Чистый космос. Перспективные технологии по уборке космического мусора

АС
Андрей Сорокин, редактор журнала

Сегодня во всем мире наблюдается рост количества запусков космических спутников, возникновение различных стартапов, как государственных, так и частных (прошлый год стал рекордным — 144 запуска, 133 успешных). Неизбежным спутником новой космической гонки станет увеличение количества мусора на околоземной орбите. Космическим мусором принято считать «антропогенные объекты, находящиеся в космосе и более нефункциональные из-за распада, схода с заданной орбиты, взрыва или столкновения с другими спутниками», которые находятся на расстоянии от 100 до 1000 км над поверхностью Земли. 

По идее страна, поместившая объект на орбите, должна его за собой убрать после окончания срока его эксплуатации. Увы, это лишь теория, а на практике сегодня на орбите летает более 20 тысяч объектов размером более 10 см. (Из них около 4 тыс. — функционирующие космические аппараты). По состоянию на 2021 год на мусор приходилось 75% от общего числа фрагментов на орбите, в результате сегодня околоземная орбита выглядит примерно так

К сожалению, не существует международного регламента по обращению со спутниками в космосе. Страны руководствуются своей собственной политикой, и в результате отсутствия координации нет единого понимания (что уже говорить о плане) по управлению космическим мусором. Наиболее прогрессивные государства и организации утверждают программы по его изучению и только начинают воплощать некоторые проекты в жизнь. 

Так, в декабре 2019 года Европейское космическое агентство объявило о подготовке первой в истории очистительной миссии, названной ClearSpace-1. Оно планирует в 2025 году запустить многорукого робота, который будет сгребать остатки старых европейских ракет. Стоимость миссии оценивается в $130 млн. Мусор и робот-мусоросборщик будут самоуничтожаться при входе в земную атмосферу. В 2020 году стартовал японский проект Astroscale, нацеленный на магнитный захват мусора.

Сегодня существует множество запатентованных технологий, которые позволят (теоретически) очистить орбиту для новых космических аппаратов. Их можно разделить на несколько основных категорий, в рамках которых мы попробуем рассмотреть наиболее характерных представителей.

Захват на месте

Не так давно (по космическим меркам) «Роскосмос» запатентовал устройство для сбора мусора на орбите. Оно представляет собой сеть с крупными ячейками конической формы на раздвижной рамке. Устройство оснащено маневровыми двигателями и крепится к космическому кораблю тросом. Когда «сачок» покрывает космический мусор со всех сторон, рамка сжимается и объект оказывается в «мешке». Таким образом, можно ловить мусор и буксировать его для дальнейшего сожжения в плотных слоях атмосферы. Изобретатели утверждают, что спутник с таким «сачком» может удалять мусор автоматически, то есть без участия наземных служб.

Вариантом этого аппарата является разработанный в 2019 году холдингом «Российские космические системы» сачок, изготовленный из титановой сетки, которая также с помощью системы тросов собирает мусор. Он затем утрамбовывается и далее перерабатывается до состояния мелкодисперсного порошка. Автор запатентованного устройства, инженер-исследователь РКС Мария Баркова, отмечает, что его затем можно превращать в псевдожидкое топливо.

Более агрессивный вариант аппарата можно увидеть в британском проекте RemoveDEBRIS, который разрабатывает компания Surrey Satellite Technology совместно с Университетом Суррея. Здесь гарпун будет способен пробивать корпус космического аппарата.   

Концепт проекта RemoveDEBRIS. Источник: flickr.

В 2018 году проект RemoveDEBRIS продемонстрировал возможность использования сети для захвата объектов — с борта МКС был произведён испытательный выстрел гарпуном по имитатору цели. Предполагается, что RemoveDEBRIS сможет последовательно собирать несколько объектов и сводить их с орбиты, сгорая вместе с ними в атмосфере.

Перемещение на низкую орбиту

Увод мусора с орбиты предпочтительнее, поскольку не подразумевает дорогостоящих систем переработки или хранения на более высоких орбитах. Инженеры ратуют за минимизацию затрат путем подталкивания обломков в нижние, более плотные слои атмосферы. 

Для этого можно также использовать космический парус, разработка которого ведется уже несколько десятков лет — некоторые патентные заявки датируются 80-ми годами прошлого века. Проектов, связанных с ним довольно много, а из последних стоит упомянуть прототип уборщика CubeSats, разработанного студентами Университета Аэронавтики Эмбри Риддл (США). В его устройстве задействован компактный роботизированный манипулятор для захвата свободно плавающих объектов на расстоянии около 10 сантиметров. Благодаря развертываемому космическому парусу аппарат не нуждается в топливе и может находиться на орбите до тех пор, пока функционирует аппаратура. Еще одним отличием от других проектов подобного типа является то, что прототип разработан с использованием уже готовых технологий и может стать функциональной моделью через пять лет.  

Еще один метод затормаживания — утяжеление объекта. Такая технология задействована, например, в патенте 2013 года на «систему и метод уменьшения количества орбитального мусора» за авторством Ричарда Райта, инженера компании Raytheon Technologies. Технология представляет собой специальную пену, способную расширяться в несколько сот раз. Благодаря этому, объект, на который она наносится, значительно увеличивается в поперечном сечении, его скорость замедляется и орбита понижается.

Такой перехватчик мусора, как говорится в описании, может состоять из волокон, формируемых на месте из материала, подаваемого на космический аппарат. Волокна формируются методом экструзии, при этом для нагрева материала, находящегося на космическом аппарате могут служить зеркала для фокусировки солнечного света.  

Еще одним способом «схода с орбиты» является система Gossamer Orbit Lowering Device (GOLD) авторства Керри Нока (сотоварищи) из Global Aerospace Corporation. Она представляет собой надувающийся шар. Патент (US 6,830,222) описывает инновационную концепцию как сверхлегкую и тонкую надувную оболочку, способствующую снижению баллистического коэффициента объекта на два порядка. Система позволяет производить контролируемое развертывание, управление наддувом и поддержанием давления, предоставляет защиту оболочки от ультрафиолета и атомарного кислорода. Авторы утверждают, что ее преимущества в том, что она требует малой мощности, не массивна, функционирует автономно, ее можно установить на аппараты, запускаемые в космос или на бесхозные космические объекты, уже находящиеся на орбите.

 
Gossamer Orbit Lowering Device. Источник: патент US 6,830,222

 Между тем, в августе 2022 года специалисты АО «Информационные спутниковые системы им. академика М. Ф. Решетнева» (входит в Роскосмос) получили патент на более реальный способ снижения орбиты летательного аппарата. Изобретение может быть использовано при проектировании космических аппаратов с целью предотвращения засорения космического пространства по окончании срока работы. Заложенные до старта пиротехнические устройства на орбите разделяют аппарат на составные элементы, соединенные гибкими тросами. В результате получается более крупная конструкция, которая увеличивает аэродинамическую силу, аппарат затормаживает, переходит на более низкую орбиту и затем сгорает в плотных слоях атмосферы. 

Прямое уничтожение

Помимо бережного обращения с мусором рассматриваются и варианты его непосредственного уничтожения посредством взрывчатых веществ либо лазера. В 2010-х годах ученые Исследовательского центра НАСА им.Эймса разрабатывали лазер средней мощности, около 5 кВт, который будет воздействовать на объекты в течение нескольких часов в день. В одном из российских патентов 2011 года (RU2462401) описывался способ разрушения космического мусора, заключающийся в «воздействии на объект взрывами взрывчатых веществ в приповерхностных слоях метеоритно-кометного вещества с использованием последовательно запускаемых к объекту космических перехватчиков». Взрывы производят последовательно, изменяя их частоту и мощность.

В 2014 году китайские ученые предлагали размещение лазерной системы для уничтожения мусора в космосе, которая будет способна устранять обломки размером от 1 до 10 см и защищать космическую станцию. Похожую установку для МКС разрабатывали европейские и японские ученые. 

В 2018 году стало известно, что на основе этой технологии российские ученые разработали собственную систему, позволяющую уменьшить габариты и технологическую сложность орбитального лазера. Лазер высокой мощности способен поглощать всю энергию МКС, поэтому ученые добивались значений потребления не более 5% доступной станции энергии. Это, по их утверждениям, не повлияет на дальность стрельбы, верхний предел которой составляет 10 км. Лазерная установка будет весить не более полутоны, и занимать не более 2 кубических метров. 

Основной проблемой для способов прямого уничтожения объектов в космосе является тот факт, что они могут нарушать нормы международного космического права. Впрочем, по сути, любой способ сведения объекта с орбиты (ведь этим объектом может быть и мусор, и, если кому-то понадобится, и действующий аппарат) — это потенциальное космическое оружие. Старший проектный менеджер Фонда «Сколково» по направлению «Космические технологии» Иван Косенков отмечал, что «вопросы разработки подобных аппаратов, имеют всегда привкус такого двойного назначения по технологии, своду с орбиты, стыковки с объектами».

Так, даже новейшая система Роскосмоса «Млечный путь», предназначенная для «информационно-аналитического обеспечения безопасности космической деятельности в околоземном космическом пространстве» вряд ли будет использоваться только для слежения за космическим мусором.

В 2007 году Китай 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. Это было крупнейшее по масштабам формирования космических обломков событие на орбите.  

В любом случае, для проведения очистных операций, будь то выстрел лазером или гарпуном с сетью, надувные баллоны или сверхлегкая пена, системы, использующие магнитное либо электростатическое силовое поле Земли, необходимо наличие международных соглашений, конкретизирующих правовые механизмы уведомления и взаимного информационного обмена, что сегодня по меньшей мере может встретить сопротивление в силу напряженной геополитической обстановки и «прохладных» отношений между основными космическими державами. 

Синдром Кесслера — не просто теория

В заключение стоит добавить, что проблема космического мусора не настолько теоретическая, как может показаться. Естественно, началось все с теории. В 1979 году сотрудник НАСА Дональд Кесслер описал гипотетическую ситуацию, при которой вокруг нашей планеты скапливается слишком большое количество работающих и неработающих искусственных спутников, а также космического мусора. В результате возникают столкновения объектов, эти аппараты разлетаются на множество обломков, которые, в свою очередь, провоцируют новые подобные столкновения, выводят из строя другие работоспособные спутники, а также могут изрешетить любую космическую станцию. 

Уже в 2009 году (опять же, 30 лет с момента возникновения теории — ничтожный срок по меркам космоса) синдром Кесслера проявился на практике. На орбите над Таймыром столкнулись нерабочий российский спутник «Космос-2251» и американский телекоммуникационный спутник «Iridium-33». Оба аппарата полностью разрушились (вес российского составлял 900 кг, а вес американского — 689 кг), от них осталось более тысячи обломков, которые, по оценкам экспертов, будут влиять на ситуацию на орбите еще более 20 лет.

Рост количества объектов на земной орбите. Источник: НАСА

Логично, что помимо разработки теоретических моделей уборщиков, необходимо отслеживать передвижение разрастающегося космического мусора. Одну из таких систем с использованием технологии фотоники разработало и запатентовало ОАО «Российские космические системы». Она предполагает оригинальные способы обработки оптической информации, с помощью которой можно будет находить, распознавать, идентифицировать, измерять размеры и рассчитывать траекторию движения обломков даже небольшого размера. Для проекта будет создана оптоэлектронная система контроля с использованием трех последовательно связанных информационных каналов и технологии апертурного синтеза для увеличения угла обзора. 

Авторы считают, что система сможет выявлять потенциальные угрозы для своевременной реакции и изменения траекторий движения, например, космических аппаратов или космических кораблей. 

Остается надеяться, что теоретические модели уборщиков космического мусора довольно быстро превратятся в работающие на практике модели. 

Заглавное фото: flickr

Читайте в нашем журнале:

В России запатентовали инновационную технологию утилизации космического мусора

ГЛОНАСС vs GPS: с какими трудностями столкнулась отечественная система спутниковой навигации

Астероидный сок, орбитальная катапульта и квантовая связь: патенты, определяющие будущее покорения космоса

АС
Андрей Сорокин, редактор журнала
453
+1
453
Наши каналы

Хотите быть в курсе всего?
Подпишитесь на нашу рассылку

Спасибо за подписку! Замечательно, что вы с нами.

Лучшие идеи и технологии со всего мира — в вашей почте

Спасибо за подписку! Замечательно, что вы с нами.