Космический мусор: как очистить орбиту?

В 1964 году Станислав Лем опубликовал юмористический рассказ «Спасём космос», где один из его постоянных героев, отважный исследователь космоса Ийон Тихий, жаловался на непредвиденные последствия космической экспансии и бездумного туризма.С момента написания рассказа минуло много лет. Человечество не достигло звёзд, влюблённые парочки не совершают круизы в пояс астероидов и не вырезают на их поверхности свои имена, а пространство за Сириусом всё ещё не забито рекламой. Но один из пассажей текста получился на удивление похожим на реальность.

Профессор Брукки из обсерватории недавно жаловался на слабеющий блеск обеих звёзд Центавра. А как же ему не слабеть, если вся окрестность забита мусором! Вокруг самой крупной планеты Сириуса, настоящей жемчужины этой планетной системы, возникло кольцо наподобие колец Сатурна, но состоящее из пустых пивных и лимонадных бутылок. Космонавт, летящий этой дорогой, вынужден обходить не только тучи метеоритов, но и консервные банки, яичную скорлупу и старые газеты.
Кое-где из-за этого хлама не видно звёзд. Астрофизики не один уже год ломают голову, пытаясь найти причину столь заметных различий в количестве космической пыли в разных галактиках. А дело, я думаю, просто: чем выше цивилизация, тем больше намусорено, отсюда вся эта пыль, сор и хлам.

Вряд ли те, кто читал этот рассказ полвека тому назад, могли представить, что такое мусорное кольцо начнёт формироваться на самом деле. И не у далёкого Сириуса, а вокруг нашей родной планеты.

Garbage day!

4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли, и человечество чуточку приблизилось к звёздам. В те дни все люди мира пытались разглядеть в небе «Спутник» и видели  крошечную светящуюся точку. Вот только это был не «Спутник», слишком маленький, чтобы увидеть его невооружённым глазом. Эта точка была второй ступенью ракеты-носителя Р-7, доставившей его на орбиту. Она стала первым в истории космическим мусором.За последующие годы было произведено около пяти тысяч запусков, которые вывели на орбиту почти 6600 спутников. Из них 3600 всё ещё находятся в космосе, и лишь 1000 из них — действующие. Уже в конце пятидесятых учёные стали задумываться над тем, что отработавшие своё старые спутники рано или поздно начнут мешать новым.

К сожалению, космический мусор не ограничивается лишь старыми спутниками и отработанными ступенями ракет. Сейчас системы космической разведки отслеживают на земной орбите порядка двадцати тысяч объектов, чья суммарная масса составляет от 5 до 10 тысяч тонн. И это лишь верхушка айсберга. Как сообщает Европейское космическое агентство, на орбите находится 45 тысяч объектов диаметром свыше 5 сантиметров. Что до тел поменьше, то в небе над нами летают сотни тысяч обломков диаметром от 1 до 5 сантиметров и миллионы совсем мелких осколков.

Откуда берётся мусор

Живи мы во вселенной «Звёздных войн», всё было бы ясно. Разбитые космические корабли и части истребителей — обычное дело в далёкой галактике. Можно представить, как после очередного крупного сражения все работники, не занятые на строительстве очередной Звезды смерти, отправляются на рутинную расчистку космического пространства. Да ещё на чём свет стоит костерят Империю и Повстанцев, за которыми им приходится убирать.В нашей же галактике космический хлам появляется куда более банальными путями. Вывод на орбиту любого спутника сопровождается образованием массы технологического мусора: в околоземное пространство попадают предметы вроде взрывных болтов, временного крепежа, элементов защитного покрытия.Кроме того, в космосе остаются набравшие первую космическую скорость ступени ракет и разгонные блоки. В их баках часто есть неотработанное топливо, которое весьма летуче и легко превращается в пар, что иногда приводит к мощным взрывам. Не раз бывали случаи, когда после нескольких лет пребывания в космосе использованные ступени ракет неожиданно взрывались, разбрасывая вокруг себя шрапнель из мелких осколков. За последние годы в околоземном пространстве было отмечено порядка двухсот подобных взрывов. Только один взрыв ступени индийской ракеты стал причиной образования сразу 300 крупных обломков.Человечество мусорит не только на орбите родной планеты. Как вы думаете, что сделал Нил Армстронг, когда впервые открыл двери лунного модуля? Он выбросил из кабины пакет с мусором. Лишь затем он спустился на лунную поверхность и произнёс свою знаменитую фразу.

А есть ещё и мелкие объекты. Во время работы твёрдотопливного двигателя из его сопла выбрасывается множество пылевидных частиц размерами до 10 мкм. Ещё один вид микроскопического мусора — кусочки краски и защитного покрытия, отвалившиеся от обшивки земной техники. И с каждым годом ситуация усугубляется: чем больше стран и компаний осваивают космос, тем больше мусора остаётся на орбите. За последние годы произошло два резонансных инцидента, связанных с загрязнением космоса.Первым стало печально известное испытание китайской противоспутниковой ракеты в 2007 году. СССР и США испытывали подобное оружие и раньше, но тогда обломков было куда меньше, и они быстро сгорали в атмосфере — ведь цели находились на относительно небольшой высоте. Китайцы же уничтожили спутник, который находится на полярной орбите высотой более 800 километров. В результате в окрестностях Земли появилось свыше двух тысяч обломков и, по некоторым данным, до 150 000 мелких частиц. 97% процентов этого мусора всё ещё на орбите и будет висеть над планетой не одну сотню лет.Кстати, год спустя США уничтожили неисправный спутник-шпион USA-193, на борту которого оставалось около полутонны ядовитого топлива. Однако спутник находился на низкой орбите, и большинство осколков сгорело в атмосфере.

Вторым инцидентом стало столкновение выведенного из эксплуатации в 1995 году спутника «Космос-2251» и действующего спутника Iridium 33, которое произошло 10 февраля 2009 года. Это первый в истории случай, когда столкнулись два космических аппарата. В результате образовалось 2000 обломков — и это только крупные, которые удалось отследить.Только два этих инцидента более чем на треть увеличили число обломков на орбите. Сейчас количество мусора растёт весьма быстро (примерно на 5% в год), и новые масштабные столкновения неизбежны.

Чем опасен мусор

В фильме «Гравитация» (2013) режиссёра Альфонсо Куарона наглядно показано, что может натворить космический мусор. Стремительно несущиеся в безвоздушном пространстве осколки, которые практически невозможно заметить, прошивают всё на своём пути, от человеческих тел и до космических станций. Несколько секунд — и конструкция, на создание которой ушли десятки лет и миллиарды долларов, превращается в бесполезное решето.Фильм, конечно, фантастический, но такое возможно и в действительности. Дело в том, что тела, находящиеся на земной орбите, движутся по ней с первой космической скоростью — почти 8 километров в секунду. Для сравнения: пуля из автомата Калашникова покидает ствол со скоростью порядка 1 километра в секунду, а потом замедляется за счёт сопротивления воздуха — в отличие от обломков в вакууме. Даже маленький обломок при попадании в спутник способен нанести ему серьёзный ущерб. Так, в 2006 году неожиданно пропала связь с российским телекоммуникационным спутником «Экспресс-AM11». Удар микрочастицы мусора повредил систему терморегулирования, спутник быстро перегрелся и вышел из строя.

А теперь представьте, что может случиться, если обломок попадёт в пилотируемый космический корабль или орбитальную станцию. На поверхности шаттлов и корпусе МКС не раз обнаруживали отметины от столкновений с мусором. В 1983 году маленькая песчинка (менее 1 миллиметра в диаметре) оставила серьёзную трещину на лобовом стекле шаттла «Челленджер». В другом случае мусор пробил насквозь радиаторную панель шаттла «Индевор». За последние годы манёвры уклонения от обломков стали для экипажей МКС привычной рутиной.

Среди космического мусора встречаются и радиоактивные объекты. В своё время СССР запустил в космос большую серию спутников морской разведки «УС-А». Каждый аппарат был оснащён ядерным реактором с 30 килограммами обогащённого урана-235. Всего было запущено 33 аппарата, из которых несколько уже «вернулось» на Землю. Один из них, «Космос-954», в 1978 году упал на территории Канады. Обломки спутника вызвали радиоактивное заражение местности (к счастью, малонаселённой), что привело к большому международному скандалу. Остальные аппараты перевели на орбиту захоронения высотой 700-1000 километров, где они предположительно смогут оставаться от 250 до 2000 лет. Немаленький срок, но всё же настанет время, когда нашим потомкам придётся что-то решать.Известно также, что системы охлаждения некоторых спутников дали течь, из-за чего на орбиту попали тысячи капель натрий-калиевого охладителя, которые теперь тоже вращаются вокруг Земли. Они, в отличие от реакторов спутников, не представляют опасности для планеты, но могут повредить космические аппараты.

Эффект Кесслера

Эффектом Кесслера называют пугающий сценарий, при котором столкновение двух крупных объектов приведёт к появлению массы новых осколков. Каждый из этих осколков может, в свою очередь, столкнуться с другим мусором, что вызовет цепную реакцию. Если поражённых спутников окажется много, лавинообразно возникающие осколки могут на несколько сотен лет сделать околоземное пространство совершенно непригодным для полётов. Такой сценарий был описан специалистом NASA Дональдом Кесслером.Известно, что в 2012 году была потеряна связь с восьмитонным спутником «Энвисат». Он находится на орбите, высота которой составляет 785 километров, и просуществует там ещё около 150 лет. Каждый год «Энвисат» дважды пролетает на расстоянии 200 метров от нескольких обломков — и велики шансы, что рано или поздно их пути пересекутся. Многие специалисты считают, что подобное столкновение запустит цепную реакцию, и тогда сценарий Кесслера может стать реальностью.

Космические чистильщики

То, что орбита нуждается в срочной очистке, признают уже все. Даже если человечество прекратит все космические запуски, количество мусора на орбите всё равно будет расти — за счёт столкновений между уже запущенными аппаратами. Выход только один: хорошенько убрать за собой.Пока это удаётся только в фантастике. В романе «Фонтаны рая» Артура Кларка строительство грандиозного космического лифта потребовало от человечества основательной чистки орбиты. Поскольку люди достигли больших успехов в покорении космоса, это не становится большой проблемой — с помощью лазеров инженеры быстро устраняют препятствия. В процессе чистки мусорщики даже делают несколько археологических открытий и находят старый космический корабль.В известном аниме Planetes («Странники») в каждой компании, которая работает в космосе, должен быть отдел по расчистке мусора. Именно этой весьма опасной и не слишком престижной работой занимаются главные герои сериала.Но это всё фантастика, вымысел — а что насчёт реальности?

Герои «Странников» чистят орбиту от мусора. И относятся к ним как к мусорщикам.Объекты, находящиеся на низких орбитах (до 400 километров), через несколько лет сгорают в атмосфере. И если бы весь мусор находился именно там, не было бы особой проблемы — природа бы сама убирала за нами. Но беда в том, что большая часть мусора находится гораздо выше. Осколки могут висеть там столетия, тысячелетия, а на геостационарной орбите — и миллионы лет.Различные организации по борьбе с космическим мусором создавались как при правительствах космических держав, так и на международном уровне, но особого прогресса их работа не принесла. Сейчас проблемой мусора занимается Комитет по использованию космического пространства в мирных целях при ООН, а также Координационный комитет по космическому мусору, созданный несколькими национальными космическими агентствами.Рассматривают различные методы борьбы с загрязнением орбиты. Одни предлагают усиливать защиту космических аппаратов от ударов мелких частиц, другие — тщательнее контролировать запуски, третьи — закладывать на спутники дополнительное топливо, чтобы их можно было свести с орбиты. Эти меры могут замедлить засорение космоса или спасти корабли, но всё же не решают проблемы. Единственный способ разобраться с космическим мусором — удалить обломки с орбиты.

Например, можно создать гигантскую сферу из сверхлёгкого пористого материала (аэрогеля), которая будет принимать на себя удары мелких частиц мусора и ловить их или, по крайней мере, замедлять. Или большую электродинамическую сеть, которая будет замедлять куски мусора, из-за чего они гораздо быстрее будут падать на Землю, сгорая в атмосфере. Или космического охотника, который будет захватывать обломки с помощью сетей или гарпуна. Не исключено также использование лазеров для сжигания мусора, однако тут придётся обойти международные соглашения, запрещающие вывод оружия на орбиту.Плохая новость в том, что все эти технологии существуют лишь на бумаге. Но процесс все же понемногу сдвигается с мёртвой точки. Уже в ближайшие годы пройдут первые эксперименты по отработке некоторых из упомянутых технологий. Лишь бы за это время человечество не загадило орбиту окончательно.

Археология космоса

Некоторые историки уже сейчас заявляют, что не стоит бездумно уничтожать весь космический мусор: он может представлять значительный интерес для археологов, которые в будущем обязательно доберутся и до орбиты.В 1980-е NASA пожертвовало космический зонд ISEE-3 Национальному музею авиации и космонавтики. Планировалось, что в 2014 году, когда аппарат сблизится с Землёй, он будет переведён на земную орбиту, после чего подобран шаттлом и доставлен домой. Но позже от этого плана пришлось отказаться: доставка грузов с орбиты оказалась более дорогим удовольствием, чем когда-то считалось, да и сами шаттлы перестали летать. И всё же возможно, что в отдалённом будущем некоторые старые спутники будут выставлены в музеях.

***

Если верить одному из шутливых объяснений парадокса Ферми («если внеземная жизнь действительно существует, почему инопланетяне до сих пор не прилетели к нам?»), любая техногенная цивилизация так быстро засоряет орбиту родной планеты, что это делает невозможным любые дальнейшие космические полёты. Будем надеяться, что в случае с нашей планетой это так и останется шуткой.