Сценарий «Гравитации»: насколько опасен космический мусор

Мы живем в эпоху, которую в будущем, вполне возможно, назовут началом полномасштабной космической экспансии человечества. Если в 2014 году на околоземной орбите насчитывалось чуть больше тысячи активных спутников, то к концу 2023-го их количество превысило отметку в 9000.

Этот взрывной рост обеспечен развертыванием мега-спутниковых созвездий, в первую очередь систем Starlink и OneWeb. И вряд ли стоит ожидать, что в ближайшем будущем подобная тенденция серьезно замедлится. На данный момент Международный союз электросвязи получил заявки на создание более 300 спутниковых созвездий, суммарно насчитывающих миллион (!) аппаратов. Да, подавляющая их часть, скорее всего, останется на бумаге. Но и то, что будет запущено, еще больше загрузит околоземную орбиту.

Все это подводит нас к закономерному вопросу: насколько существенно подобное уплотнение увеличивает риски возникновения опасных ситуаций вроде столкновения между спутниками и/или с участием космического мусора? Давайте попробуем разобраться.

Краткая история появления космического мусора

Многие любители космонавтики наверняка знают о том, что первым в истории фрагментом космического мусора была та самая легендарная звездочка, засветившаяся в ночном небе после 4 октября 1957 года. Дело в том, что первый «Спутник» был слишком мал, чтобы его возможно было разглядеть невооруженным глазом. Поэтому наблюдатели видели именно оставшуюся на орбите верхнюю ступень запустившей его ракеты.

В последующие десятилетия мало кто обращал внимание на проблему космического мусора, что довольно логично, ведь околоземное пространство тогда еще практически пустовало. В итоге сверхдержавы активно выводили многочисленные аппараты и проводили эксперименты, которые абсолютно невозможно представить сейчас. Чего стоит хотя бы серия высотных ядерных взрывов в конце 1950-х — начале 1960-х! Или проект West Ford, в ходе которого на орбиту было выброшено почти полмиллиарда медных иголок с целью создания вокруг Земли искусственного кольца? Также не следует забывать, что сверхдержавы весьма интенсивно испытывали противоспутниковое оружие, не особо задумываясь о последствиях подобных действий.

Первые опасения относительно космического мусора были публично озвучены в конце 1970-х. Большую роль сыграло исследование ученого Дональда Кесслера, описавшего сценарий так называемого каскадного эффекта, позже названного в его честь. Его стартовой точкой является столкновение двух достаточно крупных объектов на орбите либо какое-то событие, приводящее к возникновению большого количества обломков. Они ударяются о другие спутники, появляются новые обломки, в свою очередь сталкивающиеся между собой. И так до тех пор, пока орбита не становится полностью непригодной для использования. Подобный сценарий, пускай и в художественно сильно приукрашенной форме, стал основой фильма «Гравитация».

После этого начали предпринимать некоторые меры, направленные на ограничение роста количества космического мусора. Среди них отведение старых аппаратов на орбиту захоронения, а также пассивация отработанных ступеней и разгонных блоков — то есть слив из них остатков топлива. Дело в том, что отработанная космическая техника имеет тенденцию взрываться. Обычно это происходит из-за образования паров топлива, порой спровоцировать взрыв могут аккумуляторы. Именно взорвавшиеся старые ступени ответственны за значительную часть нынешней орбитальной мусорной свалки.

Но такие меры могли лишь замедлить скорость появления нового космического хлама, а не решить проблему — тем более что потребовалось много лет, чтобы они стали общепринятым стандартом, которого сейчас придерживается большинство стран.

Ситуацию дополнительно усугубила начавшаяся в XXI веке серия испытаний противоспутникового оружия: от китайского теста 2007 года до печально известного российского эксперимента, в ходе которого был уничтожен спутник «Космос-1408». Это породило тысячи обломков, многие из которых до сих пор остаются на орбите.

Учитывая все это, действительно опасный инцидент с образованием космического мусора был лишь вопросом времени. «Историческое» событие произошло в 2009 году, когда в небе над Антарктидой столкнулись спутники «Космос-2251» и Iridium 33. Оба аппарата дезинтегрировали, рассыпавшись на несколько тысяч обломков — а мир получил наглядный пример того, что происходит, если не решать проблему космического мусора.

Текущая обстановка на орбите

Так как же обстоят дела сейчас? По состоянию на начало 2024 года на орбите насчитывалось 12 597 спутников. Из них 3356 были неактивными — то есть, по сути, космическим мусором.

Но вышедшие из строя спутники — лишь вершина айсберга. В общей сложности средства слежения фиксируют свыше 25 000 объектов на околоземной орбите размером более 10 см. В их число входят обломки от испытаний противоспутникового оружия, взорвавшихся ступеней, детали ракет и разгонных блоков, и даже потерянные космонавтами инструменты.

На каждый такой отслеживаемый обломок приходится по два десятка фрагментов размером от 1 до 10 см, которые уже слишком малы, чтобы их увидел радар. А если брать во внимание объекты размером менее 1 см, счет пойдет уже на миллионы.

Бесспорно, космос большой. Но проблема в том, что все эти обломки заполоняют околоземное пространство неравномерно. Они сосредоточены на нескольких основных орбитальных эшелонах. Первым является участок на высотах от 400 до 600 км, где пребывает основная масса космических аппаратов. Здесь можно встретить все — от Starlink до давно вышедших из строя советских и российских военных спутников.

Затем следует регион на высоте 740–780 км, служащий «домом» для множества старых спутников связи. Следующий мусорный пояс превышает 940–1000 км над Землей. Там тоже огромное количество ветхих неисправных спутников, включая советские аппараты УС-А, которые оснащались ядерными реакторами. Еще одно кладбище советской космической техники — на высоте 1400–1500 км.

Необходимо учитывать, что чем выше пролегает орбита — тем больше времени потребуется объекту, чтобы войти в земную атмосферу. Если говорить о наиболее «замусоренных» орбитах, речь о временных промежутках, измеряемых годами (для высот порядка 400 км) и несколькими десятилетиями (для высот 600 км). В процессе естественного очищения немаловажную роль играет солнечная активность. Ее всплески могут значительно ускорить процесс схождения объектов с орбиты.

Однако на отметке свыше 700 км этот природный механизм уже практически не работает. Хлам на высоких орбитах останется в космосе на сотни и тысячи лет. Отдельно необходимо упомянуть геостационарную орбиту. Мусор на ней будет существовать практически вечно (речь о миллионах лет). Поэтому отработавшие свое спутники обычно уводят на так называемую орбиту захоронения, расположенную на несколько сотен километров выше геостационарной. На данный момент там находится больше 500 выведенных из эксплуатации аппаратов.

Впрочем, хотя международные правила и требуют уводить отработанные геостационарные спутники на орбиту захоронения, иногда (обычно в силу технических причин) этого не происходит. Со временем такие аппараты начинают дрейфовать, создавая помехи своим соседям. Еще больше ситуацию заостряет запуск новых спутников. По данным компании Slingshot Aerospace, к 2023 году средняя дистанция между аппаратами на геостационарной орбите уменьшилась на 33% в сравнении с 2010-м. И этот тренд будет сохраняться по мере развертывания новых спутников.

Борьба с космическим мусором

Все вышесказанное подводит нас к заданному в самом начале вопросу: насколько велика вероятность того, что в один «прекрасный» день ситуация выйдет из-под контроля? Сразу стоит сказать, что она действительно имеется, но нам пока везет. Полномасштабное столкновение между «Космосом-2251» и Iridium 33 все еще остается единичным событием, хотя инциденты, когда в действующие спутники попадали какие-то обломки, случались, и не раз.

Вряд ли так будет длиться вечно. Взрывной рост количества спутников на околоземной орбите практически неизбежно гарантирует повторение чего-то похожего. По данным занимающейся мониторингом околоземной орбиты компании LeoLabs, в 2022 году произошло 836 опасных сближений, в ходе которых объекты в космосе разминулись на расстоянии менее 100 м. Треть этих сближений пришлась на орбиты высотой 800–900 км, в настоящее время наиболее опасные. Именно там, например, находится 8-тонный спутник Envisat, который некоторые эксперты называют самым угрожающим в мире фрагментом космического мусора. Его разрушение создаст огромное количество обломков, что при некоторых обстоятельствах может привести к возникновению того самого предсказанного Кесслером эффекта домино.

Конечно, надо понимать, что в данном случае речь идет об одной из орбит. Условное разрушение Envisat не скажется на геостационарных спутниках, и не создаст угрозы той же МКС. Но оно вполне может привести к тому, что человечество надолго лишится возможности безопасно использовать часть околоземного пространства.

Дела на более низких орбитах обстоят несколько лучше. Если там произойдет большое столкновение, по крайней мере, порожденные ним обломки сгорят в атмосфере в обозримой перспективе.

Тем не менее, в целом ситуация остается действительно сложной — и, откровенно говоря, вряд ли упростится в ближайшие десятилетия. Дело в том, что практически все существующие ныне меры по борьбе с космическим мусором являются пассивными. Это значит, что они направлены на предотвращение роста его количества. Из основных мер это уже упомянутая пассивация ракетных ступеней, выведение спутников на орбиту захоронения или их сведение с орбиты по окончании службы. По мере того, как растет понимание угрозы от мусора, подобные инициативы начинают переходить из статуса добровольных в обязательные. Например, в 2022 году Федеральная комиссия по связи США обязала спутниковых операторов убирать аппараты с орбиты в течение пяти лет после завершения их работы.

Еще одной интересной новацией является оснащение космических аппаратов системами предотвращения столкновений вроде той, которая есть у спутников Starlink. Но опять же, все эти меры в основном направлены на недопущение появления нового космического мусора, а не на борьбу с уже существующими обломками.

Разумеется, существуют и более «активные» проекты, задачей которых является утилизация уже находящегося на орбите мусора. Но надо понимать, покамест речь в лучшем случае идет об отдельных демонстрационных миссиях. И опять же, их целью станут лишь самые крупные и опасные объекты. Однако, как убрать с орбиты условную гайку — большой вопрос. Некоторые эксперты предлагают использовать для этого лазеры. К тому же авторы подобных инициатив упускают один очень важный момент. Способный уничтожать космический мусор лазер точно так же сможет уничтожать и обычные спутники, то есть, ввиду геополитической ситуации, будет рассматриваться как оружие — со всеми вытекающими последствиями. В теории, такое устройство можно было бы передать под контроль какой-то независимой международной организации. Но, учитывая текущие реалии, следует признать, что это представляется крайне маловероятным.

В связи с этим спутниковым операторам и космическим агентствам уже сейчас стоит начать разработку протоколов и планов действий на случай большого столкновения на орбите. То, что оно произойдет, почти не вызывает сомнений. И темпы запуска новых спутников указывают, что это может случиться куда быстрее, чем многие считают.