преимуществ, по сравнению с аппаратами CleanSpace: она дешева и перед запуском может быть встроена в последнюю ступень ракеты-носителя, так что она никогда не превратится в космический мусор.

Однако такой способ имеет свои недостатки. Во - первых, он сможет работать только на высоте около 1500 км, хотя этот участок и является наиболее загруженным космическим мусором. Во - вторых, шар может увеличить вероятность столкновения, хотя и кратковременно. Авторы идеи утверждают, что такой риск минимален, он не сопоставим с опасностью спутника, задерживающегося на орбите на долгие десятилетия.

Специалисты НАСА предложили новый, более оптимальный вариант предотвращения столкновения с мусором. Для этого необходимо корректировать не траекторию движения космического аппарата, а самого мусора, оказав воздействие на него лучом наземного лазера.

Лазерная установка, довольно скромных габаритов и не очень большой мощности должна работать в паре с наземными телескопами и радарами, следящими за потенциально опасными частями космического мусора. При обнаружении угрозы столкновения, лазер, расположенный близ одного полюсов Земли, руководствуясь данными наземного целеуказания, начал бы "стрельбу" в импульсном режиме по летающим в космосе обломкам. Конечно, мощности лазера недостаточно для того, что бы просто взорвать эти обломки, да и расстояние до них достаточно велико. Но длительное воздействие, в течение часа или двух, вполне может передвинуть обломки на безопасную траекторию.

Предполагаемая мощность полярного лазера составляет всего 5 киловатт, такой мощности вполне хватит, что бы столкнуть с орбиты до 10 объектов в сутки. Джеймс Мэйсон (James Mason) и его коллеги из Исследовательского центра Эймса НАСА, являющиеся авторами этой идеи, утверждают, что для практической реализации лазерной системы потребуется не так уж и много дополнительных исследований, все технологии, которые планируется использовать, достаточно известны в настоящее время. Использование лазерной системы для удаления космического мусора имеет ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, кроме фотонов света в космос ничего не отправляется, таким образом, не происходит дальнейшего накопления мусора на орбите. И во-вторых, реализация такой наземной системы обойдется на несколько порядков дешевле, чем дорогостоящий запуск в космос специального оборудования.

Стоит отметить, что у военных различных стран давно уже имеются лазерные системы, способные поражать и разрушать цели в космосе. Почему бы не использовать этот же принцип и для очистки космоса от мусора? Но мощный наземный лазер, способный на это, способен так же поразить и космические стратегические объекты, являющиеся далеко не космическим мусором. И, именно поэтому, развертывание таких систем принципиально невозможно в связи с политическими причинами.

Какой бы способ ни был выбран в будущем, одно, несомненно: замусоривание ближайшего космического пространства обойдётся нам очень дорого. Если мы хотим, по-прежнему, иметь возможность выходить за пределы своей планеты, иметь современные спутниковые средства связи для проведения наблюдений и исследований, то нам необходимо уже сейчас начать изучать возможные способы избавления от орбитального мусора.

С каждым годом растет количество космического мусора на орбите Земли, следовательно, появляются всё больше свежих и хороших идей по утилизации космического мусора. Однако, многие из них теоретически недостаточно эффективны, другие стоят довольно дорого, а некоторые идеи не могут быть реализованы на данном технологическом этапе развития человечества.

По причине того, что экономически и технически приемлемых способов утилизации космического мусора на данный момент не существует, основное внимание будет уделяться мерам контроля за образованием мусора. К ним относятся: увод космических аппаратов, отработавших свое время на орбиты захоронения, предотвращение орбитальных взрывов, которые сопутствуют полету технологических элементов, использование способа торможения об атмосферу и другие. Однако, большинство мер, направленных на уменьшение засорения космоса, так или иначе затрагивают вопросы создания конкурентоспособной космической техники, что влечет за собой значительные траты. Это проекты модернизации перспективной космической техники, общие стандарты и нормативы, которые нужно принимать на глобальной основе и очень взвешенно.