Як нові технології та стартапи рятують орбіту від космічного сміття: від лазерів і гарпунів до двигунів

Щодня на Землю падають три фрагменти космічного сміття, і це не фантастика, а реальність — таку інформацію опублікувало у своєму звіті Європейське космічне агентство (ESA). За його даними, космічне сміття невпинно накопичуватиметься, якщо людство не почне діяти негайно. Розповідаємо, чому орбіта так швидко і хаотично засмічується уламками, а також, як нові технології, підходи та окремі стартапи допомагають вирішити цю проблему.

ЕSA: космічне сміття може зробити орбіти непридатними для використання

ESA опублікувало свій новий звіт про космічне сміття 1 квітня 2025 року, але в ньому явно немає й натяку на гумор. Навпаки, в агентстві попереджають про серйозні проблеми, що нависли над людством, яке дедалі активніше вивчає космос — якщо 2024 року було здійснено 254 запуски, то за п’ять років до того, за даними сервісу Space Stat, їх було всього 104. 

В ESA прогнозують, що без активного прибирання космічного сміття запуститься синдром Кесслера. Так називають ланцюгову реакцію зіткнень, яка зробить деякі орбіти непридатними для використання, адже навіть без нових запусків наявне сміття продовжить фрагментуватися, а ризики каскадних зіткнень — зростати. “Зіткнення супутників призведуть до появи орбітальних фрагментів, кожен з яких збільшить імовірність подальших зіткнень, що призведе до накопичення поясу сміття навколо Землі”, — пояснювали Дональд Кесслер, консультант NASA, і Бертон Кур-Пале, його співавтор, у своєму спільному дослідженні. 

Експерти ESA наголошують, що масштаби проблеми насправді більші, ніж здається на перший погляд, адже космічне сміття — це не тільки великі фрагменти супутників. Навіть мікрочастинки діаметром менше 1 мм можуть завдати значної шкоди, оскільки рухаються на високій швидкості. Якщо на орбіті супутник зіткнеться з частинкою всього в 1 см, що летить зі швидкістю 10 км/с, удар буде таким же сильним, як при зіткненні з легковим автомобілем на 40 км/год. Оскільки сумарна кількість уламків розмірами понад 1 см уже перевищила 1,2 млн, це становить серйозну загрозу супутникам і МКС. Зараз на орбіті Землі близько 10 000 активних супутників, а загальна кількість об’єктів досягла 40 000. 

За оцінкою ESA, більшу загрозу становить зростання кількості супутників — особливо таких як Starlink. Астрофізик і один із головних світових експертів із космічного сміття Джонатан Макдавелл стверджує, що саме супутники Starlink генерують значну кількість мотлоху, який падає сьогодні на Землю з космосу, і ця тенденція лише наростає. Хоча частина супутників згорають в атмосфері, висока ймовірність зіткнень один із одним завислих на орбіті старих космічних апаратів, у такий спосіб утворюючи нове космічне сміття.

Космічні уламки регулярно падають на Землю, що потенційно може завдати шкоди здоров’ю та майну людей. Оскільки значна частина нашої планети вкрита океаном або безлюдна, ця загроза мінімальна, але не нульова. Так, імовірно, кілька уламків радянського супутника “Космос-1340” дісталися поверхні Землі внаслідок випробування росією протисупутникової зброї 2021 року. У 2024-му осколок із космосу пробив дах будинку у Флориді, а в лютому 2025-го щонайменше три фрагменти ракети SpaceX Falcon 9 розлетілися територією Польщі. 

Боротьба з космічним сміттям почалася, але без радикальних кроків

Для вирішення проблеми космічного сміття в ESA розробляють місію ClearSpace-1 спільно з однойменним космічним стартапом. Запланована на 2028 рік, вона стане першою у своєму роді операцією із захоплення і видалення супутників з орбіти. Експеримент проводитимуть з 95-кілограмовим супутником PROBA-1, запущеним ще 2001-го. ClearSpace-1 зустрінеться з ним, захопить чотирма роботизованими руками і забезпечить безпечний вихід у атмосферу. 

Цій місії належить продемонструвати, як можна прибирати космос від старих супутників — основного джерела космічного сміття. Разом з тим в ESA радять для мінімізації ризиків зіткнень скоротити час перебування супутників на орбіті з 25 років (як зараз) до п’яти. В агентстві наполягають і на необхідності впровадження технології пасивації (розрядки джерел енергії), щоб запобігти вибухам, спровокованим залишками палива або не повністю розрядженими батареями. Крім того, в ESA підтримують хартію Zero Debris Charter, також відому як “хартія нульового сміття”. До 2030 року агентство перегляне вимоги до запобігання появи та усунення накопиченого сміття.

Додатковою перевагою стане економія палива — воно у великих кількостях витрачається в процесі маневрування, коли супутник намагається уникнути потенційного зіткнення. 

Окремі національні космічні агентства теж вдаються до певних кроків у боротьбі з космічним сміттям. Так, у Японії JAXA розробляє технології для захоплення і виведення з орбіти великих об’єктів; датчики для вимірювання мікроскопічних частинок сміття; інструменти планування маневрів ухилення на основі даних про можливі зіткнення. Також тут перейнялися створенням паливних баків із композитних матеріалів із нижчою температурою плавлення — щоб сприяти безпечному згорянню супутника, коли він увійде в атмосферу Землі. У Бахрейні проєктують бортову систему виявлення і класифікації сміття на основі штучного інтелекту (ШІ), яка відстежуватиме малопомітні із Землі об’єкти розміром менше ніж 2 мм. В Італії фіксують уламки супутників за допомогою телескопів і радарів, а також використовують ШІ — моделюють зіткнення і розробляють методи моніторингу об’єктів від Землі до Місяця. 

Як приватні компанії допомагають упоратися з космічним сміттям 

Багато з описаних вище заходів та ініціатив або тільки розробляються, або існують у вигляді рекомендацій. А це означає, що формально ніхто не зобов’язаний їх виконувати і покарання за порушення не буде. Часто національним агентствам не вистачає гнучкості та швидкості в ухваленні рішень, що допомогло б розв’язати проблему в коротко- і середньостроковій перспективі. І тут за справу беруться стартапи — деякі з них, до речі, працюють разом із великими агентствами, і результати цієї співпраці досить обнадійливі. Наочний приклад — співпраця ESA зі швейцарським стартапом ClearSpace, про який згадувалося вище. 

Основні напрямки, що опрацьовуються стартапами, які прямо або побічно допомагають очистити земну орбіту від космічного сміття:

• захоплення за допомогою гарпуна та сітки, що дає змогу безпечно зводити з орбіти найбільші об’єкти;
• лазерна абляція — спеціальні лазери змінюють траєкторію дрібного сміття, щоб воно природним чином згоріло в атмосфері;
• магнітне видалення, коли для захоплення використовують дуже потужні магніти, за допомогою яких забезпечують контрольований спуск;
• роботизовані маніпулятори, тобто спеціальні механічні “руки” чи “пазурі” захоплюють і виводять космічне сміття з орбіти.

Деякі компанії уже підійшли впритул до реалізації цих сценаріїв і навіть протестували свої рішення. Розповімо про них докладніше.

Astroscale та ClearSpace — космічні стартапи, які вже очищають орбіту

Astroscale — японська компанія, один із лідерів ринку в галузі обслуговування супутників, розробила технологію магнітного захоплення. На початку 2024 року вона успішно завершила свою пробну і водночас першу комерційну місію такого штибу — End-of-Life Services by Astroscale (ELSA-d), названу за ім’ям супутника, який було безпечно і контрольовано зведено з орбіти. Також Astroscale здійснила ще одну схожу місію — ADRAS-J, яка допомогла зібрати більше інформації про поведінку і стан великого космічного сміття на орбіті Землі.

Нещодавно британська дочірня компанія японської Astroscale і швейцарська ClearSpace, яка розробляє космічний апарат із роботизованими руками для ESA, отримали фінансування від космічного агентства Великої Британії (UK Space Agency). Кошти, виділені у вигляді грантів, дадуть змогу обом компаніям продовжувати розробку технологій роботизованого захоплення супутників для їхнього безпечного виведення з орбіти. Окремо стартап ClearSpace реалізує з UK Space Agency місію CLEAR, спрямовану на видалення з низької навколоземної орбіти двох занедбаних об’єктів, очищення орбітального простору для нової діяльності та зниження ризику зіткнення для сусідів.

Подивіться, як на цій візуалізації космічний апарат ClearSpace дбайливо охоплює супутник:

Стійкі супутники допоможуть вирішувати проблему космічного сміття превентивно

Головне завдання — у проєктуванні та експлуатації супутників із мінімальними ризиками утворення космічного сміття. Як цього можливо досягти?

Один із робочих варіантів полягає в тому, щоб створити модульні апарати, які можна ремонтувати і модернізувати прямо на орбіті. Це продовжить термін їхньої служби, скоротить кількість запусків і обсяги потенційного сміття, адже стандартизовані модульні супутникові платформи можна використовувати в кількох місіях. Подібні рішення вже розробляє Northrop Grumman — зокрема, в межах програми Mission Extension Vehicle (MEV) і проєктів, пов’язаних зі Space Development Agency (SDA), де тривають роботи щодо багаторазових архітектур.

Ще однією корисною функцією є самостійний спуск супутника з орбіти, який можна реалізувати різними способами. По-перше, скориставшись рушійними установками, що дадуть змогу апарату зійти з орбіти і контрольовано увійти в атмосферу, де він згорить, не лишивши уламків. По-друге, з залученням деорбітаційних вітрил, що підсилюють опір повітря і прискорюють зниження супутника. Однак це підходить тільки для апаратів, що працюють на низьких орбітах. По-третє, завдяки пасивним системам гальмування, які передбачають використання гравітації й атмосферного тертя без увімкнення двигунів. Цей варіант актуальний насамперед для малих супутників і кубсатів. І, нарешті, це можна зробити за допомогою автоматичних таймерів, заздалегідь запрограмованих запускати процес сходження з орбіти після закінчення терміну служби, навіть якщо зв’язок із оператором втрачено.

Крім модульної конструкції і різноманітних способів реалізації спуску, кількість космічного сміття можна знизити, застосовуючи інтелектуальні системи управління. Наприклад, компанії Helsing і Loft Orbital планують скористатися штучним інтелектом для стеження і запобігання зіткненням. На початку 2025 року вони оголосили про розгортання першого в Європі багатосенсорного супутникового угруповання з корисним навантаженням у вигляді камер і радіочастотних датчиків із функціями інтелектуального оброблення даних.

Альтернативою звичайним можуть стати і супутники, виготовлені з біорозкладних матеріалів. У грудні 2024 року на орбіту Землі з МКС вивели дерев’яний супутник LignoSat Японського агентства аерокосмічних досліджень.

Керувати супутниками для безпечного сходження дають змогу двигуни з ефективною космічною тягою. Завдяки їй супутники можуть змінювати своє положення так, щоб уникати зіткнень із космічним сміттям і адаптувати траєкторію під потреби місії. Подібні двигуни вже розробляє українська аерокосмічна компанія SETS (Space Electric Thruster Systems), яка входить до групи проєктів Noosphere. Інженери компанії наголошують на важливості наявності двигуна саме для успішного сходження з орбіти і подальшого безпечного згоряння супутника в атмосфері. 

Але якщо великі, переважно телекомунікаційні супутники оснащені такими двигунами, то в малих апаратах це не завжди виправдано: вони збільшують його масу і вартість, а також вимагають спеціальних бортових систем. У SETS змогли обійти це обмеження і розробили економічні двигуни з малою витратою палива, високим питомим імпульсом і великим ресурсом роботи. Зараз компанія пропонує різні за потужністю рішення, які підходять для експлуатації на широкому спектрі космічних апаратів. 

Висновки

У короткостроковій перспективі проблему космічного сміття можна вирішити за допомогою технологій активного видалення. Це можуть бути місії із захоплення і виведення об’єктів з орбіти, лазерна абляція або використання роботизованих маніпуляторів. Усі вони дають змогу порівняно швидко знизити ризик зіткнень і запобігти розвитку синдрому Кесслера. 

Однак стратегічні зусилля слід спрямувати на впровадження превентивних заходів — тих, що дозволять запобігти утворенню космічного сміття в майбутньому. Одним із ключових напрямів тут вбачаються рушійні установки, що забезпечують контрольоване сходження супутників з орбіти після завершення їхньої роботи. І вже існують ефективні електрореактивні системи, які успішно пройшли випробування і застосовуються для корекції орбіт і контрольованого сходження супутників з орбіти. Утім, у кінцевому підсумку оптимальним буде поєднання двох рішень: видалення наявного сміття та паралельне впровадження довгострокових рішень, що запобігатимуть його накопиченню.