Цивилизация
Потеря российскими военными запущенного на орбиту новейшего спутника «Канопус-СТ», способного находить в океане подводные лодки, вновь привлекла внимание к проблеме космического мусора. По данным Роскосмоса, число космических объектов техногенного происхождения составляет 17,141 тыс., из них 1,361 тыс. — это действующие космические аппараты, остальные 15,78 тыс. — космический мусор.
При этом некоторые модели показывают, что на орбите может находиться более 750 млн объектов размером более 1 мм.
Космическим мусором считают давно вышедшие из строя спутники и ракеты, ступени и отходы деятельности обитаемых станций, осколки от столкновения спутников и обломков друг с другом. Первый искусственный спутник Земли был запущен в 1957 году, однако проблема космического мусора обострилась лишь в последние годы. Все чаще приходится слышать, что МКС в очередной раз уводят от летящих обломков.
Их популяция значительно выросла в 2009 году, после известного столкновения американского спутника Iridium и российского военного аппарата «Космос-2251». Это первое в истории столкновение спутников на орбите породило облако более 1 тыс. обломков диаметром больше 10 см и бессчетное число более мелких. В составе мусора есть мельчайшие микроскопические обломки и конструкции размером в метры. Их устойчивые орбиты простираются от 30 тыс. до 36 тыс. км над Землей, однако пик плотности приходится на диапазон от 800 до 1,1 тыс. км.
Обломки могут иметь собственные скорости от 3 до 7 км/с, а относительные — до 15 км/c.
Самые мелкие обломки, менее 1 см в диаметре, обладают относительно низкой кинетической энергией, и действующие спутники от них можно обезопасить при помощи прочного покрытия. Куда большую угрозу представляют крупные обломки размером более 1 см, которых на околоземных орбитах может летать около 100 тыс. штук. Недавние исследования показали, что в будущем вероятность столкновения между спутниками и обломками может резко возрасти,
что вызовет цепную реакцию и лавинообразное увеличение числа обломков.
Для решения проблемы космического мусора ученые уже несколько лет то и дело предлагают различные проекты, более или менее фантастические. По мусору предлагали стрелять лазером и испарять в космическое пространство. Однако это решение не годится для мелких обломков, которые сложно находить и отслеживать. Другой способ предполагает запуск на орбиту специальных аппаратов-уборщиков, способных настигать мусор и сводить его с орбиты, например, сетями. Предложены и другие контактные способы свода мусора с орбиты, но их главный недостаток — ограниченный объем топлива, который должен взять с собой уборщик мусора, каким бы он ни был.
Революционное решение для сбора космического мусора предложили ученые под руководством Лэй Ланя из Университета Цинхуа. Аппарат, концепцию которого они изложили в научной статье, не будет требовать топлива:
для передвижения в космосе он будет буквально пожирать обломки других аппаратов.
Благодаря этой особенности с легкой руки журналистов задумку китайцев назвали машиной Судного дня. Именно так называлось устрашающего вида устройство в одном из эпизодов сериала «Звездный путь» («Star Trek»), которое разрушало планеты и использовало их в качестве топлива для перемещения по галактике.
Идея такой машины проста. Любое вещество при большой температуре может быть превращено в плазму — смесь положительно заряженных ионов и электронов. А приложив к ним электрическое напряжение, ионы можно заставить вылетать, сообщая двигателю импульс. Собственно, по такому принципу и работают давно используемые в космонавтике ионные двигатели.
Тягу они дают небольшую, зато имеют огромный КПД и могут работать годами.
Главная проблема тут — измельчить материал мусора до состояния порошка. Для этого ученые предложили использовать на борту пожирателя спутников барабанно-шаровую мельницу — вращающийся цилиндр с шариками, аналогичный тем, что используются при производстве цемента, керамики и гипса.
«Обломки большего размера сначала разрушаются на мелкие кусочки, используя механический метод. Планетарная барабанно-шаровая мельница затем перемалывает их в порошок с частицами в микрометры или мельче», — говорится в деталях проекта.
Полученный порошок затем нагревается и отправляется в систему, которая разделяет ионы и электроны. Затем положительно заряженные ионы помещаются в сильное электрическое поле, ускоряющее их до высоких энергий. Ионы вылетают из сопла спутника, сообщая ему импульс, а легкие электроны также выбрасываются наружу, чтобы оставить аппарат электрически нейтральным.
Для работы такого двигателя необходима лишь энергия, которую можно получать из солнечных батарей или радиоизотопных источников, уверены ученые.
Конечно, эффективность двигателя будет зависеть от плотности материала и характера порошка, из него получаемого. Пока для своих расчетов ученые предположили, что обломки будут иметь размер не более 10 см, а состоять они будут преимущественно из алюминия и титана, из которых в действительности состоят 90% космических обломков.
«Тяга двигателя зависит только от массы вылетающих частиц порошка и относительной скорости их истечения. Очевидно, что, с одной стороны, использование такого двигателя является эффективным способом удалять обломки с орбиты, с другой — аппарат получает топливо для следующих маневров», — считают авторы исследования.