Предложен способ вывоза космического мусора с орбиты

С момента запуска первого искусственного спутника человечество не только активно осваивало космическое пространство, но и невольно превратило околоземную орбиту в гигантскую свалку. По самым последним оценкам Европейского космического агентства (ЕКА), вокруг нашей планеты обращается более 36 тысяч обломков размером свыше 10 сантиметров и сотни миллионов более мелких фрагментов. Каждый из этих объектов, движущихся со скоростями до 28 000 км/ч, представляет собой смертельную угрозу для действующих спутников, пилотируемых кораблей и Международной космической станции (МКС). Столкновение даже с крошечной болтовой или чешуйкой краски может привести к катастрофическим повреждениям, эквивалентным попаданию артиллерийского снаряда.

Эта ситуация породила так называемый «синдром Кесслера» — теоретический сценарий, предложенный NASA консультантом Дональдом Кесслером в 1978 году. Согласно ему, цепная реакция столкновений уже существующих обломков может привести к лавинообразному росту количества мусора, в результате чего целые орбитальные полосы станут практически непроходимыми для космических аппаратов, надолго заблокировав человечеству путь в космос. Чтобы предотвратить этот мрачный сценарий, мировое научное сообщество ведет интенсивный поиск технологий для безопасного и эффективного удаления космического мусора.

Все предлагаемые технологии уборки орбитального мусора можно условно разделить на две боль категории: контактные и бесконтактные.

Контактные методы предполагают физический захват объекта-цели. Это могут быть спутники-буксиры, оснащенные роботизированными манипуляторами, гигантскими сетями, гарпунами или даже липкими гелевыми структурами. После захвата «мусоровоз» включает свои двигатели, чтобы утянуть обломок вниз, в плотные слои атмосферы, где он благополучно сгорит. Главный недостаток таких систем — высокий риск. Процесс захвата сложен, требует ювелирной точности и может сам по себе привести к дроблению объекта, лишь усугубив проблему.

Бесконтактные методы выглядят более предпочтительно с точки зрения безопасности. Их суть заключается в воздействии на мусор на расстоянии с помощью направленной энергии. Это может быть лазерное излучение, которое испаряет часть материала обломка, создавая реактивную струю, тормозящую его, или ионные/плазменные пучки. Именно в этом перспективном направлении и ведет свои разработки команда доктора Кадзунори Такахаси из Университета Тохоку в Японии.

В своей новой статье, опубликованной в авторитетном журнале Scientific Reports, доктор Такахаси описывает существенное усовершенствование своей предыдущей разработки — плазменного двигателя с двойной тягой. Принцип работы технологии основан на фундаментальной физике. Если направить струю плазмы на объект (в данном случае — обломок), то, согласно третьему закону Ньютона, возникшая сила будет не только толкать цель, но и отталкивать сам двигатель в противоположном направлении. Это делает процесс торможения нестабильным и крайне неэффективным.

Еще в 2018 году Такахаси совместно с коллегами из Австралийского национального университета предложил элегантное решение — двунаправленную схему. Их двигатель создает два синхронных потока плазмы: первый направляется на космический мусор, замедляя его орбитальную скорость и заставляя спускаться все ниже, а второй — компенсирует реактивную тягу, стабилизируя положение самого аппарата-уборщика. Однако первоначальная модель обладала недостаточной мощностью для работы с крупными и массивными объектами, что ограничивало ее практическое применение.

Новое исследование японского физика знаменует собой качественный скачок в развитии этой технологии. Ключевым нововведением стало интеграция в систему магнитного поля особой конфигурации, известной как «касп». Подобные магнитные поля активно используются в экспериментальных термоядерных реакторах для удержания высокотемпературной плазмы.

Внедрение магнитного поля «касп» позволило повысить эффективность и мощность плазменной струи. В ходе лабораторных испытаний, проведенных в вакуумной камере, модернизированный двигатель продемонстрировал увеличение силы воздействия на цель на впечатляющие 20%. При относительно скромной потребляемой мощности в 5 кВт установка смогла генерировать постоянное тормозное усилие примерно в 25 миллиньютонов.

Чтобы оценить практическую значимость этой цифры, ученые приводят следующий расчет: такой силы достаточно, чтобы в течение примерно ста дней полностью затормозить и свести с орбиты неуправляемый объект массой в одну тонну. Кроме того, важным преимуществом новой разработки является использование в качестве рабочего тела аргона — дешевого и распространенного газа, в отличие от экстремально дорогого ксенона, который применяется в современных ионных двигателях. Это значительно снижает потенциальную стоимость будущих миссий.

Безусловно, между успешными лабораторными тестами и развертыванием технологии в реальном космосе лежит долгий путь. В вакуумной камере двигатель и цель находились на фиксированном расстоянии всего 30 сантиметров. В условиях открытого космоса системе предстоит решать гораздо более сложные задачи: автономно отслеживать хаотичное движение цели, обслуживающий стабильную дистанцию в несколько десятков метров, компенсировать собственное движение и максимально экономно расходовать запасы аргона для обеспечения длительности миссии.

Тем не менее, устойчивый прогресс в повышении эффективности и мощности делает двунаправленный плазменный двигатель доктора Такахаси одной из самых многообещающих технологий в глобальной борьбе с синдромом Кесслера. Его бесконтактный характер минимизирует риски, а относительная дешевизна эксплуатации открывает путь для создания целых флотилий «плазменных буксиров». В перспективе подобные аппараты смогут не только очищать орбиту от уже существующего мусора, но и выполнять функции «орбитального эвакуатора», мягко уводя с пути отработавшие свое спутники, предотвращая тем самым появление новых опасных обломков. Очистка околоземного пространства становится не просто научной задачей, а обязательным условием для дальнейшего освоения космоса, и новая разработка японских ученых — значительный шаг на этом пути.