Космічне сміття

Розподіл сміття в навколоземному просторі

Космічне сміття або орбітальне сміття — некеровані об'єкти антропогенного походження, які більше не виконують свої функції та літають навколо Землі або в меншій мірі навколо інших планет. Ці об'єкти різноманітного походження становлять загрозу космічним апаратам. Є ризик, що сміття почне подрібнюватися у геометричній прогресії внаслідок взаємних зіткнень. Станом на березень 2023 року, на навколоземній орбіті обертається понад 23 000 об'єктів, які відстежуються та віднесені до космічного сміття.

Походження

Існує декілька джерел утворення космічного сміття:

• «Мертві супутники». Штучні супутники, які припинили своє функціонування і з певних причин не були знищені (це не було передбачено проєктом запуску, супутник передчасно вийшов з ладу тощо).
• Останні ступені ракет. Після відділення власне корабля чи супутника від ракети-носія, деякі фрагменти ракети-носія залишаються на орбіті.
• Невеликі шматки. Незначні об'єкти — фрагменти обшивки, інструменти, що випали з рук космонавтів (астронавтів) або з космічних станцій тощо.
• Фрагменти знищених супутників. Особливо потенційно шкідливі наслідки військових навчань. Подібні тренування по знищенню своїх відпрацьованих супутників проводили: Китай, США, СРСР

Масштаби засмічення

Кількість некерованих об'єктів ^{(оц.2012-07-06)} 

Держава	Кількість	Частка
Росія	4667	34.7 %
США	3723	27.7 %
КНР	3518	26.2 %
Франція	484	3.6 %
Японія	183	1.4 %
Індія	174	1.3 %
Інші	688	5.1 %

Станом на 2012 рік на навколоземній орбіті оберталося близько 19 000 об'єктів. Майже 90 % сміття припадає на продукцію трьох держав: Росії (СРСР), США, КНР.

За даними дослідників, на 2021 рік, навколо Землі оберталося також 130 млн. невеликих об'єктів розміром до 1 см, які перетворилися на сміття.

Вже на березень 2023 року, мережа космічного спостереження США відстежувала вже понад 23 000 шматків космічного сміття, які за розміром перевищують розмір м'яча для софтболу на орбіті Землі, в тому числі, 3000 з них – це є відпрацьовані супутники. Однак більшість уламків орбіти занадто малі, щоб їх можна було відстежити. За оцінками дослідників, на орбіті Землі також знаходиться понад 100 трильйонів не відстежуваних частинок космічного сміття. Переважна їх більшість має ширину менше 1 сантиметра, а через відсутність опору атмосфери вони досягають швидкості понад 25200 км/год – що в 10 разів швидше, аніж середня швидкість кулі на Землі

Зони космічного сміття

Виділяють дві зони ущільнення космічного сміття:

1. Низько-орбітальна зона на висотах 500-1.200 км над поверхнею Землі;
2. Геостаціонарна зона на висоті приблизно 38.000 км;

Окремо, розглядається питання загрози космічного сміття, яке утворилося поза межами низької навколоземної орбіти (НОО) та середньої і високої (геостаціонарної/геосинхронної ГЕО) орбіт Землі, а саме, навколо Місяця.

Небезпека вибухів

Причиною вибухів космічних апаратів можуть бути електрохімічні реакції, що протікають в акумуляторах супутників. Місце, де стався вибух, огортають цілі хмари уламків. Поступово вони обволікають всю земну кулю. Більшість з цих об'єктів знаходиться на орбітах з високим нахилом, площини яких перетинаються, тому середня відносна швидкість їх взаємного прольоту становить близько 10 км/с.

Інциденти з космічним сміттям

Інциденти в космічному просторі

У 1983 році маленька піщинка (менше 1 мм в діаметрі) залишила серйозну тріщину на ілюмінаторі багаторазового човника-шатла програми Спейс Шаттл.

У липні 1996 року на висоті близько 660 км французький супутник зіткнувся з фрагментом третього ступеня французької ж ракети Arianе.

10 лютого 2009 року, комерційний супутник «Iridium» американської компанії супутникового зв'язку Iridium, виведений на орбіту в 1997 році, зіткнувся з військовим російським супутником зв'язку «Космос-2251», який був запущений в 1993 році і виведений з експлуатації в 1995 році. В результаті зіткнення супутників на орбіту Землі додалося понад 2300 уламків (і це тільки тих, які можливо відстежити).

8 травня 2020 року, на навколоземній орбіті вибухнув бак із паливом від російського розгінного блоку «Фрегат-СБ». За повідомленням ВПС США, внаслідок позаштатної ситуації та вибуху утворилося 65 уламків. Фахівці 18-ї ескадрильї контролю космічного простору ВПС США, що спеціалізується на виявленні, відстежуванні та ідентифікації всіх штучних об’єктів на навколоземній орбіті, проаналізували ситуацію та повідомили, що вибух не був спричинений зіткненням баку з іншим об’єктом.

18 березня 2021 року, о 07:41:10 за всесвітнім скоординованим часом, уламок російської ракети «Зеніт-2», яка в 1996 році вивела на орбіту Землі військовий супутник «Космос 2333» («Цілина-2»), зіткнувся з діючим китайським метеосупутником «YunHai 1-02» і знищив його. Після зіткнення супутника з російським космічним сміттям утворилося 37 уламків, які були внесені до каталогу Космічних сил США. Чотири з них вже згоріли в атмосфері Землі. Зіткнення сталося при швидкості 13,26 км/с на висоті 780 км над містом Тромсе (Норвегія). Як відзначають в NASA, це стало вже п'ятим підтвердженим випадком зіткнення створених людиною об'єктів на орбіті й першим за останні 10 років.

У червні 2021 року невеликий шматок невідомого космічного сміття врізався в роботизовану руку МКС, пошкодивши, але не знищивши її.

4 січня 2023 року, в Космічних силах США підтвердили інформацію про те, що російський штучний супутник «Космос 2499», який востаннє маневрував у 2017 році, розвалився на 85 шматків і тепер вони у вигляді космічного сміття кружляють на висоті майже 1100 км над Землею.

У серпні 2023 року, старий радянський супутник, запущений у космос ще в 1991 році, розвалився на орбіті на 7 шматків космічного мотлоху на висоті приблизно 1400 кілометрів над Землею. Судячи з усього, аварія сталася в результаті зіткнення супутника з космічним сміттям. Спеціалісти зазначають, що це був радянський супутник зв’язку «Космос-2143» або «Космос-2145», тобто один з восьми супутників типу «Стрела-1М», запущених свого часу однією ракетою-носієм та виведений в подальшому з експлуатації.

Інциденти на поверхні Землі

Космічне сміття часто падає на Землю. Щороку в атмосферу входить у середньому від 200 до 400 шматочків космічного сміття, яке наука здатна відстежити. Більшість із них досить малі, щоб повністю згоріти в атмосфері. Однак відомо багато випадків, коли великі об'єкти досягали поверхні.

Так, у серпні 2022 року обгорілий шматок космічного корабля SpaceX Dragon приземлився в Австралії на овечій фермі. В листопаді 2022 року величезний шмат китайської ракети впав у Китаї. Уламки ще однієї китайської ракети виявили в Індонезії та Малайзії. Раніше, в травні 2021 року подібні уламки впали на Мальдівах.

16 липня 2023 року, на віддаленому пляжі в Грін-Хед, приблизно за 250 кілометрів (155 миль) на північ від міста Перт, штат Західна Австралія (Австралія), було виявлено уламок розгінного двигуна від індійської ракети-носія PSLV, який використовувався під час запуску супутника. Поліція Західної Австралії заявила, що урядовий хімічний аналіз визначив, що об’єкт безпечний і «поточного ризику для громади немає», хоча незадовго до цього влада вважала пристрій небезпечним і закликала громадськість триматися від нього подалі.

Інші джерела засмічування

Незначні об'єкти — фрагменти обшивки, інструменти, що випали з рук космонавтів (астронавтів) або з космічних станцій та перетворилися в космічне сміття можуть нести певну загрозу об'єктам на орбіті Землі. В більшості випадків, такі події є результатом ненавмисних та непередбачуваних обставин, але ж, як не дивно, вони бувають і цілком навмисними.

Так, у 1965 році астронавт NASA Ед Вайт ненавмисно втратив запасну рукавичку при виході з космічного корабля «Gemini-4». За подібних причин, в 2008 році, під час виходу у відкритий космос, астронавтка Гайдемарі Стефанишин-Пайпер втратила сумку з інструментами, вага якої складала близько 13 кг (30 фунтів), в 2017 році астронавти Пеґґі Вітсон і Роберт Кімбро також втратили сумку під час виходу у відкритий космос, а в 2018 році інструмент було втрачено під час встановлення обладнання на зовнішній платформі японського модуля «Kibo»

Проте, російські космонавти Сєргєй Прокоп’єв і Дмітрій Пєтєлін, які прибули на МКС 21 вересня 2022 року на ракеті-носії «Союз-2.1а», навмисно смітили у космосі. Так, під час чергового виходу у відкритий космос, вони навмисно викинули чималий оберемок обладнання у космічний простір. Про це стало відомо з прямої трансляції семигодинного виходу у відкритий космос для переміщення повітряного шлюзу з однієї частини МКС в іншу. «Просто красиво літає», — прокоментував свій вчинок один з космонавтів.

Згідно публікації NASA, практика викидання сміття з МКС у відкритий космічний простір існує і застосовується астронавтами без будь-якої відповідальності. Так, на відео переданому з МКС, американський інженер і астронавт NASA Уоррен Вудроу «Вуді» Хобург (Warren Woodrow «Woody» Hoburg) демонструє циліндричний шматок космічного сміття, що благополучно дрейфує до Землі після того, як канадський робот-маніпулятор «Canadarm2» викинув його за борт МКС. Зрештою, показані уламки повинні впасти в атмосферу Землі лише влітку 2025 року та без жодного ризику для МКС. Хобург також зазначив: «Добре позбутися маси на борту космічної станції». Потім він додав, що обладнання для забезпечення польотів, що «падає на Землю», відслужило своє: «Це досить круто!». Він також повідомив, що екіпаж МКС робить все можливе, щоб позбавитися непотрібних предметів перед тим, як пристикований космічний корабель підніме орбіту станції, щоб запобігти її падінню в атмосферу Землі.

1 листопада 2023 року, астронавти NASA Джасмін Могбелі та Лорал О’Хара, які виходили у відкритий космос на МКС для проведення заміни частин сонячної батареї, переналаштування кабелю Ethernet та заміни опорного підшипника, на висоті 258 миль (415 кілометрів) над Землею, втратили сумку з інструментами. Відомо, що вміст сумки коштував 100 тис. доларів США. Наразі сумка з інструментами обертається навколо Землі зі швидкістю 27 тис. км/год та на 5 хвилин випереджає МКС. Об’єкт отримав позначення космічних сил США 58229/1998–067WC у системі каталогізації штучних об’єктів на орбіті Землі.

Шляхи вирішення проблеми

Кількість сміття за межами Землі стала настільки великою, що уже може завадити космічним місіям. Також, якщо не почнеться процес «прибирання», існує імовірність того, що в процесі накопичення сміття почне падати на Землю, а це уже становить небезпеку. Саме тому британські вчені з державного дослідницького університету Суррея у м. Гілфорді (графство Суррей, Англія) запропонували технологію для спалення сміття в атмосфері. Сміттєзбиральний апарат RemoveDebris оснастили гарпуном, сіткою та вітрилом для того, щоб збирати сміття різного розміру і, по закінченню місії, також утилізувати апарат в шарах атмосфери. Раніше подібні засоби не використовувались в космосі, тож апарат проходить тест на ефективність роботи в умовах невагомості. На початку 2018 року апарат був відправлений на МКС, де астронавти готували його до початку робіт.

На початку червня 2023 року, приватна компанія Astroscale зі штаб-квартирою в Токіо (Японія) показала космічного прибиральника ELSA-M (англ. End of Life Services by Astroscale-Multiple), якого планують запустити в космос 2025 року. Він стане першим у світі комерційним космічним буксиром, що має можливість зведення з орбіти безлічі неактивних супутників. Також зазначалося, що перш за все, запуск ELSA-M спрямований на деактивацію несправного супутника OneWeb шляхом його зведення з орбіти. Після запуску, буксир з'єднається з супутником за допомогою магнітних стикувальних пластин. Потім буксир перемістить несправний супутник на нижчу орбіту. Після цього ELSA-M відокремиться від супутника і вирушить до наступного, тоді як супутник OneWeb через декілька місяців згорить у атмосфері нашої планети.

Існують також інші, більш сміливі, наукові розробки боротьби з космічним сміттям. Наприклад, вчені аерокосмічної інженерії з Боулдерського університету витратили десять років на розробку новітнього перспективного методу ліквідації космічного сміття. На переконання дослідників, космічне сміття можна буквально випхати з області навколоземної орбіти за рахунок сили притягання між двома об’єктами, один з яких заряджений позитивно, а інший — негативно. Розроблена ідея в один день може допомогти прибрати космічні орбіти від сміття.

Місія Aeolus

24 липня 2023 року розпочався перший етап операції з безпечного повернення на Землю старого космічного супутника «Aeolus», який має увійти в атмосферу планети 28 липня. Так, науковці Європейського космічного агентства (ESA) спланували і проведуть першу у своєму роді операцію з безпечного повернення на Землю непридатного космічного супутника. Як повідомляється, 1360-кілограмовий «Aeolus» обертається навколо Землі з 2018 року. ESA зазначає, що він був першим супутником, який заміряв вітри Землі з космосу та передавав дані до метеорологічних центрів по всій Європі. Наприкінці квітня 2023 року програму «Aeolus» закрили через нестачу палива, з того часу космічний апарат падає до Землі. Вчені вирішили використати рештки палива на супутнику для його контрольованого спуску. Згідно з планом, операція з повернення «Aeolus» на Землю поділена на три етапи. Перший етап вже розпочався 24 липня, коли апарат досяг висоти у 280 км. Науковцям вдалося успішно виконати перший маневр і наблизити апарат до Землі на відстань в 250 км. Наступні етапи передбачені на 27 та 28 липня. Спочатку супутник здійснить ще кілька маневрів, внаслідок яких висота траєкторії його польоту знизиться з 250 до 150 кілометрів. Опісля, апарат контрольовано спустять на висоту 80 км. Кінцевим результатом науковці називають згоряння 80 % супутника в атмосфері Землі та спуск вцілілих частин в Індійський океан. Попри це вченим потрібно підтримувати його роботу достатньо довго, щоб вони могли продовжувати надсилати команди та контролювати його шлях. Вчені наголошують, що майбутні космічні кораблі необхідно розробляти саме з можливістю їх контрольованого повернення з космосу. Це мінімізує накопичення космічного сміття (об'єктів) в космосі та зменшить ризик ушкодження або травматизму для населення Землі під час їх падіння. За повідомленням Європейського космічного агентства (ESA), 28 липня 2023 року, близько 21:00 за центральноєвропейським часом, супутник «Aeolus» увійшов в атмосферу над Антарктидою та завершив своє контрольоване руйнування над Атлантикою.

Місія ClearSpace

Станом на 2023 рік, проєкт місії ESA з прибирання космічного сміття реалізовується у партнерстві зі швейцарською компанією ClearSpace. Ідея останньої полягає в запуску космічного апарата, який примусово захопить великі уламки і змінить їхній напрямок руху. Завдяки цьому сміття перестане рухатися на орбіті Землі. Супутник «ClearSpace» планують запустити у 2026 році в рамках пілотної місії. Мета дебютного польоту — захоплення компонента розгінного блоку Vega Secondary Payload Adapter, який використовувався в космічному запуску ще в 2013 році. Його вага становить приблизно 100 кілограмів, а ширина — близько 2 метрів. Серйозної небезпеки фрагмент не становить, однак за своїми параметрами він такий же, як і уламки, які здатні серйозно зашкодити діючим супутникам. Однак, як повідомила 18-та ескадрилья космічної оборони США, поруч із запланованим компонентом для прибирання тепер обертаються ще декілька об'єктів, яких раніше не було. Найімовірніше, вони з’явилися внаслідок зіткнення фрагмента на високій швидкості з дрібнішими частинками космічного сміття.

Місія Asteroid Redirect Mission

Згідно повідомлення SpaceNews, компанія TransAstra уклала з NASA контракт на $850 тис на створення прототипу мішка для збирання космічного сміття на орбіті Землі. Мішок для збирання космічного сміття придумали в NASA в рамках програми Asteroid Redirect Mission, що передбачала доставку навколоземного астероїда на орбіту Місяця для вивчення. Мішок має надувну конструкцію з ребрами жорсткості, яка дозволяє йому набувати об’ємної форми і захоплювати об’єкти різних розмірів і форм. Компанія TransAstra планує розвинути цю ідею до наземного демонстраційного прототипу і, можливо, довести проєкт до випробувань у космосі.

Місія NASA/JAXA LignoSat

Американське космічне агентство NASA та японське Агентство аерокосмічних досліджень (JAXA) планують до літа 2024 року запустити в космос перший у світі дерев’яний супутник, який виготовляють з магнолії. За повідомленням видання Space, супутник завбільшки з кавову чашку матиме назву LignoSat. Науковці успішно протестували зразки деревини на борту МКС й вирішили, що тестовий супутник придатний для запуску. Як виявилося, дерево не горить і не розкладається в космічному вакуумі, але воно згорить після повернення в атмосферу Землі. Саме тому, головна перевага такого супутника з деревини — екологічна. Після випрацювання терміну експлуатації він повинен повністю згорати в атмосфері і не додавати на орбіті космічного сміття.

Відповідальність за космічне сміття

Федеральна комісія зі зв'язку (FCC) заявила, що вперше в історії наклала "проривний" штраф за космічне сміття, оштрафувавши на 150 000 доларів телекомпанію Dish, яка не змогла належним чином утилізувати свій відпрацьований супутник «EchoStar-7». Він знаходиться на орбіті з 2002 року. Коли термін експлуатації геостаціонарного супутника добіг кінця, Dish повинна була перемістити його на 300 кілометрів вище звичайної робочої орбіти. Але через те, що паливо закінчувалося, зробити цього не вдалося – апарат підняли лише на 120 кілометрів вище початкової орбіти, де він "може викликати проблеми". Американські регулятори, які нещодавно активізували свої зусилля з очищення орбіти від сміття, хочуть, щоб компанія визнала свою провину та виплатила штраф. Сама ж Dish виступає проти вимог, заявляючи, що комісія не зробила "жодних конкретних висновків про те, що супутник «EchoStar-7» створює загрозу безпеці". Компанія заявляє, що її супутник є старим апаратом, який не підпадає під нові правила FCC.

Див. також

• Деорбітація
• Космічна археологія

Посилання

• Забруднення космосу // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 88.
•