Марсоход Perseverance во время исследования Красной планеты обнаружил на ее поверхности земной мусор. Аппарат прислал фото куска термоодеяла, который затерялся среди девственно-чистой пустыни. Как человек, еще не побывав на Марсе, уже смог там намусорить, и сколько этого мусора в космическом пространстве вокруг нас?
Объясняет заведующий кафедрой астрономии, геодезии, экологии и мониторинга окружающей среды Уральского федерального университета Эдуард Кузнецов.
Что такое космический мусор, и где он летает
Космический мусор — это отходы, которые остались на орбитах и небесных телах в процессе исследования и освоения космоса. Мусор состоит из неработающих спутников и ступеней ракет-носителей, мелких деталей и обломков разрушающихся космических аппаратов, а также твердых частиц топлива.
Мусор движется в космосе на тех же орбитах, на которых человек ведет свою деятельность. В зависимости от назначения, он может располагаться на разной удаленности от Земли.
Низкая или околоземная орбита
При высоте в 300–500 километров над уровнем моря обеспечивает самое близкое расположение к Земле. Изначально ее использовали для работы первых космических спутников. Сейчас на нее выведены аппараты для дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, например, флот системы наблюдения за поверхностью НАСА.
Полярная орбита
Расположена в плоскости полярных полюсов Земли, имеет угол наклона к экватору близкий 90 градусам. Ее используют для запуска военных разведывательных и гражданских научных и сельскохозяйственных спутников.
Геостационарная орбита
Расположена в 35 000 километров от Земли в плоскости экватора. Самая привлекательная и дорогая для запусков, поскольку на ней искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. То есть получается, что космический аппарат висит «неподвижно». Поэтому спутниковая антенна, однажды направленная на него, будет настроена всегда. На этой орбите расположены навигационные спутники, а также спутники связи, телерадиовещания.
— Ученые подсчитали, что сейчас в космосе находится 120 млн кусков космического мусора размером более миллиметра, 34 тысячи частиц размером более 10 см. Из строя уже вышли три тысячи спутников и, я так понимаю, остались там же, на орбите? Откуда берется космический мусор и почему так много мелких кусочков?
— Космический мусор непрерывно образуется в процессе деятельности человека в космосе. Большая его часть — это обломки, которые могут появиться после столкновений крупных объектов: как спутников, так и их частей и обломков. И так может происходить бесконечно, мусор дробится на мелкие осколки.
Есть мусор, который остается после запусков (например, ступени ракет-носителей), а есть обломки, которые появляются после взрывов и столкновений. Взрываются чаще всего верхние ступени ракет-носителей. Они выводят аппарат на орбиту и остаются в космосе. То есть уже после запуска самого первого спутника на орбите оказалось, по крайней мере, два объекта: сам спутник и верхняя ступень. В ней, как правило, остается топливо. Ну а дальше солнце это топливо греет, давление в баках растет, материал начинает стареть, и в какой-то момент ступень взрывается.
— А разве в безвоздушном пространстве что-то может гнить, ржаветь или разлагаться?
— В космосе очень сильные перепады температур. Представьте, что солнышко греет, и температура становится плюс 150, а в тени — минус 150. Если орбита низкая, перепады могут происходить до 15 раз в день. Из-за этого материал разрушается, теряет прочность, эластичность, становится хрупким и ломким.
Информация о космическом мусоре собирается из наблюдений и моделирования. Например, служба контроля космического пространства США ежеквартально выпускает отчет, в котором каталогизирует частицы мусора. Не все миллионы этих частиц мы можем увидеть, но мы знаем, что они там. Интенсивность потока частиц можно оценить по тому, как он влияет на космические аппараты. На поверхности МКС при выходе в открытый космос можно увидеть следы от ударов разного рода частиц, в том числе и мусора. Кроме того, на МКС ставят эксперименты: выносят на поверхность станции образцы различных материалов, которые используют при строительстве космических аппаратов, оставляют и через какое-то время заносят обратно. По ним можно определить скорость, направление движения и химический состав потока частиц.
— Обломки сталкиваются с действующими спутниками и могут уничтожить их. То есть мусор не просто парит где-то в космосе, а движется с огромной скоростью?
— По орбите частицы движутся со скоростью несколько километров в секунду. Но здесь важно учитывать относительную скорость объектов по отношению друг к другу. Опасен тот мусор, который летит под углом или навстречу. При встречном движении скорость увеличивается в два раза, а кинетическая энергия удара — пропорциональна квадрату скорости. Поэтому частица массой 1 грамм может спокойно пробить стенку, оболочку космического аппарата. Обычно она не очень толстая — всего несколько миллиметров. На пилотируемых аппаратах, конечно, устанавливается многослойная защита, но обломки космического мусора могут нарушить работу беспилотников: изменить угол вращения или сбить ориентацию так, что спутник начнет бесконтрольно вращаться.
Те осколки, которые ученые при помощи телескопов и техники могут наблюдать с Земли, — это осколки размером 10 сантиметров, для космического мусора — огромные. Потому что даже миллиметровый обломочек представляет огромную опасность.
— Можно ли говорить, что будущие запуски окажутся под угрозой из-за эффекта Кесслера? То есть новые запуски будут порождать новый мусор, и в конечном итоге его станет так много, что космический аппарат не сможет вылететь на орбиту и остаться целым.
— Это называется синдром Кесслера. Сложно сказать, сколько объектов должно быть в космосе, чтобы мы это получили. Сейчас все усилия направлены на то, чтобы минимизировать количество нового мусора, который образуется, в первую очередь, при запуске аппаратов. Допустим, выводится космический аппарат на орбиту: у него солнечные батареи в сложенном состоянии, оптика прикрыта крышкой. И потом на определенной высоте все это начинает раскрываться. На заре космической эры срабатывали болты, которые в определенный момент взрывались, и все эти крышки, детали, вся «упаковка» отлетала и оставалась на орбите. При одном запуске образовывался десяток ненужных предметов.
Сейчас же существует рекомендация Межагентского координационного комитета по космическому мусору, и все производители ее соблюдают. Теперь расходные материалы, которые раньше просто улетали, остаются на месте. Например, крышка для оптики, которая открылась, остается прикрепленной к аппарату. Так и со всем остальным. Теперь важно, чтобы ничего лишнего в космосе не отделялось от аппарата.
— Ну а все же: близки ли мы к критическим значениям?
— Сложно сказать. Модели показывают, что все зависит от того, с какой скоростью мы будем выводить объекты и с какой скоростью эти объекты будут давать дополнительный мусор. Разные модели дают разные оценки, кто-то считает, что синдром Кесслера уже начался, потому что у нас в течение нескольких месяцев случается несколько взрывов или разрушений аппаратов на орбитах.
— Проблемой космического мусора озаботились еще в 60-х, практически сразу, как началось освоение космоса. Почему в самой отрасли за это время произошел невероятный прорыв, но никто так и не придумал, что делать с обломками и частицами?
— Первые шаги уже сделаны на международном уровне, в том числе с участием ООН. Создан Межагентский совет по космическому мусору. Одна из первых его рекомендаций касается геостационарной орбиты, на которой период обращения спутника по орбите равен периоду вращения Земли вокруг своей оси, то есть космический аппарат висит неподвижно над заданной точкой экватора. Эти спутники используют для связи. Орбита уникальная, и на ней можно расположить ограниченное количество спутников.
Рекомендация совета такая: как только космический аппарат заканчивает работу на этой орбите, у него должно оставаться достаточно топлива, чтобы его можно было перевести на другую, более высокую орбиту, чтобы он освободил место.
— Да, я читала, что существуют буксировщики, которые отгоняют неработающие спутники с орбиты для захоронения. То есть по сути это космические мусорные полигоны? Но можно ли не складировать их в космосе, а спускать на Землю?
— Опустить аппарат на Землю с геостационарной орбиты — удовольствие очень и очень дорогое, его легче куда-то на Луну отправить, чем на Землю вернуть. Поэтому их отправляют на орбиту захоронения, где они будут существовать довольно долго, и задают такие параметры, чтобы объекты ближайшие сотню лет не угрожали геостационарной орбите.
Кроме того, существует рекомендация по низким орбитам, на них сейчас тоже запускают много спутников. Например, самые известные из них — это аппараты Илона Маска, которые он по 50 и более штук за раз отправляет. Так вот для них предписано, что после того как спутник завершит свою работу, он не позднее, чем через 25 лет, должен войти в атмосферу и сгореть.
— Это уже естественный мусоросжигательный завод получается?
— Да. Но такая схема не подходит для крупных объектов. Полностью при попадании в атмосферу они не сгорят, и большие обломки упадут на землю. Это опасно. Поэтому крупные объекты, такие как транспортные корабли «Прогресс», — затапливают, если есть возможность. После того, как они груз на МКС доставили, мусор оттуда забрали, их затапливают в южной части Тихого океана, это так называемая «Точка Немо» — наиболее удаленная от суши часть мирового океана. Это несудоходный район с определенными границами, о которых договорились государства.
— Этот район еще называют «Кладбище космических кораблей». А разве нельзя организовать сбор и переработку обломков на суше? Там же есть металлы и другие элементы, которые человек умеет превращать во вторсырье?
— Переработать обломки нельзя. То, что долетает до Земли, пройдя атмосферу, превращается в оплавленный кусок мусора: что-то испаряется, что-то переплавляется. Для того чтобы организовать сбор этих обломков на суше, нужно выделить территорию. И сразу возникают юридические вопросы: в какой стране отчуждать землю, кому будут принадлежать обломки, кто займется утилизацией? Потому что это не всегда экологически чистые вещи. Если человек вдохнет концентрированное топливо, которое, допустим, сохранилось в герметичном резервуаре, он может и умереть. Это яд.
— А если оно лежит в океане, то это уже не яд?
— Гидразин — вещество, которое используют как ракетное топливо, оно очень ядовито. Но если он попадет на Землю, то в открытом виде быстро испарится. Также и в океане. Если он смешивается с водой, то довольно быстро получаются безопасные концентрации.
— Хочется понять: космический мусор — это вредно для космоса? Помимо того, что мусор занимает там место и мешает спутникам, он как-то влияет на само космическое пространство? И правильно я понимаю, что в безвоздушном пространстве он никогда не разложится до конца и не сгниет? То есть космический мусор вечен.
— Основной вред от космического мусора в том, что он просто есть в околоземном пространстве: обломки могут мешать работе спутников. Даже МКС время от времени корректирует свою орбиту, чтобы избежать сближения с космическим мусором. Если же говорить о загрязнении химическими веществами, то пока таких проблем нет, потому что остатки топлива в космосе довольно быстро испаряются, рассеиваются.
— А космический мусор опасен для человека? Эксперты из канадского Университета Британской Колумбии спрогнозировали, что в течение десяти лет вероятность умереть из-за падающих частей космических аппаратов увеличится на 10%. В зоне риска жители Индонезии, Мексики и Нигера. Стоит ли бояться?
— Согласен, что опасность погибнуть от космического мусора возрастет, если не предпринимать усилий по очистке околоземного космического пространства. Вопрос в том, какова вероятность этого события. Исследователи говорят об увеличении вероятности на 10%, но для какой величины этот прирост? Указанные государства имеют высокую плотность населения и расположены недалеко от экватора, поэтому для них риски выше, так как все спутники на любых орбитах пересекают плоскость экватора.
— Облако вольфрама, аппараты-самоубийцы, захват сетью — есть много идей, как собирать космический мусор. Приберется ли человек в космосе?
— Главное, что сейчас обсуждают: мусор нужно убирать с действующих орбит. И основная проблема здесь — огромное пространство. Если даже мы приблизимся к одному космическому объекту, захватим его и уберем, то как добраться до следующего? Движение в космосе сложнее, чем на поверхности Земли, нужно переходить между разными орбитами. На это требуется колоссальный объем топлива. Даже если мы захватим один обломок, опустим его на более низкую орбиту, чтобы он вошел и сгорел в плотных слоях атмосферы, нужно будет возвращаться за следующим. Это очень и очень дорого.
Методы борьбы с космическим мусором пока разрабатываются на уровне экспериментов. Но уже были запущены несколько специализированных космических аппаратов, которые захватывали спутники и выводили их на другую орбиту.
Пока основное внимание уделяют крупным объектам. Помните, например, масштабную операцию по затоплению орбитальной станции «Мир»? Думаю, что со временем появятся оптимальные с точки зрения финансовых затрат методы избавления от космического мусора, потому что если мы оставим ситуацию как есть, скоро мусора станет очень много, и он будет мешать.
Но опять возникает юридический момент: как определить, кому принадлежит тот или иной фрагмент мусора? Нужно действовать аккуратно и согласованно. Проблема тут не только техническая, но и политическая, и юридическая, и экономическая.
— На Марсе обнаружили земную упаковку. Как это могло произойти? Что с ней делать? Опасны ли дальнейшие высадки для экосистемы планеты?
— Да, марсоход обнаружил фрагмент теплоизоляции. Сразу поясню, что мусор там появился во время посадки. Это тот материал, которым аппарат был укрыт во время полета. Когда мы прилетаем на другие небесные тела, неизбежно оставляем на них посадочные платформы и космические аппараты, завершившие свою работу. Когда мы будем планомерно осваивать Луну, а затем Марс, проблема мусора обязательно всплывет, и там ее тоже нужно будет решать, как и на Земле. Конечно, хочется рассчитывать на более осознанный подход, который позволит избежать того, что мы сейчас видим на своей планете.
