Космический мусор – поддаётся ли решению эта проблема?
Сперва – леса, озёра и реки, потом – атмосфера, моря и океаны... Человечество не слишком бережно относится к родной планете, иначе проблема загрязнения окружающей среды не стояла бы сегодня так остро. Но если наша Земля имеет всё же ограниченные размеры, то уж Вселенная-то бесконечна, и её, казалось бы, мусором не завалишь. Как бы не так! Законы гравитации заставляют большую часть космического мусора накапливаться в околоземном пространстве. Между тем, хотя с начала освоения космоса прошло менее полувека, что по меркам Вселенной – исчезающе малый промежуток времени, – человечество за столь короткий срок не только успело произвести более 4-х тысяч запусков ракет-носителей, но и умудрилось изрядно засорить космическое пространство. Ближние и дальние окрестности нашей планеты постепенно превратились в помойку. Конечно, если сравнивать с земными свалками, то космического мусора ничтожно мало – его масса на низких околоземных орбитах составляет всего около 5-ти тысяч тонн, – но и он представляет нешуточную угрозу для человечества. И угроза эта с каждым годом растёт, а эффективных решений проблемы пока не предложено. Их поиску и был посвящён прошедший недавно в Дармштадте, в Центре управления полётами Европейского космического агентства, уже четвёртый по счёту международный конгресс, собравший более 250-ти специалистов.
Что же такое космический мусор? Это вышедшие из строя, однако оставшиеся на орбите спутники, верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, сброшенные топливные баки, фрагменты разрушенных космических объектов, а также пружины, болты, гайки, заглушки и тому подобная мелочь. Например, рабочая перчатка и отвёртка, упущенные американскими астронавтами во время ремонта одного из «шаттлов». Теперь они рассекают космические просторы со скоростью 28 тысяч километров в час. По оценке специалистов, сегодня в околоземном космическом пространстве находится свыше 200-т тысяч объектов размером более одного сантиметра и свыше 330-ти миллионов объектов размером более одного миллиметра. Из-за них любая космическая миссия связана с немалым риском, – считает физик Франк Шефер (Frank Schäfer), сотрудник Института динамики быстрых процессов имени Эрнста Маха во Фрайбурге:
Особая опасность космического мусора связана с тем, что он перемещается в пространстве с огромной скоростью. В космосе мы имеем дело со скоростями столкновений до 15-ти километров в секунду, это почти 50 тысяч километров в час. Поэтому даже частица, линейные размеры которой составляют лишь 1 сантиметр, может серьёзно повредить космический аппарат. Такая частица обычно летит со скоростью около 10-ти километров в секунду, то есть как минимум в 20 раз быстрее пули. Для космического аппарата встретиться с этой частицей – всё равно что столкнуться с легковым автомобилем среднего класса, движущимся со скоростью 80 километров в час.
И такие аварии случаются, хоть пока и нечасто. Зато «встречи» с более мелкими частицами происходят уже регулярно. По словам Хайнера Клинкрада (Heiner Klinkrad), ведущего аналитика Центра управления полётами в Дармштадте, за время эксплуатации американских «шаттлов» зарегистрированы тысячи столкновений с частицами размером в 1 миллиметр и меньше. Обшивка возвратившихся из космоса «челноков» каждый раз оказывалась буквально усеяна выбоинами до сантиметра глубиной. 80 раз на «шаттлах» приходилось менять иллюминаторы. Да и на доставленных на Землю солнечных батареях космического телескопа «Хаббл» было обнаружено немало царапин, вмятин и пробоин. Особенно остро проблема безопасности стоит перед Международной космической станцией. По словам Сергея Кулика, эксперта Российского космического агентства, МКС приходится не реже раза в год совершать маневрирование, чтобы избежать опасного сближения с крупными объектами. Повысить живучесть станции можно также за счёт её компоновки, размещая жизненно-важные модули за второстепенными. Однако наиболее эффективное средство защиты – это специальные экранные конструкции. Один из таких экранов изготовлен во Фрайбурге по заказу Европейского космического агентства для научно-исследовательского лабораторного модуля «Колумбус». Правда, его пристыковка к МКС, запланированная на 2004-й год, не состоялась, но европейцы надеются, что с возобновлением полётов «шаттлов» им удастся наверстать упущенное. Тогда-то защитный экран и пригодится. Один из его разработчиков – Франк Шефер – рассказывает:
Речь идёт о защитном экране, способном задерживать частицы с линейными размерами до 2-х сантиметров и скоростями до 7-ми километров в секунду. Он состоит из нескольких слоёв: снаружи – листовой алюминий, под ним – керамические и полиамидные волокна. Конечно, ещё более толстый экран смог бы задерживать и более крупные частицы, но ведь он должен удовлетворять двум условиям. Во-первых, стоимость его доставки в космос не должна выходить за разумные рамки. Во-вторых, экран не должен быть слишком тяжёлым, иначе запустить весь модуль на орбиту будет невозможно технически. Конечно, рассматриваются и другие методы защиты от космического мусора: например, передвижной экран, который реагирует на сигнал, подаваемый системой автоматического обнаружения, и тотчас занимает «оборонительную» позицию.
Понятно, что экраны – это лишь частичное решение проблемы безопасности космических полётов. Однако, по мнению экспертов, технические средства радикальной очистки космоса от хлама в обозримой перспективе созданы не будут. Более того, даже если с сегодняшнего дня вообще прекратить запуск в космос каких бы то ни было новых аппаратов, всё равно мусора там год от года будет прибывать. Главный источник загрязнения – это случайные взрывы ракет-носителей и космических аппаратов: они дают до 80-ти процентов всех объектов космического мусора размером более 5-ти сантиметров. Каждый год происходит в среднем 4 таких взрыва. Они объясняются наличием на борту источников и накопителей энергии – таких как компоненты топлива, аккумуляторные батареи, газовые баллоны и прочее. Между тем, каждый такой взрыв приводит к более значительному увеличению числа только наблюдаемых элементов космического мусора (а сколько ненаблюдаемых!), чем все запуски космических аппаратов за год.
На заре космической эры неисправные детали было принято просто выбрасывать за борт, а пустые топливные баки ракет-носителей – взрывать. Но после того как в 1996-м году французский разведывательный спутник «CERISE» вышел из строя, столкнувшись с осколком топливного бака французской же ракеты-носителя «Ариан-5», космические державы заключили договор, запрещающий взрывать топливные баки и ступени ракет-носителей. Гораздо проще следить за одним крупным объектом, чем за сотнями мелких частиц и фрагментов.
Аварии возникают и из-за «перенаселённости» некоторых орбит. В космосе нет межгосударственных границ, поэтому долгое время космические державы размещали свои спутники там, где считали нужным. В результате ёмкость так называемых «удобных» орбит уже сегодня практически исчерпана. На низких околоземных орбитах, то есть на высотах до двух тысяч километров, сегодня находятся несколько сотен активных и более двух с половиной тысяч уже не действующих спутников, и численность этой флотилии стремительно растёт. Ещё хуже обстоят дела на геостационарной орбите, расположенной на высоте около 36-ти тысяч километров. Её главное достоинство в том, что находящиеся на ней спутники неподвижны относительно Земли. Это позволяет вести с них наблюдение и обеспечивать надёжную связь на территории, превышающей 90 процентов земной поверхности. Франк Шефер поясняет:
Обычно спутник – например, спутник связи, – используется от пяти до десяти лет. Потом он технологически устаревает, и ему на смену запускают новый. Сегодня 95 процентов спутников – попросту металлолом, и этот хлам будет засорять Вселенную веками, поскольку время баллистического существования объектов в космическом пространстве очень велико. На геостационарной орбите оно может достигать миллиона лет, на низких околоземных орбитах составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.
По расчётам специалистов, при такой тесноте на геостационарной орбите высока вероятность возникновения так называемого «каскадного эффекта», то есть цепи последовательных столкновений, способных привести не только к разрушению действующих космических аппаратов, но и к образованию огромного количества мелкого мусора. Чтобы предотвратить перенасыщение геостационарной орбиты, ООН объявила её «ограниченным природным ресурсом», и теперь места там «выдаются» строго по заявкам. Франк Шефер добавляет:
Чтобы решить эту проблему, на международном уровне было предложено уводить вышедшие из строя спутники на так называемую «орбиту захоронения», расположенную на 300 километров выше рабочей орбиты. Конечно, со временем и она окажется заполненной, но на сегодня это единственный выход. Проблема же в том, что для транспортировки спутника на «орбиту захоронения» нужно горючее, а доставка каждого лишнего килограмма груза в космос обходится в десятки тысяч долларов. Никто не хочет нести эти дополнительные расходы.
Поэтому сегодня лишь треть отслуживших свой срок спутников уводятся на «орбиту захоронения», весь прочий металлолом остаётся на геостационарной орбите, угрожая безопасности соседних спутников.
Что же касается более низких орбит, то очистить их от вышедших из строя космических аппаратов в принципе возможно: например, использовать остатки топлива для перевода спутников на траекторию снижения. Или применять специальные оболочки для увеличения внешней поверхности космических аппаратов, что способствовало бы их скорейшему вхождению в плотные слои атмосферы. Вот только сгорают они там, к сожалению, не всегда. По оценке Сергея Кулика, крупные объекты вроде орбитальных станций «Союз 6 – Салют», «SkyLab» и «Мир» сгорели лишь на 60-90 процентов. Остальное развалилось на множество фрагментов, которые рассеялись на площади в несколько тысяч квадратных километров. Более того, несколько раз дело чуть было не дошло до радиоактивного заражения местности. Григорий Чернявский, директор Центра программных исследований Российского космического агентства, говорит:
Случаи падения космических аппаратов с ядерными источниками энергии – двух советских и одного американского – действительно имели место в период выполнения соответствующих программ и были связаны с аварийными ситуациями.
Утешает лишь то, что сегодня все программы применения ядерной энергетики в космической технике закрыты. Но как быть со старыми спутниками? Григорий Чернявский говорит:
Что касается ранее запущенных космических аппаратов с радиоактивными элементами, то они находятся на высоких орбитах со сроком баллистического существования не менее 300 лет. За это время объекты должны стать радиационно-безопасными. Их фрагменты – в случае возможного пробоя корпуса космического аппарата и вытекания радиоактивных веществ в космосе – могут представлять опасность как обычный мусор и создавать некоторый дополнительный радиоактивный фон.
Риск, что обломки космического аппарата упадут на Землю, существует всегда, - считает Франк Шефер:
Известен пример, когда топливный бак американской ракеты «Delta» упал в Техасе, хотя – по расчётам специалистов – он должен был сгореть в плотных слоях атмосферы. Сегодня государства тесно сотрудничают в этом вопросе: если какая-то страна знает, что один из её спутников может упасть на Землю, она всех предупреждает об опасности.
К сожалению, точно указать район и время прибытия такого «небесного подарка» эксперты могут не ранее чем за сутки до падения, так что времени на принятие мер предосторожности почти не остаётся.
Сегодня за космическим мусором следят мощные радиолокационные и оптические установки. Полученные данные регистрируются в специальных каталогах – это позволяет перед запуском космических аппаратов рассчитывать их курсы так, чтобы избежать столкновений с частицами мусора. Но это помогает далеко не всегда. С помощью наземных средств удаётся наблюдать лишь те космические объекты, линейные размеры которых составляют не менее 10-ти сантиметров. Их зарегистрировано уже почти 9 тысяч, причём лишь около 6-ти процентов из них – действующие спутники, всё остальное – мусор. А ведь опасными при столкновении в космосе считаются объекты размером от одного сантиметра.
Для более точного прогнозирования такого рода событий немецкие учёные разработали недавно новую компьютерная модель. Карстен Видеман (Carsten Wiedemann), сотрудник Института аэрокосмических систем при Техническом университете в Брауншвейге, говорит:
Наша цель состоит в том, чтобы с помощью этой модели оценить вероятность аварийного отказа космического аппарата вследствие его столкновения с частицами космического мусора. Программа позволяет определить, из какого направления, с какой скоростью, то есть с какой кинетической энергией, и какие частицы с определённой вероятностью столкнутся с тем или иным спутником на той или иной орбите.
Европейское космическое агентство намерено уже в конце текущего года предоставить новую программу всем заинтересованным организациям и фирмам. Конечно, компьютерным моделированием и прогнозированием нежелательных космических встреч давно занимается и НАСА, но расчёты американцев надёжны лишь в том случае, если речь идёт о низких орбитах.
Преимущество же нашей программы – в том, что она даёт реалистическое распределение космического мусора во всём околоземном пространстве. Таким образом, мы имеем возможность и на геостационарной орбите моделировать потоки частиц мусора размером до 1 микрометра.
Расчёты НАСА базируются на данных радарных станций и обсерваторий. Немецкие специалисты пошли иным путём: они смоделировали все запуски, аварии и прочие события, так или иначе породившие космический мусор, и ввели эту информацию в свои компьютеры. Карстен Видеман поясняет:
Три главных источника космического мусора – это, во-первых, обломки после взрывов, затем частицы шлака от твердотопливных ракетных двигателей, и капли жидкого металла из ядерных реакторов. В околоземном пространстве с начала космической эры до сегодняшнего дня имели место в общей сложности 189 взрывов, и все они учтены в наших расчётах.
Учтены и 1069 включений твердотопливных двигателей на орбитах, и примерно 66 тысяч металлических капель, образовавшихся ещё в 80-е годы при сбросе выгоревших реакторов. Конечно, такой подход потребовал огромного объёма расчётов, но он себя оправдал. Браушвейгская программа даёт более точную информацию об угрозе столкновений, чем все прочие программы.
Что же касается проблемы космического мусора в целом, то бороться с ним надо так же, как и с мусором на Земле: не допускать его возникновения. И так же, как на Земле, это связано со значительными расходами. Но другого пути нет – в этом были едины все участники конгресса в Дармштадте.