Околоземное пространство стремительно превращается в свалку: на орбите скопились десятки тысяч обломков неактивных спутников и ракет. Каждый из них, двигаясь со скоростью до 28 000 км/ч, представляет потенциальную опасность для действующих космических миссий. Проблема настолько угрожающая, что эксперты предупреждают о риске эффекта Кесслера — лавинообразного каскада столкновений, после которого орбита может стать непригодной для полетов. Как же убрать этот мусор? Сегодня инженеры испытывают разнообразные технологии очистки околоземной орбиты. Сосредоточимся на самых интересных актуальных и перспективных решениях, позволяющих устранять крупные обломки (более 1 см) и тем самым сделать пространство более безопасным.
Существующие методы
На сегодня инженеры уже имеют несколько решений, которые позволяют приступить к «уборке» космического мусора. Некоторые из них — сетки, гарпуны и роботизированные манипуляторы — успешно прошли первые испытания в реальных космических условиях. Хотя большинство проектов сейчас сосредоточено на тестовых миссиях с одним-двумя объектами, эти технологии уже доказали свою работоспособность и открывают путь к систематической очистке самых опасных обломков.
Сетки и гарпуны
Одно из самых очевидных решений — «поймать» мусор с помощью сетки или гарпуна. Принцип действия следующий: из космического «уборщика» выстреливается прочная сетка, которая раскрывается и опутывает обломок, или же выпускается гарпун на тросе, который вонзается в цель. После захвата мусора его сводят с орбиты для уничтожения в атмосфере. Технология успешно протестирована на экспериментальном спутнике RemoveDEBRIS в 2018 году — он поймал макет обломка сеткой с расстояния ~7 м и выстрелил гарпуном в цель.
Эффективность: одна сетка или гарпун захватывает только один объект за раз, но аппарат может нести несколько сеток / гарпунов для нескольких целей. Время очистки: сам захват происходит за секунды, но сближение с целью и сведение в атмосферу может длиться недели.
Такие методы уже доказали свою работоспособность, однако это одноразовые инструменты, которые подходят для относительно небольших объектов и требуют очень точного прицеливания.
Роботизированные манипуляторы
Более универсальный подход — схватить мусор роботизированной рукой или клешней, подобно тому, как это делают на Международной космической станции. Для этого автономный спутник-навигатор сближается с неуправляемым объектом, после чего включает захватывающий механизм (манипулятор или несколько механических «рук»), надежно хватая обломок. Далее двигатели спутника меняют орбиту связки, сбрасывая ее в атмосферу для сгорания. Первая реальная миссия с таким подходом — ClearSpace-1 от ESA — планируется на 2028 год. Аппарат с четырехпалой клешней должен захватить 112-килограммовый обломок (деталь ракеты Vega) на орбите (~700 км) и свести его в атмосферу. Эта технология пока очень дорогая – миссия ClearSpace-1 получила финансирование €86 млн от ESA (а полная стоимость около €100 млн) за удаление одного объекта.
Эффективность: современные роботы-уборщики могут убрать один большой обломок за раз, но в будущем планируется оснащать их ресурсом для нескольких захватов подряд. Время очистки: обычно уходит несколько месяцев на сближение, захват и контролируемое возведение одного большого обломка.
Роботизированные «уборщики» универсальны и способны захватывать массивные объекты, однако сейчас они чрезвычайно дороги, поэтому ведутся работы над удешевлением и многократным использованием таких систем.
Магнитные захваты
Технология, требующая добросовестного отношения разработчиков к проблеме засорения орбиты. На борту потенциального мусора устанавливается ферромагнитная пластина-«флажок». Спутник-уборщик, оснащенный электромагнитом, подлетает и притягивает к себе неуправляемый аппарат. Далее — либо буксирует его вниз для сгорания в атмосфере, либо переводит на «кладбище» — безопасную орбиту утилизации. Японская компания Astroscale в 2021 году протестировала этот метод (миссия ELSA-d), а ~2026 планирует первое удаление реального нерабочего спутника (миссия ELSA-M).
Эффективность: метод действует только для объектов, специально оборудованных под магнитную стыковку — не поможет со старым мусором без таких меток. Преимущество в том, что один уборщик может последовательно снять несколько подготовленных спутников без сложных манипуляторов. Время очистки: сближение и захват магнитом длятся считанные часы, а деорбитация одного захваченного спутника — несколько недель.
Магнитные захваты эффективны для «планово» выведенных из эксплуатации аппаратов. Если производители спутников начнут массово добавлять стыковочные метки, такие уборщики смогут достаточно быстро очищать орбиту от новых «мертвых» аппаратов.
«Парус», или система «drag sail»
Drag sail («парус торможения») — это развернутая тонкая и легкая мембрана, увеличивающая площадь спутника или обломка. Благодаря этому увеличивается сопротивление объекта в остатках атмосферной среды на низкой околоземной орбите (LEO). Даже незначительная плотность атмосферы на высотах 500–700 км начинает замедлять объект с парусом, и он быстрее сходит с орбиты.
Такой парус уже успешно испытали на нескольких малых спутниках (например, в миссиях LightSail и NANOSAIL-D). Некоторые современные коммерческие аппараты для мониторинга Земли имеют встроенные «парашюты» или паруса, чтобы после завершения миссии автоматически самоуничтожиться в атмосфере, сократив время пребывания неуправляемого мусора на орбите. Стоимость такого метода относительно низкая, ведь система состоит из легкой мембраны и простого механизма развертывания. Для малых спутников это может быть совсем недорого.
Эффективность: Drag sail лучше всего действует на низких орбитах, где сопротивление атмосферы более ощутимо. На более высоких орбитах (более 800 км) эффективность падает. Время очистки: обычно ускоряет снижение орбиты в несколько раз по сравнению с естественным «падением». Для небольшого спутника можно уменьшить время с десятков лет до всего нескольких месяцев или лет, в зависимости от его начальной высоты.
«Парус» — относительно простая и доступная технология для удаления новых спутников, когда они завершат работу. Однако она опять же не решает проблему старых обломков, если те не оборудованы парусом заранее.
Перспективные методы
Наряду с методами, которые уже получают первые практические результаты, продолжаются разработки перспективных технологий будущего: лазерное «подталкивание», ионный «буксир» и электродинамические тросы. Они позволяют бесконтактно влиять на орбиту неуправляемых объектов и могут в перспективе одновременно «обслуживать» десятки или даже сотни обломков. Хотя эти подходы пока находятся на стадии экспериментов и проектных разработок, успех первых демонстрационных миссий станет решающим шагом к масштабной очистке околоземного пространства.
Электродинамические тросы
Основой метода является использование силы магнитного поля Земли для торможения мусора. К обломку прикрепляется длинный трос, по которому пропускается электрический ток. Взаимодействие тока с магнитным полем планеты создает силу, постепенно снижающую орбиту объекта. Японское агентство JAXA пыталось развернуть 700-метровый трос (проект KITE на HTV-6) в 2017 году, но эксперимент не удался. Сейчас продолжаются исследования меньших тросов на кубсатах и концептуальной системы EDDE (ElectroDynamic Debris Eliminator) в США.
На изображении представлена модульная 10-километровая система EDDE (ElectroDynamic Debris Eliminator), в которой по центру проходит длинный проводник (conductor), служащий главной «жилой» для прохождения электрического тока. На обоих концах этого троса расположены блоки Net Manager с интегрированными механизмами для отлова обломков, а также по одному «Emitter» (излучателю), который создает и управляет током в проводнике. Вдоль нескольких 1-километровых сегментов прикреплены солнечные панели (solar array), питающие систему, чтобы тот же ток мог взаимодействовать с магнитным полем Земли и менять орбиту объекта. Благодаря этой конструкции EDDE действует как электродинамический «буксир»: он может перемещаться между различными фрагментами космического мусора, менять их орбиту и направлять их в атмосферу для сгорания.
Эффективность: расчеты показывают, что несколько аппаратов типа EDDE смогли бы удалить все крупные объекты на низкой орбите примерно за десяток лет. Время очистки: снижение орбиты одного объекта с помощью троса может длиться от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от массы и параметров троса.
Электродинамические тросы — многообещающая технология массовой уборки орбиты почти без затрат топлива, впрочем, пока ей не хватает успешных полномасштабных испытаний.
Лазерные технологии
Удалять мелкие обломки можно и дистанционно — с Земли или из космоса — используя лазер. Пример — мощный лазерный луч фокусируется на фрагменте мусора, нагревая его поверхность и испаряя материал. От этого образуется реактивная тяга, которая немного меняет скорость обломка. Если регулярно «подталкивать» объект лазерными импульсами, его орбита постепенно снизится и, в конце концов, он сгорит в атмосфере. Концепция «лазерной метлы» обсуждается с 1990-х, и сейчас она находится на уровне экспериментов. В разных странах (Япония, Китай, Австралия) уже испытывают наземные и орбитальные лазеры для уборки мусора. Об актуальных разработках в сфере лазерных технологий можно прочитать в нашей статье «Звездные войны уже здесь: что такое лазерное оружие и как оно может изменить ПВО».
Эффективность: лазеры лучше всего подходят для мелких фрагментов (≈1–10 см), которые трудно выловить другими способами. Теоретически один мощный лазер способен за год скорректировать орбиты сотен небольших обломков, постепенно очищая определенный диапазон высот. Время очистки: воздействие на один объект приходится повторять много раз в течение дней или недель — такое постепенное подталкивание требует терпения.
Лазерный метод привлекателен тем, что не требует запуска космических «мусоросборщиков», но требует сверхмощных лазеров и очень точного отслеживания каждой цели.
Ионный (плазменный) «буксир»
Ion Beam Shepherd (IBS) использует ионный (или плазменный) двигатель, выпускающий узкий заряженный луч в сторону обломка. Этот «поток ионов» действует как удаленный толкатель: небольшая реактивная сила меняет орбиту мусора, не вступая с ним в физический контакт. В итоге обломок постепенно замедляется и снижается, пока не сгорит в атмосфере.
Это перспективная технология, которую пока прорабатывают на уровне концептуальных и наземных экспериментов. Европейское космическое агентство (ESA) и несколько университетских лабораторий в Европе и США проводят испытания на стендах, разрабатывая прототипы ионных двигателей с надлежащей направленностью луча. На практике IBS еще не выводили в космос для коммерческой уборки. Стоимость такого проекта пока неизвестна, но ожидается, что миссия с ионным буксиром может быть дешевле проектов с роботизированными манипуляторами (из-за отсутствия сложных механических систем).
Цветные кольца на сопле двигателя символизируют распределение интенсивности луча, который, не касаясь физически цели, придает ей незначительное, но постоянное ускорение.
Эффективность: один аппарат способен «подтолкнуть» несколько объектов подряд, если его двигатель будет иметь достаточный ресурс и запас рабочего тела (газа для ионизации). При этом нужно очень точно нацелить ионный луч, особенно если обломок вращается. Время очистки: снижение орбиты одного крупного обломка может занять от нескольких недель до нескольких месяцев, в зависимости от его массы и параметров орбиты.
Ion Beam Shepherd — интересный вариант для бесконтактного удаления мусора, который потенциально может работать с объектами разного размера. Главное преимущество — отсутствие сложных захватывающих механизмов. Однако технология еще требует всесторонних космических испытаний, чтобы подтвердить надежность и точность «подталкивания».
Орбита будущего: реально ли ее полностью очистить?
Если уже сейчас прекратить запуск аппаратов без плана сведения и установить жесткие требования к операторам (чтобы все новые спутники имели механизм вывода с орбиты), можно существенно уменьшить количество нового мусора. По оценкам специалистов, низкая орбита начнет естественно «самоочищаться» в течение 2–3 десятилетий благодаря атмосферному торможению. Однако высшие орбиты потребуют десятков или даже сотен лет без активного вмешательства. Именно поэтому для быстрого результата нужна совокупность различных технологий, способных активно изымать тяжелые и опасные обломки.
В конце концов, цель — обеспечить чистую и безопасную орбиту для дальнейших научных, коммерческих и исследовательских миссий. Комбинируя уже доступные методы (сетки, роботизированные манипуляторы, «паруса») и перспективные разработки (лазеры, ионные буксиры, магнитные захваты, тросы), мы можем остановить рост количества фрагментов и постепенно освободить орбиту от опасного «мусорного балласта».
