Астрономія

Звідки береться космічне сміття? Чим воно загрожує? Як його прибрати?

Що таке космічне сміття?

Космічне сміття — це штучно створені об’єкти чи їхні частини, що більше не функціонують, але лишаються на орбіті навколо Землі. Вони мають широкий діапазон розмірів: від мікроскопічних частинок засохлої фарби до відпрацьованих ступеней ракет.

Більшість космічного сміття знаходиться на низькій навколоземній орбіті, тобто на висоті до 2 тисяч кілометрів над поверхнею. Проте частина цих об’єктів перебуває значно вище, на геостаціонарній орбіті, розташованій на відстані 35 786 кілометрів над екватором. Від висоти залежить те, як довго існуватиме космічне сміття: об’єкти, що перебувають нижче 600 кілометрів над поверхнею, через кілька років впадуть і згорять в атмосфері, тоді як вище 1000 кілометрів вони можуть обертатися навколо Землі століттями. Найбільша концентрація уламків — на висоті від 750 до 1000 кілометрів.

Скільки таких об’єктів перебуває на орбіті зараз?

За даними Європейського космічного агентства, від початку космічної ери людство здійснило більше 6 тисяч запусків ракет, відправивши на орбіту 11370 супутників. Зараз навколо Землі обертається 6900 супутників, серед яких досі функціонують лише близько 4000. Вони поступово руйнуються, утворюючи уламки. 

Наразі мережа космічного спостереження США (Space Surveillance Networks) моніторить 28160 об’єктів, але насправді їх набагато більше. Статистичне моделювання демонструє, що навколо Землі обертається 34 тисячі фрагментів завдовжки більше 10 сантиметрів, 900 тисяч об’єктів розмірами від 1 до 10 сантиметрів та 128 мільйонів уламків від 1 міліметра до 1 сантиметра. Загальна маса усіх об’єктів на орбіті складає 9800 тонн.

Що саме створює уламки на орбіті?

Більше третини об’єктів на орбіті, за якими ведеться спостереження — це супутники та ступені ракет. Вони і є основними джерелами дрібніших уламків. Частіше за все до їхньої фрагментації призводять вибухи, пов’язані із залишками палива. Під впливом екстремальних умов космічного середовища деталі ступеней чи супутників руйнуються, що призводить до витоків чи змішування компонентів палива і зрештою до вибуху. Крім того, екстремальне ультрафіолетове випромінювання негативно впливає на покриття космічних апаратів, відшаровуючи його, у результаті чого на орбіті опиняються мікрочастинки фарби. Нарешті, іноді астронавти, що працюють у відкритому космосі, втрачають різноманітні предмети. Наприклад, Едвард Вайт, перший американець, що здійснив вихід у відкритий космос, зронив під час цієї історичної події термальну рукавичку, яка потім згоріла у атмосфері.


Наскільки космічне сміття небезпечне?

На низькій навколоземній орбіті космічне сміття обертається навколо нашої планети зі швидкістю близько 7-8 кілометрів на секунду. Однак середня швидкість зіткнення одного об’єкта з іншим становить приблизно 10-15 кілометрів на секунду. Це у 10 разів більше за швидкість кулі. Отже, зіткнення навіть з невеликими фрагментами виділяють велику кількість енергії. 

Космічні апарати без значної шкоди постійно вражаються дуже дрібними орбітальними об’єктами розміром до міліметра, а от фрагменти розміром у міліметр чи більше вже несуть високий ризик. Крім того, з часом велика кількість зіткнень виводить з ладу частини апаратів. 

Більш за все страждають сонячні панелі, які постійно атакуються найменшими частинками, недоступними для моніторингу. Наприклад, такого впливу зазнає «Габбл». У 2002 році Європейське космічне агентство замінило сонячні панелі телескопа і повернуло одну з них на Землю. На ній добре видно сліди майже десятирічного бомбардування уламками різних розмірів. Ризик катастрофічного зіткнення із уламками для «Габбла» становить приблизно 1 до 185, він зріс майже вдвічі, починаючи з ранніх 2000-х.

Сонячна панель «Габбла». ESA

Сонячна панель «Габбла». ESA

Загроза зіткнень існує і для місій з екіпажем. Зокрема, уламки можуть врізатися і у Міжнародну космічну станцію. Проте її критично важливі компоненти, такі як модулі для проживання та резервуари високого тиску, надійно захищені. Вони можуть протистояти ударам уламків діаметром до 1 сантиметра. Однак якщо шанс на зіткнення більший, ніж 1 до 10 тисяч, МКС здійснює маневр ухилення. Таке трапляється доволі часто, в середньому принаймні раз на рік.

Чи відбувалися у космосі значні зіткнення?

Починаючи з 1961 року, дослідники зафіксували 560 подій фрагментації об’єктів на орбіті, і лише сім з них були пов’язані із зіткненнями. Але передбачається, що в майбутньому основними інцидентами, що будуть призводити до утворення уламків, стануть саме зіткнення. Імовірність випадкового зіткнення двох великих об’єктів (діаметром більше десяти сантиметрів) дуже мала. Проте шанси не нульові.

Перша із зафіксованих таких подій сталася у 1996 році. Тоді уламок ступеню європейської ракети «Аріан», запущеної за десять років до цього, врізався у діючий французький мікросупутник. Той зазнав пошкоджень, але продовжив працювати.

10 лютого 2009 року трапився найгірший подібний інцидент, коли зіткнулися робочий американський супутник «Іридіум-33» та російський «Космос-2251», який вже не працював. Це сталося на висоті 776 кілометрів над Сибіром, апарати врізалися одне в одного на швидкості 11,7 кілометрів на секунду. У результаті обидва були зруйновані та утворили близько 2300 фрагментів, які можна було відслідкувати. Частина з них вже встигла увійти в атмосферу та згоріти.

Орбіти двох супутників під час зіткнення. CelesTrak

Крім того, деякі країни випробували протисупутникову зброю. Так, у 2007 році Китай під час тестування такої зброї знищив свій метеорологічний супутник. Сама лише ця подія збільшила кількість космічного сміття, яке можна відслідкувати, на 25%, створивши більше трьох тисяч фрагментів. Вони залишатимуться на орбіті десятиліттями.

Кількість супутників на орбіті продовжить зростати. Зокрема, створювати «мегасузір’я» із тисячі супутників для інтернет-покриття планує не лише SpaceX зі своїм Starlink — схожі плани має і компанія Amazon. Збільшення об’єктів у космосі неминуче призведе до збільшення кількості уламків. Вважається, що це може викликати ланцюгову реакцію — так званий синдром Кесслера. Уламки супутників, врізаючись у космічні апарати, будуть створювати ще більше фрагментів. За оцінками, збільшення кількості космічного сміття вдвічі призведе до збільшення ризику зіткнення у чотири рази. Врешті решт навколоземну орбіту більше не можна буде використовувати.

Чи можна очистити орбіту від сміття?

Дослідники пропонують безліч способів прибрати сміття з орбіти. Так, 20 березня 2021 року японська компанія Astroscale розпочала місію ELSA-d. Вона відправила на орбіту два супутники: невеликий «клієнт» та «персонал», який ловитиме менший апарат. Протягом наступних шести місяців система проведе три тести: «персонал» випускатиме «клієнта» та буде намагатися відшукати його, використовуючи GPS-навігацію, і схопити за допомогою магнітного стикування. Така місія має на меті демонстрацію подібної технології, однак це рішення не підходить для сміття невеликого розміру. 

У 2018 році Великобританія запустила супутник RemoveDEBRIS, який протестував два інших способи прибирати космічне сміття: за допомогою сітки і за допомогою спеціального гарпуна. Агентство аерокосмічних досліджень Японії пропонує використовувати для цього довгий трос, який збиватиме супутники з орбіти, так що вони опиняться в атмосфері і згорять. Європейське космічне агентство планує розпочати місію ClearSpace-1 у 2025 році, під час неї супутник спробує захопити адаптер корисного навантаження, що лишився від ракети Vega.

RemoveDEBRIS захоплює космічне сміття за допомогою гарпуна. University of Surrey / YouTube

Однак поки що усі ці проєкти є радше демонстрацією можливих технологій, аніж дієвими рішеннями. Наразі найнеобхіднішою стратегією є запобігання утворенню нового космічного сміття, досягти цього можна завдяки відповідному проєктуванню та безпечній експлуатації апаратів.

Таким чином, космічне сміття лишається нагальною проблемою, наслідки якої вже даються взнаки.


Використані джерела:

1. About space debris / ESA 
2. Clara Moskowitz. Lost in Space: 8 Weird Pieces of Space Junk / Wired
3. Iridium 33/Cosmos 2251 Collision / CelesTrack
4. Gregersen, Erik. "Space debris" / Encyclopedia Britannica
5. Hubble's impactful life alongside space debris / ESA
6. Iridium 33/Cosmos 2251 Collision / CelesTrack
7. Orbital Debris Program Office, FAQ / NASA ARES
8. Samantha Mathewson. Tiny Astroscale satellite will test space junk cleanup tech with magnets / Space.com