Гарпуни, роботи та лазери: як зібрати недіючі супутники та інше космічне сміття та повернути його на Землю

Автор: Ралф Куні, почесний професор матеріалознавства Оклендського університету.

Більше половини з тисяч супутників на орбіті зараз не працюють, і це накопичення космічного сміття навколо Землі називають «фатальною проблемою» для поточних і майбутніх космічних місій і космічних подорожей людини.

За даними Европейського космічного агентства (ЕКА), приблизно 130 мільйонів об’єктів менших за 1 см і 34 000 більших за 10 см рухаються по орбіті зі швидкістю тисячі кілометрів на годину. Доповідь, представлена на цьогорічній Европейській конференції з космічного сміття, передбачає, що кількість космічного сміття може зрости в п’ятдесят разів до 2100 року.

У той час як багато уламків космічного сміття дрібні, вони рухаються так швидко, що зіткнення з ними має достатньо енергії, щоб вивести з ладу супутник або завдати значної шкоди космічним станціям.

Як телескоп «Габл», так і супутники Solar Maximum Mission (SMM) мали отвори розміром з монету, пробиті в них летючим сміттям, а дзеркало на космічному телескопі НАСА імені Джеймса Веба було пошкоджено мікрометеороїдами.

Більшість супутників не були спроєктовані з розрахунком на їх подальшу утилізацію після закінчення терміну експлуатації. Близько 60% з 6000 супутників на орбіті зараз не працюють. Поряд з меншими об’єктами ці недіючі супутники становлять основну проблему як для теперішніх, так і для майбутніх супутників і космічних станцій.

Очікується, що мегасузір’я супутників, які зараз відправляються в космос такими корпораціями, як SpaceX і Amazon, змінять доступ до інтернету для всіх країн. Але ці приватні телекомунікаційні підприємства також виводять ще 50 000 супутників на вже небезпечно перевантажені орбіти.

Вчені попереджають, що стрімкий розвиток мегасузір’їв може спричинити кілька «трагедій спільнот», в тому числі для наземної астрономії, орбіти Землі і верхньої атмосфери Землі.

Способи збирати космічні уламки

Зростає занепокоєння, що ми, можливо, створюємо оболонку з космічного сміття, яка може перешкоджати людським космічним подорожам, дослідженню космосу і використанню супутників на деяких ділянках земної орбіти – цю проблему називають «синдромом Кеслера». Такий сценарій, який продовжить розгортатися через зіткнення між космічними об’єктами, які створюють дедалі більше сміття, може також завдати шкоди нашим глобальним системам зв’язку і навігації.

Саме тому розробка практичних технологій збирання уламків є важливою і невідкладною. Наразі було розроблено різні стратегії вирішення проблеми космічного сміття, деякі з них нещодавно були визначені пріоритетними.

На сьогоднішній день жоден орбітальний об’єкт не був успішно повернутий з космосу.

Однією з головних проблем при розробці стратегій збирання космічних відходів є передача енергії між уламком (ціллю) і переслідувачем під час першого контакту. Існує два пріоритетних підходи і третій знаходиться в стадії розробки:

1. Методи розсіювання енергії зіткнення спрямовані на зменшення енергії удару уламків. В одному з підходів супутник-переслідувач гарпуном простромлює космічний уламок. Після успішного пострілу супутник-переслідувач, гарпун і ціль з’єднуються еластичним тросом, і супутник-переслідувач тягне за собою уламок, щоб вони разом повернулися в атмосферу і згоріли.
2. Нейтральний енергетичний баланс передбачає метод магнітного захоплення, який використовує магнітні котушки для досягнення ідеального енергетичного балансу між переслідувачем і ціллю. Це метод м’якого стикування, який є попереднім кроком до якогось наступного методу утилізації уламків.
3. Руйнівне поглинання енергії спрямоване на знищення дрібних уламків за допомогою потужного лазера. Але завдання полягає в тому, щоб розробити комбінацію лазера і батареї, яка була б потужною, але достатньо легкою. Лабораторія в Китаї розробляє лазерну систему космічного базування, яка буде встановлена на супутнику-переслідувачі, здатному уражати уламки розміром до 20 см. Проєкт НАСА Оріон використовує наземні лазери для знищення дрібних уламків.

Перший проєкт зі збирання космічного сміття заплановано на 2025 рік, і його очолюватиме ЕКА. Він передбачає співпрацю на базі швейцарської дочірньої компанії ClearSpace.

Переслідувач ClearSpace зустрінеться з ціллю та захопить її за допомогою чотирьох роботизованих рук. Переслідувач і захоплена пускова установка будуть потім зведені з орбіти і згорять в атмосфері.

Супутник-переслідувач ClearSpace використовує роботизовані руки для захоплення космічного сміття. Джерело: ЕКА.

Висока вартість і більше забруднення

Ключовою проблемою є значні витрати, пов’язані з запропонованими рішеннями, враховуючи величезний масштаб проблеми космічного сміття. Іншим важливим аспектом є потенційний вплив зусиль з очищення космосу на атмосферу нашої планети.

Ідея про те, що дедалі більше супутників та інших об’єктів будуть спалюватися в атмосфері, коли їх повертатимуть з космосу, турбує кліматологів. Космічне сміття знижується природним шляхом і згорає в нижніх шарах атмосфери, але підвищення рівня вуглекислого газу зменшує щільність верхніх шарів атмосфери, що може зменшити її здатність тягнути сміття назад до Землі.

Спалювання дедалі більшої кількости супутників та іншого космічного сміття (наразі 80 тон на рік), що падає природним шляхом або за допомогою нових методів збирання, також призведе до вивільнення продуктів розкладання в атмосферу.

Це, безумовно, спричинить збільшення викидів вуглекислого та інших парникових газів. Розкладання певних матеріалів у супутниках також загрожує призвести до виділення хлорфторвуглецевих газів, які можуть пошкодити озоновий шар.

Важко не помітити паралелей між проблемою космічного сміття та переробкою відходів. Очевидно, що нам потрібно розробити стратегію циркулярної економіки для наших космічних відходів.

Зараз відповідальність за космічне сміття несе країна походження. Це може стати на заваді майбутнім міжнародним програмам співпраці зі збирання космічного сміття.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Harpoons, robots and lasers: how to capture defunct satellites and other space junk and bring it back to Earth» в журналі The Conversation 13 вересня 2022 р.

Переклали Ірина Бачуріна, Олег Псюковський та Катерина Шарабура