8 способов поглотить орбитальный мусор и синдром Кесслера
7 июля 2025 г.На орбите Земли уже около полумиллиона предметов размером с сигаретный пакет, и вскоре не будет места для перемещения. Многие люди имеют общее представление о том, что это угрожает, но не все ценит масштаб проблемы. Особенно учитывая, что мусор движется со средней скоростью в 10 раз быстрее, чем начальная скорость пули, выпущенной из CZ Bren 2. Ниже приводится краткое изложение текущей ситуации в космосе, несколько возможных решений проблемы и краткое описание методов, которые начинают обсуждаться в научных кругах.
Что такое космический мусор?
Космический мусор-это искусственные объекты, которые находятся на орбите, но не имеют практического значения. Это в основном устройства, которые достигли конца своей активной жизни - они были повреждены в результате несчастного случая или просто достигли окончания своей службы:
- Верхние усилители стартовых транспортных средств;
- структурные элементы ракеты и космических технологий;
- детали и мусор в результате несчастных случаев;
- потерянные элементы, такие как теплоизоляционная плитка;
- частицы топлива, краски и облицовки.
Согласно современному космическому закону, страна, которая запустила объект в космос, должна удалить его после окончания срока службы. Но до сих пор это только теория. На практике неограниченное распространение космического мусора может поставить под угрозу программы полета.
Какова опасность космического мусора?
Первая проблема - скорость. Крупнейшим искусственным объектом на орбите Земли является МКС. Давайте возьмем свою орбиту для наших расчетов - на 390 км над поверхностью планеты. Мы знаем, что МКС делает одну полную революцию вокруг Земли за 1,5 часа. Из этого легко рассчитать линейную скорость движения на орбите - 28 000 км/ч. Это в 10 раз быстрее, чем пуля 7,62x39, выпущенная из CZ Bren 2.
Представьте себе, что произойдет, если мешок с мусором ударит вашу голову с такой скоростью? И это не максимальная скорость. Многие спутники летают намного быстрее.
Вторая проблема - это количество космического мусора.
На изображении ниже показаны результаты симуляции изщеткий. Space, что ясно демонстрирует искусственные объекты на почти земной орбите: от 100 до 1000 км над поверхностью Земли. Почти все это космический мусор. Есть информация о каждом объекте.
Большой красный круг - это популярная геостационарная орбита, где обычно расположены телекоммуникационные спутники, которые всегда «висят» в одном месте для наблюдателя на земле.
Классификация мусора
Космический мусор классифицируется по размеру.
Небольшой космический мусор представляет собой объекты меньше 1 см. Согласно наиболее оптимистичным оценкам, существует около 10 миллионов таких объектов. Пессимистические оценки составляют число около 20 миллионов.
Эти миллионы частиц не могут быть отслежены с Земли. Их полет непредсказуемый.
Представьте, что такая «пуля» поражает ваш космический корабль. Это, вероятно, пронзит это. Скорее всего, космический корабль будет оставаться функциональным, но это серьезный ущерб, который может привести к выходу из строя встроенной электроникой.
Вторая группа-это космический мусор среднего размера. Это объекты с максимальным диаметром поперечного сечения от 1 до 10 см. Хотя их значительно меньше - около 500 000 единиц - они гораздо более опасны. Столкновение между любым спутником и таким объектом нанесет серьезный ущерб. Скорее всего, устройство потеряет функциональность, и, кроме того, будут сформированы небольшие фрагменты нового космического мусора.
Преимущество заключается в том, что мы можем отслеживать объекты среднего размера. Если автоматизированная система предупреждения о опасных ситуациях в ближайшем пространстве (ASPOS OKP) обнаруживает, что объект летит в направлении МКС, орбита последнего регулируется-станция поднимается или опускается, чтобы избежать столкновения.
Самая маленькая и самая опасная группа объектов - это большой космический мусор. Это включает в себя все, что с диаметром поперечного сечения более 10 см. Есть около 21 000 таких объектов. Это космический корабль и их большой мусор. Столкновение с таким объектом аналогично автомобильной аварии со скоростью 28 000 км/ч. Ничто не останется космическим кораблем, вовлеченным в такое столкновение. Более того, разрушение создаст большое количество небольших космических мусоров, которые будут двигаться по непредсказуемым траекториям.
Как быстро накапливается мусор?
Известно, что более 25 000 объектов, превышающих 10 см. Расчетная популяция частиц диаметром от 1 до 10 см составляет приблизительно 500 000. Количество частиц, превышающее 1 мм, превышает 100 миллионов. По состоянию на январь 2022 года количество материала, вращающегося на земле, превысило 9 000 метрических тонн.
Вот как их число выросло с 1961 года:
На этом графике два прыжка видны на линии «Общие объекты», помеченные «Fengyun Anty-Satellite Test» и «Cosmos-Iridium», в 2007 и 2009 годах соответственно. Теперь я объясню, откуда они пришли.
В 2007 году Китай проверил технологию спутникового перехвата, выпустив анти-сателлитную ракету в первом в серии собственных космических кораблей, Fengyun 1c. К тому времени космический корабль больше не функционировал и считался космическим мусором. Ракета уничтожила ее, взрывая ее почти в 2500 штук. Результат этого столкновения показано на слайде:
Никаких других космических кораблей не пострадали. Тем не менее, общение с парой спутников было потеряно, и многие предполагают, что они были инвалидом в результате столкновения с мусором Fengyun 1c.
Второй прыжок произошел в 2009 году. На российской территории американский телекоммуникационный спутник Iridium 33, который в то время работал, столкнулся с российским спутниковым космосом 2251, который больше не был эксплуатацией. Конвергенция устройств была известна заранее, но Космос уже был вне порядок, и у Иридиума не было средств контроля, поэтому столкновение не могло быть предотвращено.
Это была первая известная авария с участием двух искусственных объектов в космосе. В результате было сформировано около 3000 штук мусора. На рисунке показана модель их распределения вокруг Земли:
Синдром Кесслера
Американский астроинженер Дональд Кесслер был первым, кто описал явление хаотического увеличения количества искусственных объектов на орбите Земли. По его мнению, этот рост приведет к цепной реакции, которая сделает пролиферацию космического мусора неконтролируемым.
Этот эффект хорошо проиллюстрирован в фильме «Гравитация», где одно столкновение вызывает каскадный эффект. В настоящее время объекты космического мусора находятся на орбите, как бомбы времени. Рано или поздно любой из них может взорвать.
Решение проблемы космического мусора
Уже есть ряд предложений о борьбе с космическим мусором, начиная от радикальных, таких как полностью отказавшись от космических полетов в течение нескольких десятилетий, ожидая, пока пространство для приземления, чтобы очистить себя, до выполнимых.
Есть даже классификация для методов удаления. Давайте поговорим о каждой из этих групп.
Пассивные методы удаления
Эта группа методов включает в себя использование природной среды (что вокруг нас) без искусственных влияний.
Солнечный парус
Солнечный парус (похожий на обычный парус на корабле) собирает энергию солнца, чтобы замедлить объект. Когда он замедляется, его орбита начинает уменьшаться, в конечном итоге вступая в орбиту повторного входа. Затем объект безопасно падает на Землю, сжигая в верхних слоях атмосферы.
Основным недостатком солнечного паруса является его размер. Для эффективной работы паруса его область должна быть сопоставимой с небольшим футбольным полем. В условиях постоянной «бомбардировки» небольшим космическим мусором на орбите будет трудно использовать такую структуру и сохранить ее в эксплуатации.
Кроме того, этот метод трудно использовать на космическом корабле, который уже был запущен. Пока не ясно, как установить на них солнечный парус, развернуть его и ориентироваться, чтобы достичь желаемого эффекта.
Атмосферное сопротивление
Этот метод основан на том же эффекте паруса, но в атмосфере Земли.
На орбите 500 км влияние атмосферы все еще заметно. Его плотность низкая, но частицы газа все еще могут использоваться для замедления. Для этого предлагается использовать либо надувной баллон, либо специальную пену, которая расширяется несколько сотен раз. В обоих случаях площадь поперечного сечения объекта увеличивается, она замедляется, а орбита уменьшается.
Пример использования воздушного шара для замедления спутника в атмосфере. Согласно расчетам, для ускорения удаления 700 -километрового иридийного устройства потребуется баллон с радиусом 17 млн. Это сократит время спуска с 97 лет до 143 дней.
Метод пены безопасен, потому что он требует только полета рядом с космическим мусором, не запечатлевая его. Однако его применение ограничено. На высоте более 1000 км над поверхностью Земли практически нет атмосферы, поэтому замедление будет слабым.
Электродинамическая кабельная система
Из школьной физики мы знаем, что Земля представляет собой большой магнит с северными и южными полюсами и магнитное поле. Если проводник, несущий ток, перемещающийся в магнитном поле, генерируется сила Лоренца, которая может использоваться для замедления. Для этого кабель должен быть понижен вертикально от объекта космического мусора на Землю, и ток должен проходить через него.
Этот метод не имеет ограничений на высоту орбиты: магнитное поле Земли достаточно обширно. Однако, чтобы использовать его, необходимо каким -то образом прикрепить проводящие кабели к объектам космического мусора, которые уже были запущены, а также для их позиционирования в направлении земли.
Эффективность методов пассивного удаления
Давайте сравним, как долго объект останется в космосе самостоятельно и при воздействии методов, описанных выше.
Если космический корабль продлится 10–15 лет на орбите 500 км, он может существовать беспрепятственно более 1500 лет до 1000 км. При использовании атмосферы для замедления космического корабля на орбите до 1000 км 1500 лет сокращаются до 100 лет, что указывает на высокую эффективность метода.
С помощью электродинамической кабельной системы 1500 лет сокращается до 1–2 года, поэтому она серьезно считается основным пассивным методом удаления пространственного мусора с орбиты.
Следовательно, заключение: чтобы избежать очистки сварки в космосе, весь космический корабль должен быть оснащен кабелями на стадии проектирования.
Активные методы удаления
Эти методы включают прямое и активное вмешательство на объекты космического мусора.
Неконтактные методы
Одним из самых интересных методов в этой группе является лазер.
Идея состоит в том, чтобы нагреть поверхность объекта мусора, чтобы материал испарился. При определенных условиях это создаст механический импульс и приведет к замедлению и уменьшению орбиты космического мусора.
Одним из серьезных недостатков этого метода является то, что если такое объект находится на Земле, его работа будет слишком энергоемким. Альтернативная идея - поместить объект на орбиту. Здесь будут трудности с ориентированием устройства, чтобы он всегда получил солнечную энергию, и лазер попадает в космический мусор. Но в принципе, эти проблемы могут быть решены.
Ионный поток
Идея состоит в том, чтобы использовать ионные двигатели. Если на устройстве чистящего устройства установлены два таких двигателя, он сможет одновременно «взорвать» на объект мусора, вывести его с орбиты и поддерживать свою собственную орбиту.
Основным преимуществом ионных двигателей является их низкое потребление энергии. Один двигатель будет работать в течение года на пять килограммов топлива. По космическим стандартам это очень мало. Хотя тяги ионного двигателя недостаточно для эффективного перемещения космического корабля, этого достаточно для работы с мусором.
Электростатическое взаимодействие - кулоновская сила
Если мы зарядимся (создать поле электростатического силы) для очистки устройства и объекта пространственного мусора, то, управляя одним, мы можем изменить орбиту другой. В случае обвинений в различных знаках мы будем вытащить мусор за чистотером, и в случае обвинений того же знака мы выбим мусор с орбиты.
Гравитационное чистящее средство
Это новейшая и довольно оригинальная идея. Он состоит из создания большой, массивной станции, которая из-за своей массы 100 тонн будет собирать космический мусор на почти земных орбитах, как магнит в своей холмной сфере. Каждый собранный объект увеличит массу станции, увеличивая свою сферу холма.
Методы контакта
Вторая группа методов активного удаления включает прямой контакт с мусором. Специальный космический корабль используется для захвата мусора и сопровождения его либо на орбиту утилизации, либо в атмосферу.
Существует два основных подхода: жесткая связь между более чистым космическим кораблем и мусором и гибким соединением. Оба довольно реалистичны, но «жесткий» подход имеет значительный недостаток. Если мы попытаемся схватить массивный объект на высокой скорости с механическим манипулятором, мы, скорее всего, просто отречь манипулятор. Поэтому кабельная система кажется более жизнеспособной.
С помощью его помощи мы можем захватить объект мусора с помощью сети, гарпуна или другого устройства (как в рыбалке), а затем перетащить его позади:
В настоящее время наиболее развиты методы жесткого и мягкого захвата, в том числе во время экспериментов на МКС, хотя они еще не используются для фактической сбора мусора.
Вопрос о том, что делать с мусором, тоже не разработал. Привлечение мусора на орбиту утилизации - это все равно, что подметать его под ковер. Случайные столкновения между объектами или между мусором и космическим объектом могут выбить неиспользованный космический корабль с орбиты, добавляя к нашим проблемам.
И сжигать все в атмосфере - не самая лучшая идея. Если объект большой, фрагменты могут вылететь и достигать земли в радиусе тысяч километров. Возможно, мусор должен быть переработан непосредственно на орбите. Как и с тем, что еще не ясно. Но, возможно, какой -то стартап придумает решение в ближайшем будущем. Смотри, былСтудент, который сейчас очищает мусор в океане и рекахПолем И он нашел спонсоров.
Заключение
Кстати, на днях было выражено еще одно интересное мнение, что некоторые из мусора на орбите обязательно должны быть оставлены там, поскольку оно представляет собой превосходные «временные машины». И когда технологии улучшаются, и космический туризм станет обычным делом, можно будет открыть музей непосредственно на орбите.
Хотя лично я думаю, что синдром Кесслера является более реалистичным сценарием. Но у меня нет другой планеты, поэтому я надеюсь, что этого никогда не произойдет. Как сказал Куарон своим критикам, «гравитация не документальный фильм, это научная фантастика». Давайте оставим это таким образом.
Оригинал