Космический мусор угрожает орбите и озоновому слою Земли

Ближний космос превращается в свалку, и эта проблема будет только усугубляться, считает Раннвейг Фэргестад, исследовательница из Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU). Она создает компьютерные модели, показывающие, что происходит при столкновении космического мусора с кораблями. При средней скорости в 7 километров в секунду даже крошечный обломок способен нанести колоссальный ущерб.

Замусоривание околоземного пространства – прямое следствие космической деятельности. На низкой околоземной орбите, на высоте до 2000 километров, вращаются остатки ракет, топливо, целые или фрагментированные отработавшие спутники. Большинство из них со временем сходят с орбиты и сгорают в атмосфере из–за трения о воздух. Для защиты пилотируемых аппаратов, таких как Международная космическая станция (МКС), используются специальные защитные экраны, которые и изучает Фэргестад, стремясь сделать их максимально надежными.

Бывший астронавт NASA Кевин Энтони Форд, который трижды летал в космос и командовал МКС, сейчас входит в группу советников по безопасности станции. По его словам, именно космический мусор сегодня представляет для нее наибольшую угрозу. Самый катастрофический сценарий – это столкновение обломка с жилым отсеком. Пробоина приведет к мгновенной разгерметизации, и астронавты погибнут.

С момента запуска советского «Спутника-1» в 1957 году в космос было отправлено более 20 000 объектов общей массой 50 тысяч тонн. По данным Европейского космического агентства (ESA), около 10 000 тонн мусора все еще находятся на орбите. Темпы запусков стремительно растут: только в 2024 году было запущено почти 2900 спутников и зондов – в десять раз больше, чем десять лет назад.

Если темпы запусков сохранятся, риск столкновений будет только увеличиваться. Исследователи предупреждают о каскадном эффекте, когда одно столкновение порождает множество новых обломков, провоцируя цепную реакцию. Это может вывести из строя целые системы связи, навигации, телевещания, банковских услуг и прогнозирования погоды. В худшем случае целые орбиты могут стать непригодными для использования. Модели ESA показывают, что даже при полной остановке запусков количество столкновений на орбите продолжит расти в течение следующих 200 лет.

Основной вклад в рост числа спутников вносят частные мегагруппировки. Компания SpaceX Илона Маска с 2018 года запустила почти 8000 спутников Starlink и получила разрешение на запуск 40 000 аппаратов. Amazon развивает свой проект Kuiper, планируя развернуть более 3000 спутников. В очереди стоят и другие сети, такие как OneWeb, Telesat и китайская StarNet.

Растущее число спутников представляет угрозу не только в космосе, но и для земной атмосферы. Рано или поздно аппараты выходят из строя и, возвращаясь в атмосферу, сгорают. Типичный спутник весом около 250 килограммов при сгорании высвобождает примерно 30 килограммов алюминиевой пыли. Исследователи предупреждают, что эти выбросы могут нанести вред озоновому слою, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения. Это может привести к неконтролируемому изменению химического состава атмосферы.

Многие спутники Starlink первого поколения уже завершили свой срок службы. Ежедневно в атмосфере сгорает 4–5 таких аппаратов. По расчетам американских ученых, спутниковые мегагруппировки могут ежегодно выбрасывать в атмосферу до 360 тонн соединений оксида алюминия. Поскольку частицы опускаются медленно, они могут достигнуть озонового слоя лишь через 30 лет, и только тогда мы увидим полный эффект от этого загрязнения. «Это действительно очень тревожно», – отмечает Фэргестад.

Для решения проблемы космические агентства разрабатывают новые подходы. ESA продвигает инициативу Zero Debris, согласно которой любая компания, запускающая объекты в космос, должна иметь четкий план их утилизации. Для спутников на низкой орбите это означает использование остатков энергии для торможения и контролируемого схода с орбиты для сгорания в атмосфере. Аппараты на высоких орбитах перемещают на специальные «орбиты захоронения», где они не представляют опасности.

Крупные объекты, такие как космические корабли или капсулы, направляют в самую удаленную точку планеты – Точку Немо в Тихом океане. Это крупнейшее в мире «кладбище» космических аппаратов, расположенное на глубине 3000 метров, более чем в 2600 километрах от ближайшей суши.

Параллельно ведется работа по усовершенствованию защиты. Исследование Фэргестад направлено на создание легких, но прочных экранов, поскольку каждый грамм, отправляемый в космос, стоит больших денег. Современные защитные щиты толщиной 10–15 сантиметров состоят из множества слоев кевлара, углеволокна, стекловолокна и пены, разделенных воздушными зазорами. При столкновении с обломком на скорости выше 7 км/с все испаряется в облако расплавленных капель, а многослойная структура экрана рассеивает энергию удара.

Физика таких столкновений чрезвычайно сложна и относится к области «шоковой физики», изучающей поведение материалов при экстремальных нагрузках. Для проверки компьютерных моделей исследователи проводят физические тесты, разгоняя снаряды в газовых пушках до гиперзвуковых скоростей. Улучшение технологий защиты и продление срока службы оборудования помогут не только обезопасить полеты, но и замедлить рост количества опасного мусора на орбите.