Вперед у майбутнє. Перспективи використання навколоземної орбіти

Людство давно і вельми успішно використовує навколоземну орбіту для власних потреб. Супутники, розташовані на ній, забезпечують нас прогнозами погоди, зв’язком, інтернетом і можливістю визначити місце розташування в будь-якій точці земної кулі. Не слід забувати і про військових — жодна сучасна армія не зможе ефективно вести бойові дії без підтримки з космосу.

Але зараз на орбіті відбувається справжня революція. На наших очах створюються перші мегасузір’я супутників, приватні космічні кораблі перевозять людей, а перспектива побудови комерційних орбітальних станцій не здається фантастикою. Тож давайте спробуємо уявити, що може чекати навколоземну орбіту вже в недалекому майбутньому.

Космічна СТО

Одним із основних трендів розвитку навколоземної орбіти, безумовно, стане розвиток сектора, який можна умовно назвати “космічною СТО”. Річ у тім, що сучасні супутники вже досягли високого рівня надійності. Так, аварії усе ще трапляються, але загалом термін життя космічних апаратів усе частіше визначає не надійність роботи їхніх систем, а “витратники” — запаси палива, а також ресурс сонячних батарей і акумуляторів.

З фінансової точки зору набагато простіше дозаправити старий супутник, що зберіг повну працездатність, ніж будувати і запускати абсолютно новий. Уже зараз на орбіті успішно працюють кілька буксирів для утримання орбіти апаратів, в яких закінчилось паливо. Але це лише початок. Очевидно, що майбутнє не за подібним індивідуальним підходом, а за універсальними системами, які зможуть здійснювати пряму дозаправку багатьох апаратів.

Зрозуміло, все це — питання не одного дня. Орбітальна дозаправка вимагатиме оснащення супутників універсальними заправними портами, а також створення мережі космічних танкерів та АЗС. Низка компаній уже працює над такими системами. І ми навіть маємо перші цифри вартості космічної дозаправки. Так, нещодавно аерокосмічний стартап Orbit Fab заявив про те, що дозаправка супутника на геостаціонарній орбіті коштуватиме замовнику $20 млн.

Утім, оскільки на ринку неминуче з’являтимуться нові гравці, ціни мають піти вниз. Ба більше, якщо зараз пріоритетом є дозаправка великих геостаціонарних апаратів, то в майбутньому ми маємо підстави очікувати на появу компаній, які візьмуться за обслуговування дрібніших супутників.

Орбітальні танкери та апарати-заправники є хоча й важливим, але далеко не єдиним напрямом космічної СТО. Не слід забувати і про апгрейд — ремонт та встановлення більш сучасних компонентів, а також добудову супутників. Особливо актуальна заміна сонячних батарей з огляду на їхню тенденцію деградувати під дією випромінювання та ударів мікрометеоритів.

За часів програми Space Shuttle вважалося, що такі операції виконуватимуть люди. Але зараз очевидно, що всього необхідного можна досягти і за допомогою автоматів. У 2025 році на орбіту має вирушити побудований компанією Maxar апарат OSAM-1, призначений для дозаправки старого супутника Landsat 7. Разом із ним у космос полетить п’ятиметровий роботизований маніпулятор SPIDER (Space Infrastructure Dexterous Robot). Він повинен буде побудувати функціональну антену діаметром 3 м, здатну передавати сигнали в Kₐ-діапазоні, та 10-метрову балку. У разі успіху експеримент наочно продемонструє можливість спорудження великих структур у космосі без безпосередньої участі людей.

Ще одним досить перспективним напрямом освоєння навколоземної орбіти є створення космічних електростанцій. Багато космічних агентств та приватних компаній зайняті експериментами в цій галузі. А Китай нещодавно пообіцяв ще до кінця поточного десятиліття побудувати в космосі прототип першої сонячної електростанції.

Звичайно, найближчим часом орбітальні електростанції навряд чи здатні скласти серйозну конкуренцію своїм наземним побратимам. Однак в більш далекій перспективі вони можуть почати відігравати досить важливу роль у світовій енергетиці. Докладніше про проблеми та перспективи цієї галузі читайте в нашому матеріалі.

Мегасузір’я та космічне сміття

Супутникове угруповання Starlink стало першим мегасузір’ям в історії. Наразі воно налічує понад 3000 активних апаратів. Але це лише початок. У повністю розгорнутому вигляді Starlink складатиметься з більш ніж 12 000 апаратів, з можливістю його подальшого збільшення до 42 000.

Водночас SpaceX далеко не єдиний гравець на ринку супутникового інтернету. Так, компанія Amazon планує облаштувати власну систему з більш ніж 3000 апаратів. Плани щодо створення свого аналога Starlink є й у Китаю, а нещодавно про них заговорили у Європі. А ще є OneWeb, а також дрібніші сузір’я інших компаній, призначені для отримання знімків земної поверхні та надання послуг зв’язку.

Усе це означає, що в майбутньому навколоземна орбіта стане ще більш густонаселеною. І подібне ущільнення породжує низку очевидних проблем, на кшталт значного збільшення ризику, що створюється космічним сміттям. Чим більше на орбіті супутників — тим вища ймовірність того, що одному з них не пощастить зіткнутися з якимось об’єктом. Відтак, подібне зіткнення породить нові уламки, що збільшить загрозу для інших космічних апаратів.

Зрозуміло, нікому при здоровому глузді не хочеться побачити сценарій “Гравітації” у реальному житті. Тому ті ж супутники Starlink уже оснащені системою керування з використанням штучного інтелекту, яка здатна за необхідності самостійно виконувати маневри ухилення.

Уже розпочато досить активні роботи з розвитку технологій, які дозволять скоротити кількість фрагментів космічного сміття. Поки що справа обмежується експериментами з метою пошуку найбільш ефективних методів. Але, як відомо, попит породжує пропозицію. Що більше супутників буде на орбіті — то вища потреба у послугах космічних сміттярів. З великою ймовірністю ми побачимо появу компаній, які будуть цілком і повністю спеціалізуватися на орбітальному прибиранні.

Ще один імовірний наслідок появи десятків тисяч супутників на орбіті — докорінна реформа системи управління орбітальним трафіком. Зараз на Землі немає єдиної космічної “диспетчерської” — глобальної системи, призначеної для запобігання зіткненням у космосі. Звичайно, у провідних космічних держав, а також деяких космічних агентств та компаній є засоби для стеження за орбітою. Але вони не входять у єдину мережу і не завжди обмінюються інформацією, що очевидно може призвести до сумних наслідків. Інша проблема полягає у відсутності загального зведення сучасних та визнаних усіма стандартів використання навколоземної орбіти, на кшталт тих, що діють у цивільній авіації.

Звісно, поточний стан справ не триватиме вічно. Що більше супутників виводитимуть у космос, що частіше виникатимуть потенційно небезпечні ситуації — то голосніше лунатимуть заклики тих, хто виступає за реформування всієї галузі. І зрештою людству доведеться створити систему космічних диспетчерських, які займатимуться регулюванням орбітального трафіка.

Люди у космосі

Отже, вже незабаром навколоземна орбіта стане набагато жвавішим місцем. На ній з’явиться мережа АЗС, до яких регулярно курсуватимуть космічні танкери, та безліч спеціалізованих апаратів для обслуговування й ремонту різноманітної техніки. І все це супроводжуватиметься розгортанням колосальних угруповань, які назавжди змінять вигляд нічного неба над нашою планетою. Але як щодо людської присутності?

Попри те, що МКС, вірогідно, працюватиме до 2030 року, зрозуміло, що подібний формат загалом можна вважати пройденим етапом. На це хтось може заперечити, що прямо зараз поблизу Місяця розробляється станція Gateway, у створенні якої беруть участь ті ж країни (зрозуміло, без Росії), що колись збудували МКС. Але в цьому випадку йдеться про проєкт, який є частиною більшої державної програми.

А от якщо говорити про навколоземну орбіту, то майбутнє явно за комерційними станціями, які здаватимуться в оренду для наукових досліджень, експериментів, туристичних цілей та будь-якої іншої активності, яку можна провадити у космосі — від реклами до знімання фільмів. Головне, аби замовник мав потрібну суму. Така ситуація досить зручна для традиційних аерокосмічних агенцій. Позаяк замість того, щоб багато років поспіль займатися безперервним постачанням, ремонтом та підтримкою роботи орбітального комплексу (що виливається у вельми значні суми), вони зможуть просто купити місце для необхідних досліджень.

Саме тому те ж NASA віднедавна дуже активно долучилося до підтримки таких проєктів. Адже що швидше комерційні станції з’являться на орбіті, то більше ресурсів організація зможе вивільнити під інші програми.

Слід згадати й орбітальні готелі, котрі давно стали справжнім святим граалем космічного туризму. Починаючи з кінця 1990-х, з періодичністю раз на кілька років у пресі регулярно з’являлися гучні заголовки про те, що вже найближчим часом орбітальний готель прийме перших постояльців. І щоразу справа не йшла далі спільних обіцянок.

Але зараз ситуація змінилася. Поява доступних ракет-носіїв та приватних космічних кораблів вперше в історії зробила технологічно можливою реалізацію таких проєктів. Звичайно, все це потребує часу. Однак можна з обережним оптимізмом прогнозувати, що перший космічний готель прийме постояльців вже в найближчому майбутньому.

Астропроєкти далекого прицілу

Усі описані вище проєкти цілком реалізуються з використанням сучасних технологій та за збереження нинішньої тенденції до зменшення ціни і збільшення доступності космічних запусків. Але як щодо більш далекої перспективи — будівництва повноцінних космічних поселень, на кшталт колоній О’Ніла, орбітальних верфей та інших великих астроспоруд?

Як завжди у випадку з космосом, усе впирається у ціну виведення кілограма корисного навантаження на орбіту. Наразі вартість запуску найпопулярнішої у світі ракети Falcon 9 становить $67 млн. При максимальній вантажопідйомності в 22,8 тонни на низьку орбіту це дає умовну цифру в $3000 за кілограм (звісно, треба враховувати, що в реальності ракети практично ніколи не літають із повним завантаженням). Це майже на порядок менше вартості виведення кілограма корисного навантаження на тому самому шатлі, але все одно досить багато.

Утім, той же Ілон Маск обіцяє, що Starship коштуватиме лише $10 млн за запуск (тобто $100 за кілограм вантажу). А в майбутньому цей показник взагалі вдасться довести до цілком прийнятної цифри — $1 млн ($10 за кілограм).

Чи справдяться ці заяви, покаже лише час. Але навіть якщо Starship дійсно виявиться дешевим і надійним кораблем, його все одно буде недостатньо для реалізації достоту великого астропроєкту, який передбачає швидке виведення мільйонів тонн вантажу на навколоземну орбіту.

Можливий варіант вирішення проблеми — не доставка всіх необхідних матеріалів з Землі, а використання місцевих ресурсів. Ним, наприклад, міг би стати невеликий астероїд, захоплений і перетягнутий на навколоземну орбіту. Його потім можна було б використовувати як джерело будматеріалів, виготовляючи за допомогою 3D-принтерів сонячні батареї, деталі корпусу, антени, балки та інші необхідні елементи.

Якщо ж зазирнути ще далі в майбутнє, можемо поміркувати над концепцією космічного ліфта — споруди у вигляді надміцного троса, що простягається від екватора до станції на геостаціонарній орбіті. Він дозволить здійснювати пряму доставку вантажів із земної поверхні до космосу без використання ракет.

Космічний ліфт є однією з найпопулярніших концепцій у науковій фантастиці. Але реальність його створення поки що залишається предметом наукових дискусій. Річ у тім, що будівництво ліфта вимагатиме винайдення матеріалу, здатного витримувати величезні навантаження і при цьому не скластися під власною вагою. Найбільш перспективним кандидатом на цю роль є вуглецеві нанотрубки. Теоретично, вони мають достатню міцність для подібного завдання. Проте насправді вченим поки що не вдалося отримати нанотрубки з характеристиками, які б підійшли для космічного ліфта. До того ж необхідно ще й придумати, як заплести їх у трос завдовжки тисячі кілометрів.

Але навіть якщо потрібний матеріал і буде створено, інженерам доведеться вирішити багато інших проблем. Наприклад, знайти придатне для розміщення ліфта місце, продумати, як захистити його від ураганів, космічного сміття, впливу радіації тощо. Тож недивно, що багато експертів досить скептично ставляться до ідеї такої споруди.

Тут варто наголосити, що проєкт подібного масштабу не під силу ані окремим національним урядам, ані приватним компаніям. Він у прямому сенсі слова вимагатиме ресурсів всієї планети — тобто, його реалізація стане можлива за необхідності розв’язання відповідного завдання загальноцивілізаційного масштабу. Наприклад, тераформації Марса, створення гігантських сонячних електростанцій з метою повної відмови від викопного палива або будівництва міжзоряного корабля.

Звичайно, поки що все перераховане вважається повною фантастикою. Нещодавно нею ж здавалася ідея створення приватних космічних кораблів. Отже, не можна відкидати думку, що вже нашим найближчим нащадкам доведеться стати свідками початку реалізації такого мегапроєкту.