2 ноября 2020 года на Хабре вышел отличный пост уважаемого Филиппа Терехова @lozga, рассказывавший о синдроме Кесслера. Так называется ситуация на околоземных орбитах, когда вокруг нашей планеты скапливается слишком большое количество работающих и неработающих искусственных спутников, а также космического мусора. В результате возникают первые столкновения спутников, эти аппараты разлетаются на множество обломков, которые, в свою очередь, провоцируют новые подобные столкновения, выводят из строя другие работоспособные спутники, а также могут изрешетить МКС. Данная ситуация была впервые подробно описана в 1978 году сотрудником NASA Дональдом Кесслером – тогда еще как полностью гипотетическая. Но в наше время свободные трассы в космосе быстро заканчиваются, и первое проявление синдрома Кесслера было зафиксировано в 2009 году, когда на орбите над Таймыром столкнулись нерабочий российский спутник «Космос-2251» и американский метеорологический спутник «Iridium-33». Оба аппарата полностью разрушились (вес российского составлял 900 кг, а вес американского – 689 кг), от них осталось около 600 обломков.
Более того, еще в 2007 году Китай впервые успешно испытал противоспутниковое оружие, сбив собственный метеорологический спутник Fengyun-1C прямым попаданием ракеты. В результате образовалось более 2800 крупных фрагментов, которые так и продолжают находиться в опасной близости от МКС и других спутников. Например, 15 ноября 2021 года российские космонавты Антон Шкаплеров и Петр Дубров и американский астронавт Марк Ванде Хай были вынуждены укрыться в модуле «Союз-19» и подготовиться к эвакуации. Да, МКС разминулась с обломком в штатном режиме (в результате этого маневра ее орбита поднялась примерно на 1,2 км).
Я уже несколько раз собирался затронуть в блоге эту тему, но откладывал, так как на Хабре то и дело появляются хорошие публикации, в которых разобраны последствия таких столкновений для космонавтики и в принципе для дальнейшего вывода космических аппаратов на орбиту. Но, как ни странно, в большинстве таких публикаций синдром Кесслера и замусоривание космоса трактуется как неизбежное и практически стихийное зло. Я же в этой статье попытаюсь затронуть положительную сторону такого изобилия металла на орбите и обрисовать возможности переработки и вторичного использования ИСЗ, отслуживших отведенный им срок.
Распределение спутников на орбитах
Большинство спутников сегодня распределено по двум основным орбитам. Низкая околоземная орбита (НОO) занимает высоты примерно с 200 до 1 000 км над Землей. Именно здесь находится Международная космическая станция, совершающая один оборот вокруг планеты за полтора часа, а также тысячи различных спутников. На высоте 36 000 километров силы, воздействующие на спутники, позволяют им не сходить с орбиты, на которую они были выведены. Этот регион называется «Геостационарная орбита». Спутники, находящиеся здесь, словно зависают над определенной точкой Земли, благодаря чему их удобно использовать, например, для прогнозирования погоды и для обеспечения телекоммуникации.
Спутники на НОО расположены очень кучно, и существует риск, что какие-то из них могут столкнуться, рассыпавшись дождем осколков. Зона разброса таких осколков будет настолько велика, что захлестнет и другие спутники, спровоцировав каскадный выход все новых спутников из строя. Эта цепная реакция может привести к тому, что всю низкую околоземную орбиту окутает облако космического мусора, и пользоваться ею станет невозможно. На НОО уже сейчас полно мусора, но в самое последнее время начата разработка технологий, которые позволили бы этот мусор утилизировать и перерабатывать.
А на геостационарной орбите все сложнее.
Когда заканчивается срок службы спутника, выведенного на геостационарную орбиту, его владельцы пытаются перевести его на более высокую орбиту захоронения, будучи на которой, спутник успевает на 300-400 километров отдалиться от согласованной на международном уровне защищаемой зоны. Но только около 80% всех спутников, отслуживших свое, благополучно переходят с геостационарной орбиты на орбиту захоронения. Остальные 20% требуется как можно скорее оттуда вывести искусственно. Более того, сейчас это «кладбище» напоминает просто свалкой, за которой никто не смотрит. На орбите захоронения фиксируются вспышки, которые могут свидетельствовать либо об эпизодических столкновениях спутников в том регионе, либо о взрывах самих спутников – ведь на многих из них сохраняются остатки топлива, а также деградировавшие батареи. В результате таких событий обломки этих спутников могут падать обратно на геостационарную орбиту, провоцируя совершенно непредвиденные столкновения с рабочими спутниками.
Рабочих спутников на орбите также хватает – по состоянию на начало ноября их примерно 4700.
О составе космического мусора
Космический мусор определяется как «антропогенные объекты, находящиеся в космосе и более нефункциональные из-за распада, схода с заданной орбиты, взрыва или столкновения с другими спутниками». Как и любые обломки, такие нерабочие спутники продолжают дробиться и рассеиваться в пространстве, из-за чего угрожают не только другим спутникам, но и МКС.
Здесь оговоримся, что в космический мусор превращаются не только отработанные блоки или их обломки, но и вообще любые отходы, остающиеся от человеческой деятельности на орбите. Космический мусор – это и ракетная ступень, не сгоревшая в атмосфере, и остаток невыработанного топлива, и даже любая капля краски, превратившаяся в миниатюрный искусственный спутник в результате коррозии. Абсолютное большинство таких мусорных частиц находится именно на низкой околоземной орбите и имеет менее 1 см в диаметре. Космический мусор сосредоточен в приполярных областях, наибольшей плотности достигает на высотах от 750 до 800 км, при этом практически весь он находится на высоте до 2000 км.
800-километровая орбита является предпочтительной, поскольку выводить спутники на нее сравнительно дешево, а еще там действует остаточное сопротивление атмосферы, посредством которого планета «подтягивает» за собой аппарат – и это позволяет снизить расход топлива. Кстати, Fengyun-1C находился на 865-километровй орбите. Правда, тот же самый эффект не дает сходить с орбиты не только спутникам, но и космическому мусору – а значит, мусор там останется еще надолго.
По оценке Сети космического наблюдения США, в настоящее время на околоземной орбите присутствует более 10 000 частиц космического мусора размером более 10 см – наряду с тысячами функционирующих спутников. Вдобавок на орбите находится более 500 000 фрагментов с размерами от 1 до 10 см, также способных нанести непоправимый вред, и более 100 миллионов частиц размером от 1 мм до 1 см. Такая мелочь также может быть опасна – например, ее энергии вполне хватит, чтобы пробить топливный бак рабочего спутника. При этом космический мусор размером более 10 см тщательно отслеживается с помощью как радиолокационных средств, так и средств оптического наблюдения – а более мелкий мусор практически не контролируется.
Складывается весьма специфическая ситуация. Крупнейшим искусственным спутником Земли является МКС (или может стать другая космическая станция, которая придет ей на смену). Именно МКС и угрожает комический мусор, поэтому в первую очередь требуется очистить от мусора низкую околоземную орбиту. Но, вместо того, чтобы выводить отработанные спутники на такие орбиты, которые приведут их к сгоранию в атмосфере, можно было бы отлавливать их и использовать для ремонта и реконструкции МКС. Отработанный спутник содержит не только остатки горючего, но и высококачественную оптику, солнечные панели, алюминий, другие цветные металлы. Более того, разлагая компоненты спутника путем электролиза, можно было бы непосредственно получать из него горючее. Ниже рассмотрим, какие подобные проекты сейчас планируются.
Сбор космического мусора
Частная японская компания Astroscale Inc. уже разработала модель космического корабля, предназначенную для уборки космического мусора. В данном случае уборка сводится именно к утилизации: аппарат Astroscale стаскивает спутник на такую орбиту, следуя по которой, тот постепенно достигнет атмосферы и сгорит в ней. Компания планирует ввести в эксплуатацию первый коммерческий космический мусоровоз в 2024 году, а в марте 2021 провела первый пробный запуск подобного аппарата: космический мусор удалось успешно зафиксировать методом магнитного захвата. Флагманский проект Astroscale называется «ELSA» («обслуживание финальных стадий эксплуатации от Astroscale»). Прототип ELSA-d (d-демонстрационный) состоял из пары спутников: chaser (преследующий) и target (цель). «Цель» выполняла роль того фрагмента мусора, который необходимо захватить, а «преследующий» был оснащен магнитной стыковочной панелью, к которой прикреплялась «цель».
Всего было осуществлено четыре таких захвата. Тем не менее, аппарат ELSA не позволит коренным образом исправить ситуацию: этот аппарат может захватывать объекты весом не более тонны (в соответствии с мощностью установленных на нем магнитов). Но наиболее опасная категория космического мусора – это разгонные ступени ракет, оставшиеся на орбите со времен конца 90-х и начала 2000-х. Мало того, что они очень крупные и весят примерно по 10 тонн каждая; к тому же сложно прогнозировать их скорости, траектории и положения, поэтому до их сбора и тем более переработки пока еще далеко. Кроме того, даже устремившись в атмосферу такой крупный блок может не сгореть целиком. Но технически возможно конструировать более крупные аналоги ELSA или создавать сети подобных устройств, поэтому технология кажется перспективной.
Компания Nanoracks ранее специализировалась на доставке грузов на МКС, а в 2020 году впервые заявила о планах заняться переработкой отработанных ступеней ракет. Учитывая размеры этих мусорных фрагментов, их действительно было бы выгоднее использовать на орбите в качестве вторсырья, а не сносить к атмосфере для сжигания. Компания Nanoracks запускает проект «Outpost», в рамках которого планируется вывести на орбиту флот роботов-дронов. Такие космические дроны займутся переоборудованием ракетных ступеней в орбитальные лаборатории, теплицы, склады топлива и, возможно, жилые блоки.
Джеффри Мэнбер, CEO компании Nanoracks, более чем оптимистично оценивает инженерные качества этих отработанных разгонных ступеней. Действительно, они проектировались с расчетом на сильнейшие перегрузки при запуске, выдерживают работу в вакууме, справляясь с сильным внутренним давлением. Серьезный минус – остатки токсичного и взрывоопасного топлива, которое из этих блоков потребовалось бы тщательно удалить, но после этого такие ступени были бы исключительно долговечны и вполне безопасны.
При этом уже имеется реальный инженерный опыт, близкий к подобной технологии: с 1993 по 2009 год астронавты NASA несколько раз выполняли техобслуживание телескопа «Хаббл», ремонтировали его элементы и устанавливали новые детали.
На первых этапах реализации Outposts планируется сосредоточиться на сравнительно простых операциях, без проникновения внутрь разгонного блока: прикреплять к нему полезную нагрузку, силовые модули, двигатели, способные скорректировать его курс. Одна из первых целей Outpost – продемонстрировать, что движение отработанной ракетной ступени можно контролировать, обвешав ее множеством мелких роботов, которые, например, могли бы двигать ее по орбите вверх и вниз.
Переработка космического мусора
Пока не существует технически приемлемого и при этом выгодного метода промышленной переработки космического мусора, поскольку частицы мусора движутся со слишком высокой скоростью и в непредсказуемых направлениях. Сначала такое сырье нужно собирать и доставлять в орбитальную лабораторию, для чего предлагалось использовать, например «магнитную космическую метлу с переменной скоростью вращения», либо применять «космический пастух с использованием ионных пучков» (Ion-Beam Shepherd), отклоняющий мусор в требуемом направлении. Как только обломок потеряет скорость, его можно опутать (точнее, облепить) специальной пенной сетью, проектированием которой сейчас занимается российский стартап StartRocket – после чего переходить к сортировке улова.
Сортировка
Поскольку космический мусор отличается неправильной формой и сложным металлическим составом, сортировка должна идти с применением оптических методов – камер и лазеров – направленных на извлечение цветных металлов, прежде всего, алюминия и магния. Такие методы уже опробованы при сортировке руд.
Плавка
На данном этапе отсортированные металлы поступают в электрическую индукционную печь с регулируемой температурой, которая доводится до температуры плавления загруженного в печь металла. Во время фазового перехода композитного мусора должны выделяться газы, которые также можно отводить в емкости для дальнейшего использования в аэрокосмических двигателях, в частности, для корректировки орбитального положения самой лаборатории.
Потенциальное практическое применение технологии
В дальнейшем мелкий алюминиевый порошок может послужить возобновляемым горючим как для такой лаборатории, так и для других космических аппаратов. Подобная космическая лаборатория могла бы послужить отличной платформой не только для вторичного извлечения алюминия из мусора, но и для получения кремнийсодержащего порошка, который мог бы послужить основой для грунта и для выращивания растений прямо на МКС. Сам процесс захвата мусора при помощи упоминавшейся выше пенной сети мог бы генерировать энергию (например, по принципу пьезоэлектрического эффекта). Электрическая индукционная печь теоретически позволяет получать из каждого килограмма алюминия 960-980 граммов алюминиевого порошка, потенциально пригодного в качестве горючего. Более того, описанные приемы сортировки и плавки космического мусора (состав мусора известен, соответственно, можно легко предвосхищать желаемые результаты такой работы) в дальнейшем можно адаптировать к ловле и переработке сначала метеоритов, а затем и небольших астероидов со значительно более сложным и непредсказуемым минеральным составом.
Заключение
Полагаю, описанные наработки в ближайшее время могут стать не просто актуальными, а жизненно необходимыми – ведь в обозримом будущем на орбите может полноценно заработать сеть спутникового Интернета Starlink. 12 000 новых спутников будут выведены именно на низкую околоземную орбиту. В результате не только значительно возрастет вероятность их столкновения друг с другом, с иными спутниками или МКС – более того, управление таким флотом потребует постоянной коррекции орбит этих спутников, потребует планового ремонта и контролируемого вывода этих аппаратов из строя. Пока рано говорить о том, что подобная титаническая работа потребует вывести на орбиту специальную ремонтную космическую станцию, на которой производилась бы вся подобная техподдержка. Но мы будем вынуждены навести порядок на орбите, и лучше как можно быстрее сориентироваться, какими технологиями можно было бы его обеспечить.
