Мусор орбитального масштаба

27 сентября на Землю вернулся космический корабль «Союз МС-23» с российскими космонавтами С.В. Прокопьевым и Д.А. Петелиным, а также астронавтом NASA Фрэнком Рубио. Они провели на Международной космической станции самую долгую миссию в истории ― 371 сутки. Рекорд, впрочем, не был запланирован. Космонавты должны были покинуть МКС еще весной 2023 г., но из-за столкновения станции с микрометеоритом диаметром около 1,5 мм (это чуть меньше спичечной головки) произошла разгерметизация внешнего контура радиатора системы терморегулирования корабля «Союз МС-22». Следующего транспорта на Землю пришлось ждать полгода.

Цифры и модели

Метеориты крошечные и большие ― естественные опасности космоса. Хуже, что при освоении внеатмосферного пространства на близких и дальних орбитах образуется все больше космического мусора, оставленного человеком. По разным подсчетам, в окрестностях Земли находится около 30 тыс. фрагментов размером от 10 см, их встреча с МКС опасна вплоть до возможного разрушения станции. В случае потенциальной угрозы столкновения без гарантии уклонения МКС космонавты получают команду эвакуироваться в корабли. В случае серьезного повреждения станции они отстыкуются и спустятся на Землю. Опасность представляют и маленькие фрагменты мусора, даже кусочки краски: в 2016 г. такой семимиллиметровый фрагмент повредил окно модуля МКС Cupola, оставив трещину. Количество мелких фрагментов мусора размером от одного до десяти сантиметров приближается к миллиону. А фрагментов меньше сантиметра, которые с Земли отследить невозможно, может быть до 20 млн. 

В 2015 г. студент из США создал сайт, на котором разместил 3D-модель существующих объектов на орбитах Земли. Это спутники, обломки аппаратов и корпуса ступеней ракет. В реальном времени видно их перемещение, а при нажатии появляется информация о высоте и угле орбиты, скорости объекта, группировке, к которой он относится. К сожалению, на сайте нет статистики по количеству объектов и неизвестно, когда он в последний раз обновлялся. Но и существующая модель эффективно показывает загруженность космического пространства. Больше всего объектов находятся на низкой околоземной орбите высотой от 160 км до 2 тыс. км. Это в том числе спутники дистанционного зондирования Земли и созвездия спутников связи, например системы Iridium, и сопутствующий им мусор. На низкой орбите находится и МКС. Второе по степени загруженности пространство ― на расстоянии около 36 тыс. км ― это геостационарная орбита, тоже плотно занятая аппаратами: там часто размещают телекоммуникационные спутники, постоянно находящиеся над одной и той же точкой Земли.  

Синдром Кесслера

Опасность, связанную с орбитальными отходами, признают все космические державы мира. Впрочем, в информационном поле проблема космического мусора пока отражена слабее, чем вопросы, связанные с утилизацией и переработкой мусора земного. Хотя при пессимистическом сценарии техногенные последствия освоения космоса могут или серьезно замедлить космическое развитие, или вовсе на десятилетия закрыть путь за атмосферу.

Такую вероятность еще в 1978 г. предсказал сотрудник NASA Дональд Кесслер. В ситуации, когда количество объектов на орбите превысит определенный порог, риск их столкновения значительно увеличится. Такие аварии происходили уже не раз. Например, в 1996 г. третья ступень французской ракеты Arian столкнулась со спутником CERISE. В 2006 г. спутник «Экспресс-АМ11» потерял ориентацию и начал неконтролируемое вращение: комиссия пришла к выводу, что результатом стало столкновение с фрагментами космического мусора. В феврале 2009 г. спутник американской компании Iridium столкнулся с российским военным спутником связи «Космос-2251», который к тому моменту не использовался 14 лет.

В результате каждого происшествия от аппаратов откалываются куски, фрагменты мусора дробятся, становятся меньше, но увеличивается их количество. Опасность при таких столкновениях представляет «эффект домино»: разбиваясь, обломки выходят на новые орбиты, маленькие фрагменты не всегда получается отследить, а если их станет достаточно много, они начнут сталкиваться с другими спутниками. Все больше и больше взаимно разрушающиеся обломки способны сделать ближний космос непригодным для полетов. И такая вероятность сегодня рассматривается всерьез.

Кубический спутник на орбите

Миллионы обломков ― это много, но прогнозируемая Кесслером цепная реакция пока не началась. Во-первых, многие из обломков отслеживаются с Земли и аппараты регулярно совершают маневры уклонения. Во-вторых, по сравнению с объемами космического пространства космический мусор слишком мал, в том числе и крупные фрагменты мусора, вплоть до целых, но неработающих спутников.

Немного оптимистичных расчетов. Возьмем условный спутник, для упрощения кубической формы с ребром 3 м. В 1 км³ космического пространства можно разместить около 37 млн таких спутников — то есть все находящиеся сегодня в космосе аппараты, обломки и их фрагменты. Низкая околоземная орбита, на которой находится большинство и работающих аппаратов, и мусора, ― это пространство от 160 до 2 тыс. км над поверхностью планеты в форме сферической оболочки. Рассчитываем объем по формуле 4/3 π(R³ - r³), где R, радиус внешней сферы низкой орбиты, ― 8378 км, а r, радиус внутренней, ― 6538. Вычитаем объем меньшей сферы из объема большей и, округляя до целых, получаем 1292616730527 км³ пространства низкой околоземной орбиты ― один триллион двести девяносто два миллиарда шестьсот шестнадцать миллионов семьсот тридцать тысяч пятьсот двадцать семь кубических километров. Вполне достаточно места, чтобы объекты, которые вместе занимают только один 1 км³, могли относительно безопасно разминуться.

Конечно, это упрощенные расчеты без учета многих факторов, но соотношение занятого и свободного околоземного пространства оценить можно. При этом без внешних воздействий и корректировок обломки на низких орбитах в какой-то момент сгорят в атмосфере. Это касается мусора, расположенного максимально низко: до 400 км. По расчетам, аппараты, находящиеся на орбите 200 км, сойдут с нее в течение нескольких дней, а с высоты 400 км спустятся до атмосферы примерно через год. Все, что выше 800 км над Землей, останется на орбите тысячелетиями. 

Следить, утилизировать, регламентировать

В октябре 2023 г. впервые был выписан штраф за распространение космического мусора. Федеральная служба связи США оштрафовала на $150 тыс. провайдера спутниковой связи Dish Network за то, что после окончании срока эксплуатации одного из спутников аппарат подняли недостаточно высоко над геостационарной орбитой. Топлива хватило только на то, чтобы повысить орбиту на 122 км вместо заявленных в документах 300 км. Решение о штрафе назвали прорывным в области борьбы с космическим мусором. Прецедент показывает, что государства способны бороться с угрозой космической помойки на законодательном уровне.

Если запланированные проекты космических держав будут реализованы, то к 2030 г. на ближних и высоких орбитах Земли начнут кружить более 100 тыс. искусственных спутников — примерно в десять раз больше, чем сейчас. Подсчитать точное количество невозможно из-за части засекреченных проектов. Колоссальное количество новых объектов потребует их регламентированного запуска, выхода на орбиту и движения по ней, в том числе именно из-за риска столкновений и последующих негативных перспектив. Для этого через пять лет могут быть введены международные правила движения космических спутников по аналогии с воздушным движением, своего рода орбитальные ПДД.

А пока в России готовится к запуску система «Млечный Путь». Не для исследования Галактики, на что намекает название, а для контроля космического мусора. Ожидается, что система наземных телескопов и группировка космических спутников мониторинга околоземного пространства будут проводить до 15 млн измерений в сутки, чтобы находить опасные объекты и предупреждать о возможных столкновениях. Специалисты «Роскосмоса» заявляли, что система предусматривает международное сотрудничество, при котором участники смогут обмениваться информацией для обеспечения безопасности своих спутниковых группировок.