Что такое Синдром Кесслера и может ли он уничтожить спутники
Космос перестал быть элитарной территорией для сверхдержав, превратившись в оживленную магистраль для частных компаний и научных миссий.
Однако эта доступность имеет обратную сторону: околоземная орбита стремительно заполняется отработанными ступенями ракет и вышедшими из строя спутниками.
Риск столкновений растет с каждым запуском, создавая угрозу цепной реакции, способной сделать низкую орбиту непригодной для использования на столетия вперед.
Ученые называют этот катастрофический сценарий синдромом Кесслера, и признаки его приближения уже заметны невооруженным глазом.
В этой статье мы разберем реальные масштабы проблемы, оценим текущие меры защиты и узнаем, есть ли у нас шанс избежать космического коллапса.
Чаще всего наши читатели выбирают эти товары:
Реклама. ООО «Яндекс Маркет», ИНН 9704254424, erid: 5jtCeReNx12oajxW2167m5R
Понимание механизмов образования орбитального мусора критически важно для будущего всей космической отрасли.
Оглавление:
- Насколько сильно сейчас перегружена орбита Земли?
- Откуда берется весь этот космический мусор?
- Сможем ли мы понять, что приближаемся к синдрому Кесслера?
- Что происходит, когда мы достигаем синдрома Кесслера?
- Есть ли способ вылечиться от синдрома Кесслера?
- Итак, что мы делаем сейчас для предотвращения синдрома Кесслера?
- Достаточны ли наши нынешние действия?
- Что еще могут сделать правительства?
- Что еще могут сделать исследователи?
- А как насчет удаления части мусора, который уже находится на низкой околоземной орбите?
Кристин Хаузер (Kristin Houser) рассказывает о самых важных событиях в космосе, от новых запусков ракет до открытий, которые расширяют наше понимание Вселенной и нашего места в ней.
Человечество достигает новых высот в освоении космоса.
Благодаря удешевлению ракет и другим технологическим достижениям космос стал как никогда доступным.
Это создало новые возможности для исследований, научных изысканий, туризма, производства и многого другого — но это имеет свою цену, выходящую за рамки стоимости запуска.
Исторически сложилось так, что мы не очень хорошо справлялись с извлечением объектов, отправленных в космос, а поскольку число новых объектов на околоземной орбите сейчас растет быстрее, чем когда-либо, вероятность столкновений между «космическим мусором» — или между этим орбитальным мусором и нашими действующими космическими аппаратами — также возрастает.
Эти столкновения могут привести к образованию еще большего количества космического мусора, поскольку более крупные обломки оборудования распадаются на более мелкие.
Малый размер не обязательно означает безопасность.
За более мелкими объектами сложнее следить, а поскольку объекты на низкой околоземной орбите (НОО) движутся со скоростью около 28164 километров в час (17 500 миль), даже такой маленький предмет, как винт, ударившийся о космический аппарат, может нанести серьезный ущерб.
В 1978 году учёные НАСА Дональд Дж. Кесслер (Donald J. Kessler) и Бертон Кур-Пале (Burton Cour-Palais) выдвинули гипотезу о том, что может наступить момент, когда мы станем свидетелями своего рода цепной реакции на низкой околоземной орбите, когда эти столкновения в космосе приведут к образованию всё большего количества космического мусора, что, в свою очередь, вызовет ещё больше столкновений — до такой степени, что мы потеряем доступ к орбитальному пространству.
Этот сценарий получил название «синдром Кесслера», и в этом выпуске мы ответим на 10 важных вопросов о космическом мусоре и кошмарном сценарии, который может отбросить нас в докосмическую эру.
Насколько сильно сейчас перегружена орбита Земли?
НАСА и Космические силы США используют комбинацию спутников, телескопов и датчиков для наблюдения и отслеживания любого мусора на низкой околоземной орбите, размер которого примерно больше бейсбольного мяча.
Эти системы также могут идентифицировать более мелкие обломки, помогая нам оценить масштаб проблемы, но они недостаточно совершенны для их отслеживания.
Другие космические агентства и правительства также имеют программы мониторинга космического мусора, и растет число частных компаний, занимающихся отслеживанием всего, что происходит в космосе — так называемая «информация о космической обстановке» (SSA).
На основе этих данных НАСА подсчитало, что на низкой околоземной орбите находится более 100 миллионов обломков космического мусора диаметром более 1 миллиметра.
Приблизительно 500 000 из этих объектов имеют размер от 1 до 10 сантиметров, а более 25 000 из них — ширину более 10 сантиметров.
Откуда берется весь этот космический мусор?
Космический мусор может представлять собой что угодно, от ракетных ускорителей до инструментов, которые ускользают от астронавтов МКС во время выходов в открытый космос, но спутники являются основным его источником.
Европейское космическое агентство (ESA) подсчитало, что с начала космической эры мы вывели на околоземную орбиту почти 20 000 спутников.
Примерно половина из них до сих пор функционирует, а еще 3000 выведены из строя и просто загромождают орбиты Земли.
Остальные были сведены с орбиты: их замедлили, чтобы они сгорели при входе в атмосферу Земли, или отправили на более высокие «орбиты-кладбища», подальше от действующих космических аппаратов.
ЕКА также подсчитало, что произошло более 650 «событий фрагментации» спутников — они взрывались, разлетались на части или сталкивались, превращая один или два больших куска космического мусора во множество более мелких.
Например, по оценкам, одно столкновение действующего спутника с вышедшим из строя в 2009 году стало причиной образования одной трети всего космического мусора, каталогизированного НАСА.
«Мы уже на первом этапе».
Даррен Макнайт (Darren McKnight)
В некоторых случаях спутники были преднамеренно уничтожены в космосе.
Например, в 2021 году Россия сбила баллистической ракетой один из своих неработающих спутников, чтобы продемонстрировать свою способность уничтожать вражеские спутники.
При этом образовалось более 1500 отслеживаемых обломков и сотни тысяч более мелких фрагментов, которые поставили под угрозу жизни российских космонавтов на МКС.
Индия, Китай и США также проводили испытания противоспутникового оружия, которые привели к уничтожению спутников на орбите.
Сможем ли мы понять, что приближаемся к синдрому Кесслера?
Теоретически возможно, что одно столкновение спутников быстро приведет к другому, а затем к третьему, в результате чего обширные участки низкой околоземной орбиты станут непригодными для использования всего за несколько недель или месяцев.
Также возможно, что этот каскад событий займет десятилетия или даже столетия.
По словам Даррена Макнайта, старшего технического специалиста компании LeoLabs, занимающейся исследованиями в области социального обеспечения, синдром Кесслера будет развиваться в три этапа:
- Обнаружено множество аномалий космического аппарата неизвестной этиологии, которые могут быть вызваны фрагментами обломков размером от 1 мм до 3 см;
- Многие отказы спутников были связаны с ударами фрагментов размером от 3 до 20 см, а также с несколькими столкновениями массивных неповрежденных обломков (например, брошенных корпусов ракет и неработающих полезных нагрузок);
- Большое количество событий столкновительной фрагментации быстро увеличивает популяцию космических объектов, и эти события были выявлены на первых двух этапах синдрома Кесслера.
«Мы уже находимся на первом этапе, — сказал Макнайт изданию Freethink. — Есть некоторые признаки того, что второй этап начнётся в следующем десятилетии. Третий этап можно остановить позитивными и эффективными изменениями в поведении и регулировании».
Что произойдет, когда мы достигнем синдрома Кесслера?
Люди просто перестанут пытаться использовать НЛО.
«В итоге там окажется столько мусора, что вероятность столкновения будет настолько велика, что запуск спутников станет бессмысленным… Это сделает низкую околоземную орбиту бесполезной», — сказал Джон Л. Крассидис (John L. Crassidis), профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Университете Баффало, который сотрудничает с НАСА и другими американскими правительственными агентствами по мониторингу космического мусора.
Это означало бы потерю значительной части наших спутников связи и спутников для получения изображений.
Мы, возможно, все еще сможем использовать высотные аэростаты или планеры на солнечных батареях на суборбитальных высотах для некоторых научных исследований, которые мы сейчас проводим со спутниками на низкой околоземной орбите, но это будет дорогостоящая и некачественная замена.
«Есть несколько миссий, которые можно выполнить подобным образом, но ничто не сравнится с космосом, по крайней мере, с точки зрения научных миссий», — сказал Крассидис изданию Freethink. «Хочется иметь возможность побывать в космосе».
Вероятно, мы по-прежнему сможем использовать космическое пространство за пределами низкой околоземной орбиты — на высотах, которые мы сейчас используем для спутников GPS, телевизионных спутников, космических телескопов и другой техники, — но будет существовать риск столкновения космических аппаратов при пересечении этих перегруженных высот.
В зависимости от уровня риска, пилотируемые миссии могут быть признаны слишком опасными, что означает прекращение полетов на Луну и за ее пределы.
Есть ли способ вылечиться от синдрома Кесслера?
Когда низкая околоземная орбита (НОО) будет настолько загромождена мусором, что никто не сможет безопасно управлять на ней космическим аппаратом, она, вероятно, останется в таком состоянии до тех пор, пока в результате снижения орбиты мусор не войдет в атмосферу Земли.
В зависимости от начальной высоты, это может занять тысячи лет.
Мы могли бы ускорить этот процесс с помощью передовых технологий — например, японский стартап Ex-Fusion разрабатывает систему для сведения космического мусора с орбиты с помощью лазеров, запускаемых с Земли, — но задача удаления такого количества мусора всех размеров, которое сравнимо с синдромом Кесслера, в настоящее время находится далеко за пределами наших возможностей.
«Если с учетом современных технологий мы столкнемся с синдромом Кесслера, то, как бы мне ни было неприятно это говорить, нам конец», — сказал Крассидис.
Итак, что мы делаем сейчас для предотвращения синдрома Кесслера?
Все методы отслеживания крупных объектов на низкой околоземной орбите, которые использует НАСА, позволяют предсказать вероятность столкновения между действующими космическими аппаратами или космическим мусором.
«Если вероятность превышает один случай на 10 000, мы свяжемся с одним из производителей и скажем: „Вам, вероятно, следует переехать. Необязательно, но мы считаем, что стоит“», — сказал Крассидис.
Космические компании также нанимают компании, занимающиеся мониторингом космических аппаратов, такие как LeoLabs, для отслеживания своих космических аппаратов и предоставления обновлений в режиме реального времени о риске столкновения, чтобы они могли вносить корректировки, когда считают, что вероятность аварии слишком высока.
Компания SpaceX, в состав которой входит более 6300 действующих спутников Starlink и которая планирует развернуть еще как минимум 5700, вывела систему предотвращения столкновений на новый уровень — ее спутники автоматически корректируют свою траекторию, когда вероятность столкновения превышает один случай на миллион.
«Спутники, как правило, не обладают интеллектом — нам приходится управлять многими процессами с земли», — сказал Крассидис. «У спутников [Starlink] есть некоторые интеллектуальные функции для автоматического маневрирования. Информация напрямую передается на эти спутники».
Интернет-группировка Starlink компании SpaceX значительно увеличивает количество объектов на низкой околоземной орбите.
В 2022 году США пообещали, что в будущем не будут проводить испытания противоспутникового оружия, создающего космический мусор, и с тех пор 36 стран последовали их примеру — Индия, Китай и Россия в их число не входят.
Аналогичное обещание взяли на себя почти 50 частных аэрокосмических компаний со всего мира.
Федеральная комиссия по связи (FCC) также приняла в 2022 году новое правило, которое обязывает операторов спутников, находящихся на низкой околоземной орбите и имеющих лицензию FCC, выводить их с орбиты в течение пяти лет после завершения миссии, чтобы снизить вероятность столкновений.
Предыдущий срок составлял 20 лет.
«Чтобы избежать синдрома Кесслера, необходимо избегать или уменьшать риск столкновений в космосе», — заявила вице-президент LeoLab по связям с государственными органами изданию Freethink Кейт Малига (Kate Maliga). «Этого можно добиться за счет более эффективного отслеживания спутников, прозрачности со стороны операторов спутниковой связи в отношении того, где находятся их спутники и куда они направляются, [а также] ответственной утилизации спутников по окончании срока их службы».
Достаточны ли наши нынешние действия?
По словам Крассидиса, это маловероятно: «Если мы будем продолжать в том же духе… я думаю, что через 50-100 лет синдром Кесслера станет реальностью».
Что еще могут сделать правительства?
Сокращение количества образующегося космического мусора — это первый шаг к предотвращению «синдрома Кесслера», но поскольку космос — это международная сфера, для этого потребуется международное сотрудничество.
В 1967 году Организация Объединенных Наций приняла Договор о космическом пространстве, являющийся основополагающей основой космического права, но Крассидис считает, что этого уже недостаточно.
«У нас нет по-настоящему современных договоров, и я думаю, что они нам нужны», — сказал он Freethink. «Мы и наши братские страны делаем некоторые хорошие вещи [например, новое правило FCC]… Проблема в том, что не все это делают, и мы знаем, кто нарушает правила. Это Китай и Россия».
В 2010 году ООН выпустила руководящие принципы по управлению космическим мусором.
Эти принципы носят добровольный характер и не имеют обязательной юридической силы в соответствии с международным правом, но они могут послужить основой для нового договора — например, четвертый пункт руководящих принципов призывает страны «избегать преднамеренного уничтожения» находящихся на орбите космических аппаратов.
«Уничтожение спутников Китаем и Россией — это нехорошо, поэтому я бы начал с этих рекомендаций и попытался замедлить рост», — сказал Крассидис.
Он опасается, что потребуется трагедия, прежде чем страны согласятся на новые правила обращения с космическим мусором: «Часто меня спрашивают: „Что должно произойти, прежде чем мы начнем относиться к этому серьезно?“ К сожалению, мой ответ таков: только если кто-то из астронавтов пострадает, мы наконец-то это осознаем».
Этот скол диаметром 7 мм на окне МКС образовался из-за крошечного кусочка космического мусора.
Что еще могут сделать исследователи?
Чтобы избежать синдрома Кесслера, нам необходимо лучше отслеживать космический мусор — а это огромная задача.
«Уравнения, которые у нас есть для отслеживания движения объектов на орбите, все еще недостаточно точны, — сказал Крассидис. — Даже малейшее воздействие, которое мы не можем ощутить здесь, на Земле, может иметь огромное значение в космосе».
Это значит, что если мы обнаружим объект на низкой околоземной орбите, мы можем думать, что знаем, куда он направится, но мы не уверены.
Проблема отслеживания усугубляется тем, что мы на самом деле точно не знаем, где этот объект находился изначально.
«У каждого датчика есть какая-то погрешность, поэтому даже когда я обнаруживаю объект, я не знаю точно, где он находится», — сказал Крассидис. «Я могу потерять этот объект на несколько месяцев. Верхнюю ступень «Аполлона-12» мы потеряли на 20 лет».
Даже если мы получаем сигнал в одной части низкой околоземной орбиты, а затем в другой, где и когда мы ожидаем снова увидеть объект, мы на самом деле не знаем, один и тот же ли это обломок.
Эта проблема известна как «проблема сопоставления данных», и это лишь одна из проблем, с которыми сталкивается сообщество SSA.
Таким образом, исследователям необходимо как можно быстрее разработать более совершенные датчики, алгоритмы и другие технологии для отслеживания обломков всех размеров — над чем многие активно работают.
А как насчет удаления части мусора, который уже находится на низкой околоземной орбите?
По словам Крассидиса, в настоящее время у нас нет технологий, которые могли бы экономически эффективно удалять космический мусор с орбиты, но это не означает, что многочисленные идеи, которые существуют для буксировки, воздействия электрическим током и захвата космического мусора для удаления его с низкой околоземной орбиты, не могут стать жизнеспособными вариантами в будущем.
«Я люблю говорить, что сегодняшняя научная фантастика — это завтрашняя реальность», — сказал Крассидис. «Нам нужно выиграть время: собрать лидеров вместе, замедлить рост, убедиться, что мы не приблизимся к синдрому Кесслера и всем этим технологиям, которые сегодня не осуществимы, — надеюсь, через 20, 30, 50 лет они станут осуществимыми. Тогда мы сможем начать активно удалять космический мусор».
Часто задаваемые вопросы:
Что такое синдром Кесслера простыми словами?
Это гипотетический сценарий, при котором плотность объектов на низкой околоземной орбите становится настолько высокой, что столкновения между ними вызывают цепную реакцию.
Каждое новое столкновение порождает тысячи новых обломков, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими объектами.
В результате орбита может стать непригодной для использования на сотни или тысячи лет.
Насколько серьезна проблема космического мусора сегодня?
На орбите уже находятся миллионы фрагментов мусора размером от одного миллиметра.
Даже крошечные объекты движутся с огромной скоростью и способны пробить обшивку космических аппаратов.
Количество активных спутников растет экспоненциально, что многократно увеличивает риски столкновений.
Можно ли убрать существующий космический мусор?
На данный момент не существует экономически эффективных технологий для массовой очистки орбиты.
Разрабатываются проекты с использованием лазеров, сетей и гарпунов, но они находятся на стадии тестирования.
Основной упор сейчас делается на предотвращение образования нового мусора.
Как защищены астронавты на МКС от мусора?
Станция оснащена защитными экранами от мелких частиц и способна маневрировать для уклонения от крупных объектов.
Специальные службы постоянно отслеживают траектории потенциально опасных обломков.
При угрозе столкновения экипаж может укрыться в пристыкованных кораблях для экстренного возвращения.
Запрещены ли испытания противоспутникового оружия?
Прямого международного запрета на такие испытания не существует, хотя ряд стран взял на себя моральные обязательства.
США, Япония и другие государства объявили о прекращении разрушительных тестов.
Однако ключевые игроки, такие как Китай и Россия, продолжают развивать подобные технологии.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
