Навколоземний простір стрімко перетворюється на звалище: на орбіті накопичилися десятки тисяч уламків неактивних супутників і ракет. Кожен із них, рухаючись зі швидкістю до 28 000 км/год, становить потенційну небезпеку для чинних космічних місій. Проблема настільки загрозлива, що експерти попереджають про ризик ефекту Кесслера — лавиноподібного каскаду зіткнень, після якого орбіта може стати непридатною для польотів. Як же прибрати це сміття? Сьогодні інженери випробовують різноманітні технології очищення навколоземної орбіти. Зосередимося на найцікавіших актуальних та перспективних рішеннях, що дозволяють усувати великі уламки (понад 1 см) і тим самим зробити простір безпечнішим.
Наявні методи
На сьогодні інженери вже мають кілька рішень, які дають змогу приступити до «прибирання» космічного сміття. Деякі з них — сітки, гарпуни та роботизовані маніпулятори — успішно пройшли перші випробування в реальних космічних умовах. Хоча більшість проєктів нині зосереджена на тестових місіях з одним-двома об’єктами, ці технології вже довели свою працездатність і відкривають шлях до систематичного очищення найнебезпечніших уламків.
Сітки та гарпуни
Одне з найочевидніших рішень — «спіймати» сміття за допомогою сітки або гарпуна. Принцип дії наступний: із космічного «прибиральника» вистрілюється міцна сітка, яка розкривається і обплутує уламок, або ж випускається гарпун на тросі, що устромлюється в ціль. Після захоплення сміття його зводять з орбіти для знищення в атмосфері. Технологію успішно протестовано на експериментальному супутнику RemoveDEBRIS у 2018 році — він зловив макет уламка сіткою з відстані ~7 м і вистрілив гарпуном у ціль.
Ефективність: одна сітка чи гарпун захоплює лише один об’єкт за раз, але апарат може нести кілька сіток / гарпунів для кількох цілей. Час очищення: саме захоплення відбувається за секунди, але зближення з ціллю та зведення в атмосферу може тривати тижні.
Такі методи вже довели свою працездатність, проте це одноразові інструменти, які підходять для відносно невеликих об’єктів і вимагають дуже точного прицілювання.
Роботизовані маніпулятори
Більш універсальний підхід — схопити сміття роботизованою рукою або клешнею, подібно до того, як це роблять на Міжнародній космічній станції. Для цього автономний супутник-навігатор зближується з некерованим об’єктом, після чого вмикає захоплюючий механізм (маніпулятор або кілька механічних «рук»), надійно хапаючи уламок. Далі двигуни супутника змінюють орбіту зв’язки, скидаючи її в атмосферу для згоряння. Перша реальна місія з таким підходом — ClearSpace-1 від ESA — планується на 2028 рік. Апарат із чотирипалою клешнею має захопити 112-кілограмовий уламок (деталь ракети Vega) на орбіті (~700 км) і звести його в атмосферу. Ця технологія поки що дуже дорога — місія ClearSpace-1 отримала фінансування €86 млн від ESA (а повна вартість близько €100 млн) за видалення одного об’єкта.
Ефективність: сучасні роботи-прибиральники можуть прибрати один великий уламок за раз, але у майбутньому планується оснащувати їх ресурсом для кількох захоплень поспіль. Час очищення: зазвичай минає кілька місяців на зближення, захоплення й контрольоване зведення одного великого уламка.
Роботизовані «прибиральники» універсальні й здатні захоплювати масивні об’єкти, проте нині вони надзвичайно дорогі, тому ведуться роботи над здешевленням і багаторазовим використанням таких систем.
Магнітні захвати
Технологія, яка потребує сумлінного ставлення розробників до проблеми засмічення орбіти. На борту потенційного сміття встановлюється феромагнітна пластина-«прапорець». Супутник-прибиральник, оснащений електромагнітом, підлітає і притягує до себе некерований апарат. Далі — або буксирує його вниз для згоряння в атмосфері, або переводить на «кладовище» — безпечну орбіту утилізації. Японська компанія Astroscale у 2021 році протестувала цей метод (місія ELSA-d), а ~2026 планує перше видалення реального неробочого супутника (місія ELSA-M).
Ефективність: метод діє лише для об’єктів, спеціально обладнаних під магнітне стикування — не допоможе зі старим сміттям без таких міток. Перевага в тому, що один прибиральник може послідовно зняти кілька підготовлених супутників без складних маніпуляторів. Час очищення: зближення і захоплення магнітом тривають лічені години, а деорбітація одного захопленого супутника — кілька тижнів.
Магнітні захвати ефективні для «планово» виведених з експлуатації апаратів. Якщо виробники супутників почнуть масово додавати стикувальні мітки, такі прибиральники зможуть досить швидко очищати орбіту від нових «мертвих» апаратів.
«Вітрило», або система «drag sail»
Drag sail («вітрило гальмування») — це розгорнута тонка й легка мембрана, що збільшує площу супутника чи уламка. Завдяки цьому збільшується опір об’єкта у залишках атмосферного середовища на низькій навколоземній орбіті (LEO). Навіть незначна густина атмосфери на висотах 500–700 км починає сповільнювати об’єкт із парусом, і він швидше сходить з орбіти.
Таке вітрило вже успішно випробували на кількох малих супутниках (наприклад, у місіях LightSail та NANOSAIL-D). Деякі сучасні комерційні апарати для моніторингу Землі мають вбудовані «парашути» або вітрила, щоби після завершення місії автоматично самознищитися в атмосфері, скоротивши час перебування некерованого сміття на орбіті. Вартість такого методу відносно низька, адже система складається з легкої мембрани та простого механізму розгортання. Для малих супутників це може бути зовсім недорого.
Ефективність: Drag sail найкраще діє на низьких орбітах, де опір атмосфери відчутніший. На вищих орбітах (понад 800 км) ефективність падає. Час очищення: зазвичай прискорює зниження орбіти в кілька разів у порівнянні з природним «падінням». Для невеликого супутника можна зменшити час з десятків років до лише кількох місяців чи років, залежно від його початкової висоти.
«Вітрило» — відносно проста й доступна технологія для видалення нових супутників, коли вони завершать роботу. Проте вона знову ж таки не вирішує проблему старих уламків, якщо ті не обладнані вітрилом заздалегідь.
Перспективні методи
Поряд із методами, які вже отримують перші практичні результати, тривають розробки перспективних технологій майбутнього: лазерне «підштовхування», іонний «буксир» та електродинамічні троси. Вони дозволяють безконтактно впливати на орбіту некерованих об’єктів і можуть у перспективі одночасно «обслуговувати» десятки чи навіть сотні уламків. Хоча ці підходи поки що перебувають на стадії експериментів і проєктних розробок, успіх перших демонстраційних місій стане вирішальним кроком до масштабного очищення навколоземного простору.
Електродинамічні троси
Основою методу є використання сили магнітного поля Землі для гальмування сміття. До уламка прикріплюється довгий трос, по якому пропускається електричний струм. Взаємодія струму з магнітним полем планети створює силу, що поступово знижує орбіту об’єкта. Японська агенція JAXA намагалося розгорнути 700-метровий трос (проєкт KITE на HTV-6) у 2017 році, але експеримент не вдався. Нині тривають дослідження менших тросів на кубсатах та концептуальної системи EDDE (ElectroDynamic Debris Eliminator) у США.
На зображенні представлена модульну 10-кілометрову систему EDDE (ElectroDynamic Debris Eliminator), у якій по центру проходить довгий провідник (conductor), що слугує головною «жилою» для проходження електричного струму. На обох кінцях цього троса розташовані блоки Net Manager з інтегрованими механізмами для вилову уламків, а також по одному «Emitter» (випромінювачу), який створює й керує струмом у провіднику. Уздовж кількох 1-кілометрових сегментів прикріплено сонячні панелі (solar array), що живлять систему, аби той самий струм міг взаємодіяти з магнітним полем Землі й змінювати орбіту об’єкта. Завдяки цій конструкції EDDE діє як електродинамічний «буксир»: він може переміщуватися між різними фрагментами космічного сміття, змінювати їхню орбіту та спрямовувати їх до атмосфери для згоряння.
Ефективність: розрахунки показують, що кілька апаратів типу EDDE змогли б видалити всі великі об’єкти на низькій орбіті приблизно за десяток років. Час очищення: зниження орбіти одного об’єкта за допомогою троса може тривати від кількох місяців до кількох років залежно від маси та параметрів троса.
Електродинамічні троси — багатообіцяюча технологія масового прибирання орбіти майже без витрат палива, утім поки що їй бракує успішних повномасштабних випробувань.
Лазерні технології
Видаляти дрібні уламки можна й дистанційно — із Землі або з космосу — використовуючи лазер. Приклад — потужний лазерний промінь фокусується на фрагменті сміття, нагріваючи його поверхню і випаровуючи матеріал. Від цього утворюється реактивна тяга, яка трохи змінює швидкість уламка. Якщо регулярно «підштовхувати» об’єкт лазерними імпульсами, його орбіта поступово знизиться і, зрештою, він згорить в атмосфері. Концепцію «лазерної мітли» обговорюють із 1990-х, і наразі вона перебуває на рівні експериментів. У різних країнах (Японія, Китай, Австралія) вже випробовують наземні й орбітальні лазери для прибирання сміття. Про актуальні розробки в сфері лазерних технологій можна прочитати у нашій статті «Зоряні війни вже тут: що таке лазерна зброя та як вона може змінити ППО».
Ефективність: лазери найкраще підходять для дрібних фрагментів (≈1–10 см), які важко виловити іншими способами. Теоретично один потужний лазер здатен за рік скоригувати орбіти сотень невеликих уламків, поступово очищуючи певний діапазон висот. Час очищення: вплив на один об’єкт доводиться повторювати багато разів упродовж днів чи тижнів — таке поступове підштовхування потребує терпіння.
Лазерний метод привабливий тим, що не вимагає запуску космічних «сміттєзбирачів», але потребує надпотужних лазерів і дуже точного відстеження кожної цілі.
Іонний (плазмовий) «буксир»
Ion Beam Shepherd (IBS) використовує іонний (або плазмовий) двигун, що випускає вузький заряджений промінь у бік уламка. Цей «потік іонів» діє як віддалений штовхач: невелика реактивна сила змінює орбіту сміття, не вступаючи з ним у фізичний контакт. У підсумку уламок поступово сповільнюється та знижується, доки не згорить в атмосфері.
Це перспективна технологія, яку поки що опрацьовують на рівні концептуальних і наземних експериментів. Європейська космічна агенція (ESA) і кілька університетських лабораторій у Європі та США проводять випробування на стендах, розробляючи прототипи іонних двигунів із належною спрямованістю променя. На практиці IBS ще не виводили в космос для комерційного прибирання. Вартість такого проєкту поки що невідома, але очікується, що місія з іонним буксиром може бути дешевшою за проєкти з роботизованими маніпуляторами (через відсутність складних механічних систем).
Кольорові кільця на соплі двигуна символізують розподіл інтенсивності променя, який, не торкаючись фізично цілі, надає їй незначне, але постійне прискорення.
Ефективність: один апарат здатний «підштовхнути» кілька об’єктів поспіль, якщо його двигун матиме достатній ресурс і запас робочого тіла (газу для іонізації). Водночас потрібно дуже точно націлити іонний промінь, особливо якщо уламок обертається. Час очищення: зниження орбіти одного великого уламка може тривати від кількох тижнів до кількох місяців, залежно від його маси та параметрів орбіти.
Ion Beam Shepherd — цікавий варіант для безконтактного видалення сміття, який потенційно може працювати з об’єктами різного розміру. Головна перевага — відсутність складних захоплюючих механізмів. Проте технологія ще потребує всебічних космічних випробувань, аби підтвердити надійність і точність «підштовхування».
Орбіта майбутнього: чи реально її повністю очистити?
Якщо вже зараз припинити запуск апаратів без плану зведення та встановити жорсткі вимоги до операторів (щоб усі нові супутники мали механізм виведення з орбіти), можна суттєво зменшити кількість нового сміття. За оцінками фахівців, низька орбіта почне природно «самоочищатися» впродовж 2–3 десятиліть завдяки атмосферному гальмуванню. Однак вищі орбіти потребуватимуть десятків чи навіть сотень років без активного втручання. Саме тому для швидшого результату потрібна сукупність різних технологій, здатних активно вилучати важкі й небезпечні уламки.
Зрештою, мета — забезпечити чисту та безпечну орбіту для подальших наукових, комерційних і дослідницьких місій. Комбінуючи вже доступні методи (сітки, роботизовані маніпулятори, «вітрила») та перспективні розробки (лазери, іонні буксири, магнітні захвати, троси), ми можемо зупинити зростання кількості фрагментів і поступово звільнити орбіту від небезпечного «сміттєвого баласту».
