Конец космической эры

Космическая эра началась в 1957 году, после запуска первого искусственного спутника. Довольно скоро на орбите появился мусор — неработающие космические аппараты и их обломки. Они на огромной скорости движутся в околоземном пространстве, представляя угрозу для спутников и космических кораблей. С годами мусора становится все больше — сегодня в космосе находится более 20 тысяч сравнительно крупных обломков и, возможно, десятки миллионов мелких. Первое столкновение работающего и брошенного спутников произошло в 2009 году и привело к разрушению обоих. По оценкам NASA, через несколько столетий мы можем так замусорить орбиту, что закроем себе дорогу в космос.

Постепенно космические державы начали разрабатывать законы и правила, регулирующие работу в космосе. Одним из первых шагов стала Конвенция об ответственности за ущерб, причиненный космическими объектами, которая вступила в силу 1 сентября 1972 года. К годовщине ее принятия мы решили рассказать о космическом мусоре, который уже сейчас осложняет использование околоземной орбиты.

С помощью нашей симуляции вы можете посмотреть, как растет риск столкновений с мусором по мере увеличения числа запусков. Выберите космический аппарат, который вы хотите запустить на околоземную орбиту. Это может быть либо малый спутник кубсат, весящий несколько килограммов, который можно запустить на высоту 400 километров; либо спутник среднего класса, весящий до тонны; либо противоспутниковую ракету. Теперь нажимайте кнопку и смотрите, что будет происходить на орбите и насколько вероятно, что аппарат столкнется с мусором.

А вот ролик, в котором опасность космического мусора объясняется «на пальцах».

Кроме того, мы решили ответить на некоторые вопросы, которые часто задают по поводу космического мусора в интернете.

Что такое космический мусор и откуда он берется?

Первоначально космическим мусором называли мелкие объекты Солнечной системы: кометы, астероиды и их фрагменты. Но начиная с 1979 года, с запуска программы NASA по изучению космического мусора, так стали называть созданные человеком объекты и их фрагменты, которые находятся в космосе в неисправном состоянии и никогда уже не будут использованы по назначению.

В космос он попадает с Земли, но в геометрической прогрессии начинает расти уже на орбите. Это могут быть крупные объекты — отслужившие свое разгонные блоки, ступени ракет, нефункционирующие спутники, обломки космических аппаратов и спутников. Но мусор может быть и мелким, размерами меньше миллиметра: частицы краски, сгоревшего топлива, охладителя двигателей или поверхностного слоя обшивки кораблей, который под действием жесткого ультрафиолетового излучения и атомарного кислорода подвергается эрозии.

Мусор образуется и в результате взрывов и столкновения объектов. Подавляющее большинство коммерческих, военных и исследовательских космических аппаратов находятся на высоте до тысячи километров. Самые «населенные» орбиты лежат в диапазоне 700-1000 километров. Поэтому в последнее десятилетие уже были зафиксированы столкновения спутников. Первое из них произошло в 2009 году — столкнулись частный американский спутник Iridium 33 и уже не функционирующий российский военный «Космос-2251». Это привело к разрушению обоих аппаратов и возникновению еще более 2300 обломков, зафиксированных системами контроля космического пространства.

В чем опасность космического мусора?

Так как в космосе нет силы трения и не действует сила тяжести, скорость движения объектов не замедляется. Например, обломки образовавшиеся при взрыве спутника, продолжают двигаться с начальной скоростью, которая может достигать 15 километров в секунду. Для сравнения, начальная скорость пули, выпущенной из АК-74м, — около километра в секунду. Столкновение даже с микроскопическим объектом, летящим с такой скоростью, может привести к серьезным повреждениям космического корабля или спутника. Если же столкнутся два крупных объекта, это приведет к их разрушению.

Можно ли хотя бы примерно подсчитать, сколько космического мусора находится на околоземной орбите в данный момент? Как за ним наблюдают?

По оценке Европейского космического агентства (ЕКА), сейчас в космосе находится около 750 тысяч объектов размерами больше одного сантиметра. Около 22 тысяч из них — больше десяти сантиметров. Сколько в космосе мелких частиц, неизвестно, отследить их невозможно. Но их количество может исчисляться десятками миллионов.

За траекториями 23 тысяч объектов наблюдает система US Space Surveillance Network, которая является частью Стратегического командования вооруженных сил США (USSTRATCOM). В системе ведется каталог, куда заносят объекты крупнее 5-10 сантиметров, которые находятся на околоземной орбите, и мусор размерами от 30 сантиметров до одного метра на геостационарной орбите. Также наблюдения с помощью телескопов или геостационарных радаров ведут другие организации, в том числе NASA, EKA и астрономическая обсерватория MIT.

Мусор изучают и в космосе. NASA в середине 80-х и ЕКА в начале 90-х годов запускали на низкую околоземную орбиту спутники LDEF и EURECA, которые, в том числе, собирали информацию об обломках. После того как они вернулись на Землю, ученые исследовали их обшивку. В середине 90-х годов к внешней обшивке станции «Мир» подключали модуль NASA, который собирал информацию о природе космического мусора и о последствиях его попадания в аппарат. С 2009 года мусор исследует Космический телескоп «Хаббл».

Мусор, уже попавший на орбиту, останется там навсегда?

Нет. Отработавшие космические аппараты, точно так же, как и функционирующие, медленно разрушаются под действием ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Они сталкиваются с космическим мусором и микрометеоритами. Обломки с низких орбит, на высотах менее 600 километров, в течение нескольких лет попадают в плотные слои атмосферы и там сгорают. Это позволяет за 11-летний цикл солнечной активности исключить из каталогов 250-300 обломков. Но их место занимает мусор с других высот. Чем выше орбита, тем дольше на ней остается мусор. На высоте 700-1000 километров мусор может оставаться до 50-100 лет.

Проблема еще и в том, что количество мусора постоянно растет. При этом общемирового соглашения, которого придерживались бы все космические державы, не существует. Поэтому, например, когда в 2007 году Китай, чтобы испытать свою противоспутниковую ракету, разрушил свой же метеоспутник, повлиять на него было невозможно. После взрыва системы наземного наблюдения зарегистрировали появление более двух тысяч обломков, превышающих размерами несколько сантиметров, а по оценкам NASA, количество обломков размеров более одного сантиметра достигло 35 тысяч.

С другой стороны, космические державы и отдельные организации все же пытаются ограничить появление нового мусора. В 1995 году NASA опубликовало рекомендации по уменьшению количества мусора на околоземной орбите. Двумя годами позднее правительство США разработало на их основе стандартные правила.

Позднее свои рекомендации разработали и другие космические державы и организации, в том числе Россия, Франция, Япония и ЕКА. В 2007 году ООН опубликовала рекомендации по уменьшению количества мусора на околоземной орбите. В 2011 году Международная организация по стандартизации утвердила международные стандарты. Предлагается, например, уменьшать вероятность взрывов отработанных ступеней ракет путем — либо обеспечивать работу двигателей до полной выработки топлива, либо стравливать его остатки; конструировать космические аппараты так, чтобы минимизировать количество мусора, испускаемое при нормальной работе; маневрировать для избежания столкновений с космическим мусором, пока аппарат функционирует; уменьшать вероятность случайного столкновения, а для этого получать данные об известных фрагментах, которые находятся на потенциальной орбите.

Каковы могут быть последствия столкновения космического аппарата с мусором?

При столкновении с мелкими частицами на обшивке аппарата или на его иллюминаторах могут образоваться вмятины или микроповреждения.

Обломки покрупнее, размерами от одного до десяти сантиметров, способны причинить серьезные повреждения, даже вывести из строя действующие космические аппараты или послужить причиной взрыва уже не функционирующих спутников или отработанных ступеней ракет. Фрагменты мусора крупнее 10 сантиметров приведут к разрушению аппарата и образованию новых обломков.

Опасность возникает и тогда, когда отработавшие аппараты и их крупные фрагменты попадают в атмосферу и неконтролируемо падают на землю. Они могут не до конца сгореть и упасть в населенных районах. Впрочем, такая вероятность довольно мала. На сегодняшний день известен единственный случай, когда человек пострадал от космического мусора. В 1997 году обломок ракеты-носителя «Дельта-2», которая вошла в атмосферу днем раньше, по касательной задел жительницу Оклахомы. Женщина отделалась легким испугом.

Могут ли корабли «уклониться» от столкновения с мусором или защитить себя при его попадании?

Если это мелкая частица, то отследить ее траекторию, чтобы уклониться, невозможно. А вот столкновений с частицами размерами пять сантиметров и более, находящимися под наблюдением и занесенные в каталог US Space Surveillance Network, избежать можно. Специалисты сравнивают траекторию МКС, орбита которой находится на высоте 400 километров — одной из самых «замусоренных», и траектории обломков из каталога. При оценке расстояния военные используют защитный периметр вокруг станции, так называемую «коробку для пиццы» размерами 1,5 х 50 х 50 километров. Если траектория мусора попадает в «коробку», то они предупреждают NASA и Роскосмос.

Если вероятность столкновения попадает в промежуток от 0,00001 до 0,0001, ей присваивается желтый уровень опасности. В этом случае положение МКС меняют, если маневр не повлияет на текущие задачи и программы. При более высокой вероятности столкновения ей присваивают красный уровень опасности и положение космической станции меняют в обязательном порядке, если только перемещение не будет более опасно, чем столкновение с обломком. Но для проведения маневров требуется время, и если возникает опасность непредвиденного столкновения, то экипаж МКС переходит в транспортный корабль, пристыкованный к станции, чтобы в случае необходимости эвакуироваться. С начала появления космонавтов на МКС в 2000 году такая ситуация случалась трижды.

Каков самый худший вариант развития событий и можно ли его избежать?

Худший сценарий развития событий (так называемый «синдром Кесслера») описал сотрудник NASA Дональд Кесслер. В какой-то момент космический мусор достигнет «критической массы», и начнется неконтролируемая «цепная реакция» разрушения аппаратов на орбите. Столкновение с мусором для любого аппарата станет неизбежным, и использование околоземной орбиты придется прекратить. Это означает, что мы лишимся спутниковой связи, спутниковых систем навигации и всех служб и сервисов, для работы которых он необходим, точных прогнозов погоды и климатических изменений. Придется свернуть и бoльшую часть космических исследований.

Пока такое развитие событий нам не угрожает. По словам сотрудника Института прикладной математики имени М.В. Келдыша Михаила Захваткина, сейчас на высотах до тысячи километров вращается свыше 13 тысяч спутников, и вероятность катастрофического столкновения с мусором для любого из них — примерно один раз в пять лет. За следующие 200 лет, по самым негативным оценкам, число спутников вырастет до 100 тысяч, а вероятность столкновения — до 20 инцидентов в год, то есть до 0,0002. Захваткин считает, что это не настолько высокий риск, чтобы отменять запуск коммерческих спутников.

Американские специалисты приводят другие цифры. По оценкам NASA, примерно к 2028 году уже ежегодно будет происходить по одному катастрофическому столкновению, а примерно к 2200 году их число вырастет до 10 в год.

Избежать худшего сценария — появления на орбите «критической массы» мусора, вероятно, можно, если не мусорить на орбите и убирать за собой.

Как избавиться от появления космического мусора и возможно ли ликвидировать полностью тот, что уже существует?

Надежных и проверенных способов уборки мусора на орбите на сегодняшний день нет. Пока есть только идеи и проекты, некоторые из них на стадии разработки. В том числе это использование спутников, которые бы ловили (1, 2) или дробили мусор на более мелкие фрагменты, делая столкновения с ними менее опасными, или подача с Земли направленных струй атмосферного газа, которые бы замедляли скорость обломков на околоземной орбите. Стоимость подобных систем будет очень высока, но они могут быть полезны, чтобы ежегодно убирать 4-5 крупных фрагментов мусора с высоких орбит и, таким образом, предотвращать появление на них множества мелких.

Но более реалистичными кажутся попытки уменьшить образование мусора. Это значит — следовать уже существующим рекомендациям ООН и стандартам ISO. В том числе, переводить закончившие миссию спутники на «орбиту захоронения» — на 100-200 километров выше основной. Так сейчас происходит со спутниками, которые находятся на востребованной геостационарной орбите. На других орбитах это правило выполняется не всегда. Другой вариант — переводить неработающие спутники с низких орбит еще ниже, чтобы они попали в атмосферу и сгорели.

Екатерина Русакова