Фанера на орбите. Как ученые планеты пытаются сделать космос чище

Спутниковые созвездия

Космос, конечно же, безграничен, но пока человечеству доступны лишь несколько орбит. Наиболее популярные из них уже достаточно сильно загружены, и для запуска каждого нового космического аппарата уже приходится искать свободное место.

По данным Роскосмоса, в настоящее время в верхних слоях атмосферы находится более 150 российских спутников. Вся мировая группировка насчитывает свыше 3 тыс. действующих космических аппаратов, но в ближайшие годы их может стать в несколько раз больше. Ожидаемое пополнение на орбите связано с планами крупных компаний, таких как Starlink от SpaceX, китайской Starnet и Koiper от Amazon. В космосе появятся десятки тысяч спутников космического интернета массой от 100 до 300 кг. А это тысячи тонн металла.

Большинство космических аппаратов, которые сегодня находятся на орбите Земли, сделаны из алюминиевых сплавов, углепластика или титана. Эти материалы хорошо пропускают сигналы, имеют небольшой вес и хорошо поддаются трансформации. Из них можно изготовить аппарат практически любой формы. Достаточно вспомнить знаменитый шар из алюминиево-магниевого сплава, который 4 октября 1957 года был запущен на орбиту и стал первым искусственным спутником Земли.

Разумеется, у каждого аппарата есть свой срок годности. Устареет оборудование, закончится энергия, и у них будет два пути: стать мусором или под управлением ЦУПа сгореть в атмосфере, что с точки зрения цивилизованной космической деятельности является наиболее приемлемым вариантом.

Алюминиевые облака

Различные объекты сгорают в атмосфере Земли постоянно. В большинстве случаев это метеориты и космическая пыль. По мнению ученых, в сутки на нашу планету падает до 6 т метеоритов, или около 2 тыс. т в год. Конечно, вес всех действующих спутников гораздо меньше, но проблема в том, что у них другой химический состав.

По наблюдениям ученых из Европейского космического агентства (ESA), сгорая в атмосфере, очередной космический камень превращается в пыль и сажу. Спутник оставляет продукты горения алюминия. Они могут витать в воздухе на протяжении десятков лет, поэтому ученые допускают их потенциальную опасность для природы нашей планеты и даже здоровья людей.

По словам доцента астрономии и астрофизики Университета Британской Колумбии Аарона Боули, тонны сжигаемого металла могут сформировать новую озоновую дыру в атмосфере. "Люди сильно недооценивают нашу способность изменять окружающую среду. Существовало мнение, что мы просто не сможем сбросить достаточно пластика в океан, чтобы изменить глобальную ситуацию. Что мы не сможем выбросить достаточно углерода в атмосферу, чтобы изменить глобальную ситуацию. Но вот мы здесь. У нас уже есть проблема пластикового загрязнения океана, в результате наших действий продолжается изменение климата и меняется состав атмосферы. А теперь мы готовы совершить такую же ошибку в космосе", — отмечает Боули.

Деревянный космос

Поиск альтернативного материала для создания космических аппаратов идет уже много лет. В 2020 году японское информагентство Nikkei сообщило, что лесозаготовительная компания Sumitomo Forestry и Киотский университет собираются запустить в космос спутник из дерева и изучают вопрос использования пиломатериалов для строительства космических сооружений. "Дерево не блокирует электромагнитные волны или магнитное поле Земли. Это позволяет размещать такие устройства, как антенны и механизмы ориентации, внутри деревянного спутника, что позволяет создавать более простые конструкции. Кроме того, когда деревянный спутник сходит с орбиты и падает обратно на Землю, он полностью сгорает, не выбрасывая в атмосферу вредные вещества и не осыпая Землю обломками", — говорилось в сообщении.

Однако вскоре пальму первенства в гонке за деревянный космос у японцев перехватили финны. В стране, которая на три четверти покрыта лесами, решили, что такой проект упускать попросту нельзя. В начале 2021 года финская деревоперерабатывающая компания UPM совместно с аэрокосмической компанией Arctic Astronautics создала свой образец, назвав его Woodsat. Это куб объемом 10 см3 и весом около 1 кг, сделанный из фанеры. Ее изготавливают из березы, высушенной в специальной паровой камере и покрытой оксидом алюминия, что позволит минимизировать риск реакции с атомарным кислородом. "Его нет в атмосфере Земли, но достаточно много на орбите. Он обладает коррозионными свойствами и весьма опасен для космических аппаратов. Именно от действия атомарного кислорода страдали корпуса и оборудование первых шаттлов", — отмечает Самули Ниман, главный инженер Arctic Astronautics.

Спутник Woodsat оснащен девятью солнечными батареями, радиопередатчиком и двумя камерами, одна из которых будет находиться на выдвигающемся держателе, похожем на селфи-палку. ESA, которое также участвует в проекте Woodsat, предоставило разработчикам датчики, которые позволят проверить работу радиочастотных антенн и других бортовых систем.

12 июня 2021 года деревянный спутник совершил первый успешный полет в стратосферу. Аппарат поднялся на высоту 31,2 км и благополучно приземлился в лесу в нескольких километрах к юго-западу от города Лахти.

Следующим этапом станет отправка Woodsat в космос. Предполагается, что на орбиту в конце 2021 года его выведет двухступенчатая ракета Electron американской космической компании Rocket Lab. Запуск состоится с площадки, расположенной на новозеландском полуострове Махиа. По данным ESA, высота вращения спутника составит 500–550 км над поверхностью Земли. Для его полного оборота по полярной орбите потребуется около полутора часов, а весь эксперимент займет около двух лет. За это время ученые должны будут выяснить, выдержит ли деревянный корпус суровые условия космоса, и оценить, станет ли дерево достойной заменой алюминию при строительстве новых спутников и других космических аппаратов.

Уборка на орбите

В июне 2021 года во время планового техосмотра МКС экипаж обнаружил дыру, пробитую в Canadarm2 — большом роботизированном манипуляторе, расположенном на внешней стороне станции. Как выяснилось, гигантскую роборуку пробил обломок спутника или ракеты диаметром 3,5 см. Окажись на пути такого "снаряда" не манипулятор, а один из модулей станции, то его наверняка пробило бы насквозь.

По словам специалистов АО "ЦНИИмаш" (входит в государственную корпорацию "Роскосмос"), ежегодно МКС атакуют до 10 тыс. различных осколков. Для защиты станции от мелких высокоскоростных частиц космического мусора и метеороидов применяют специальные экраны. Пробивая такой экран, обломок мусора разрушается и превращается в облако мелких осколков. Получающаяся "пыль" значительно менее опасна для обшивки модулей станции, чем удар исходной частицы.

Мелкий мусор не так опасен для МКС, но для спутника может оказаться смертельным. Как сообщал ТАСС, 28 января 2013 года российский научный наноспутник BLITS, запущенный в 2009 году, внезапно изменил свою орбиту и скорость вращения. Он столкнулся с фрагментом космического мусора и развалился на части. Поскольку движется мусор с большой скоростью — до 8 км/с, то для гибели 7,5-килограммового спутника, по расчетам ученых, оказалось достаточно фрагмента массой всего 0,017–0,019 г.

Как долго космический мусор остается в космосе, зависит от высоты орбиты. На низкой орбите, подчиняясь притяжению Земли, он в конце концов сгорает в атмосфере. Часть долетает до Земли, но пока не было случаев, чтобы упавшие с неба фрагменты космических аппаратов кому-то сильно навредили.

Сегодня, по данным информационно-аналитического центра АО "ЦНИИмаш", на орбитах Земли находится около 7 тыс. т космического мусора. "Наиболее засорена низкоорбитальная область околоземного космического пространства высотой до 2 тыс. км, которая чаще всего используется для работы космических аппаратов. В данной области в настоящее время находится более 3 тыс. функционирующих космических аппаратов и около 14 тыс. объектов космического мусора размером более 10 см. В области средневысоких орбит высотой около 20 тыс. км функционируют около 150 космических аппаратов, в то время как более 500 объектов космического мусора представляют для них опасность", — сказал в интервью ТАСС начальник информационно-аналитического центра АО "ЦНИИмаш" Игорь Бакарас.

В последнее десятилетие предложений по очистке орбиты от космического мусора становится все больше. Спектр идей широк: от откровенно футуристических вроде расстрела мусора лазерами и воздушными взрывами до вполне реальных вроде отлова отработавших фрагментов титановыми сетями и гарпунами.

В 2014 году ESA предложило запустить в околоземное пространство охотника за мусором под названием e.DeOrbit. Спутник мог бы подниматься на высоту от 800 до 1000 км и захватывать объекты гигантской сетью, похожей на невод. После успешной поимки e.DeOrbit совершал бы акт самоуничтожения, сбросив себя с орбиты и сгорев вместе с мусором в атмосфере. Позднее проект переименовали в ClearSpace-1, а вместо сети на аппарате теперь предусмотрены специальные щупальца. По данным ESA, первый запуск космического "рыбака" намечен на 2025 год.

В нашей стране к генеральной уборке космоса готовятся инженеры из холдинга "Российские космические системы" (РКС, входит в государственную корпорацию "Роскосмос"). Клининговый космический комплекс должен будет захватывать на орбите неактивные спутники, чтобы затем переработать их в топливо. В качестве основного приспособления для ловли будут использованы две титановые сети, а процесс превращения мусора в полезное вещество будет состоять из нескольких этапов: сперва обломки попадут в специальный измельчитель, где превратятся в мелкодисперсный порошок, далее регенератор воды, также расположенный на борту спутника, при помощи мембранно-электродного блока произведет окислитель — кислород, а также горючее — водород. Эти вещества будут смешиваться с порошком и использоваться в качестве топлива для бортового двигателя. Не исключено, что таким образом ученым удастся создать самый живучий аппарат в истории космонавтики.

Василий Кучшев