В 1978 году консультант департамента NASA по защите окружающей среды Дональд Кесслер на удивление точно предсказал ситуацию, в которой оказалась современная космонавтика. За что учёные увековечили его имя в словосочетании «эффект Кесслера» — речь идёт о невозможности использовать ближний космос из-за орбитального мусора. Звучит невероятно?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(32). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

3 сентября 2002 года канадский астроном китайского происхождения Билл Ён (William Yeung) заступил на вахту в обсерватории Desert Eagle, недавно построенной посреди аризонской пустыни... Тут надо бы сказать несколько слов о личности учёного. Во-первых, Билл, глобалист до мозга костей, сам себе начальник: обсерватория и всё оборудование в ней — его личная собственность. Во-вторых, в сфере своих научных интересов Билл Ён — настоящий супермен: менее чем за 10 лет он обнаружил больше 2000 объектов и стал одним из самых успешных охотников за астероидами в истории астрономии. И, наконец, настоящей славой учёный обязан J002E3 — загадочному телу, обнаруженному именно в тот день, 3 сентября.

Кандидат в астероиды двигался по сильно вытянутой геоцентрической орбите, характерной для захваченных притяжением Земли небольших небесных тел. Причём произошло это событие (захват), как показывали расчёты, совсем недавно. Дело в том, что дальние околоземные орбиты крайне нестабильны: любые сколько-нибудь массивные предметы быстро выталкиваются с них из-за притяжения системы Земля — Луна — Солнце.

Жёлтым отмечена траектория движения J002E3. Прежде чем покинуть геоцентрическую орбиту, объект совершил шесть оборотов вокруг Земли.

Первая мысль, пришедшая в голову специалистам из международного Центра малых планет (Minor Planet Center), куда поступила информация о J002E3, была такой: «Неужели это они?!» В смысле — пришельцы. Основанием для такого странного вывода послужил необычный состав объекта. Спектральный анализ показал аномально высокое содержание диоксида титана, известного нам как… белила (не косметические, конечно, а используемые в лакокрасочных материалах в качестве антикоррозийного покрытия).

Действительность была прозаичнее: таинственным «пришельцем» оказалась S-IVB — третья ступень ракеты Saturn V лунной экспедиции Apollo 12. Осенью далёкого 1969 года она была сброшена не там и не тогда, где и когда планировалось, и вышла на околоземную орбиту с очень большим эксцентриситетом. Из-за перерасхода топлива ступень, предназначенную для вывода командного и посадочного модулей на окололунную орбиту, не смогли разогнать до нужной скорости и вытолкнуть на гелиоцентрическую орбиту. К счастью, объект J002E3 не представляет серьёзной угрозы для околоземной космонавтики: по расчётам специалистов, он вернётся к Земле примерно в 2032 году, так что на полтора десятка лет его можно вычеркнуть из перечня космических угроз.

Объект J002E3 (третья ступень Saturn V) во время сброса

Интересно, что впервые тема «небесного мусора» прозвучала ещё на заре космической эры. В 1964 году знаменитый фантаст Станислав Лем опубликовал юмористический рассказ «Спасём космос» (польск. — Ratujmy kosmos), в котором отважный покоритель Вселенной Ийон Тихий жаловался на «слабеющий блеск обеих звёзд Центавра. А как же ему не слабеть, если вся окрестность забита мусором! Вокруг самой крупной планеты Сириуса, настоящей жемчужины этой планетной системы, возникло кольцо наподобие колец Сатурна, но состоящее из пустых пивных и лимонадных бутылок. Космонавт, летящий этой дорогой, вынужден обходить не только тучи ме­теоритов, но и консервные банки, яичную скорлупу и старые газеты… Кое-где из-за этого хлама не видно звёзд. Астрофизики не один уже год ломают голову, пытаясь найти причину столь заметных различий в количестве космической пыли в разных галактиках. А дело, я думаю, просто: чем выше цивилизация, тем больше намусорено, отсюда вся эта пыль, сор и хлам».

Компьютерная модель распределения мусора вблизи Земли. Наибольшая концентрация космического хлама наблюдается на двух орбитах: низкой околоземной (до 2000 км) и геосинхронной (до 35 786 км)

Главная опасность синдрома Кесслера заключается даже не в самом мусоре, а в провоцируемом им эффекте домино: одно-единственное столкновение спутника с бесхозным куском металла породит кучу осколков, которые превратят путешествие по данной орбите в опасный аттракцион. На низких орбитах порядка 200–400 километров (в этом космическом «лягушатнике» летают, например, МКС и GPS-спутники) проблема мусора решается естественным путём: существенное влияние атмосферы довольно быстро сводит объекты с околоземной орбиты, после чего они просто сгорают в плотных слоях. И если бы дело ограничивалось приземными орбитами, то самоочищение потребовало бы не более пары-тройки лет (свежесгоревшему китайскому «Тяньгуну-1» вообще понадобились считаные месяцы).

Самые замусоренные орбиты расположены гораздо выше. Наибольшая концентрация космического лома зафиксирована на высотах 800, 1000, 1500 и 39 000 километров. О последней стоит сказать особо — это так называемая геостационарная орбита, примечательная тем, что спутники на ней «висят» над одной точкой экватора, то есть их период обращения в точности равен суткам. Косвенно о многочисленности геостационарников говорит обилие спутниковых тарелок, гроздьями облепивших фасады домов в городах. Действительно, чего уж проще: купил антенну, прикрутил её к чему-нибудь фундаментальному, направил в нужную точку небосвода и — получай круглосуточно качественный сигнал!

У спутников, как и у любого другого прибора, есть срок службы. Из множества болтающихся в ближнем космосе цельных аппаратов реально работает лишь четвёртая часть. Всё остальное, по-хорошему, надо бы сжечь в плотных слоях атмосферы, подобно прошлогодним листьям в саду.

Но не всё так просто. На больших высотах плотность атмосферы практически равна нулю, и никакого тормозящего действия она не оказывает. Так, первый фрагмент космического мусора — американский спутник Vanguard — кружит по эллиптической орбите с перицентром (самой ближней к Земле точкой) 654 километра аж с 1958 года и сгорит в атмосфере, если не произойдёт ничего экстраординарного, через… 2000 лет. Что же тогда говорить о геостационарных орбитах? Теоретически (под действием исключительно сил ньютоновской механики) космическое старьё может находиться там десятки и сотни тысяч лет.

Впрочем, сломанные спутники и крупные фрагменты ракет — всего лишь часть проблемы. Их можно хотя бы отследить и поставить на учёт. Так, в миссии STS-125, начавшейся 11 мая 2009 года и признанной одной из самых сложных за всю историю программы Space Shuttle, вероятность столкновения с крупным обломком оценивалась в 0,5%, то есть 1:200.

Шаттлу предстоял полёт к орбитальному телескопу Hubble, обращающемуся на высоте около 600 километров, с которой мусор сходит гораздо медленнее, чем с орбиты МКС. Телескоп нуждался в срочной и масштабной модернизации (новые гироскопы стабилизации, аккумуляторы, компьютер, широкоугольная камера и спектрограф на общую сумму почти в четверть миллиарда долларов), поэтому в NASA предпочли пойти на риск, нежели бросить фантастически дорогой инструмент на произвол судьбы.

Подготовка к запуску шаттла Atlantis в рамках миссии STS-125. На соседней площадке снаряжённый шаттл Endeаvour — запасной вариант на случай столкновения Atlantis с космическим обломком.

О том, что риск был нешуточным, говорит одна деталь. Экипаж Atlantis доставил на Землю радиатор системы охлаждения телескопа. Его площадь не превышала 2 квадратных метров, в космосе он провёл 16 лет. Так вот, на поверхности радиатора инженеры насчитали 685 выбоин от попадания мелких частиц (в среднем — 3,5 раза за месяц). На площади в 2 квадратных метра! Следовательно, для крупных объектов вероятность поражения возрастает многократно…

По этим причинам миссия STS-125 стала единственной в истории пилотируемой космонавтики, когда к старту одновременно готовили два корабля — Atlantis и Endeаvour, призванный сыграть роль спасателя в случае ЧП с первым челноком. К счастью, его помощь не понадобилась: экипаж Atlantis справился с заданием в штатном режиме — работоспособность космического телескопа была восстановлена, да так, что он давно уже перешёл на сверхурочную работу, перекрыв все нормативы. На Землю Hubble вернётся (то есть войдёт в плотные слои атмосферы и сгорит) лишь в интервале между 2030 и 2040 годом.

А вот восьмитонному спутнику Envisat (от Environmental Satellite), запущенному 1 марта 2002 года Европейским космическим агентством, повезло меньше. Этот аппарат ценой почти в 3 миллиарда долларов, выведенный на солнечно-синхронную полярную орбиту высотой 790 километров, предназначался для мониторинга земной поверхности и был оборудован целой батареей уникальных приборов, поставлявших учёным потоки важной информации. Аппарат был рассчитан на пятилетнюю эксплуатацию, но с успехом функционировал вплоть до ­8 апреля 2012 года, когда перестал отвечать на запросы с Земли.

Выходное отверстие в многослойной кевларовой защите космического грузового корабля ATA ESA при тестировании столкновения с космическим мусором

Попытки восстановить связь продолжались целый месяц, но Envisat больше не отзывался. Крупнейший спутник гражданского назначения в одночасье превратился во флагмана «мусорного флота», общая численность которого измеряется уже миллионами единиц, от крупных фрагментов диаметром более 5 сантиметров до мириад частиц меньше горошины. Теперь Envisat — орбитальная «бомба», угрожающая превратить синдром Кесслера в суровую реальность прикладной космонавтики.

Самое обидное в том, что эффективных и экономически оправданных средств уборки космического мусора нет и в ближайшем будущем не предвидится. Чтобы увести с орбиты тот же Hubble, понадобится специальная экспедиция, цена которой будет сравнима со стоимостью самого телескопа. А прогнозы неутешительны: как считают специалисты NASA и ESA, даже если прекратить все запуски спутников, на количество мусора это не повлияет.

Исследование под названием Catcher’s Mitt, проведённое агентством DARPA (US Defense Advanced Research Projects Agency) в 2009 году, наглядно показало: при нынешнем уровне технологий ни один из предложенных способов уборки космомусора (магнитные сети, огромные полимерные зонтики, покрытые липким составом, лазерные испарители и т. д.) не способен ощутимо повлиять на ситуацию. Остаётся только наблюдать, как небо над нами затягивается бронёй из обломков, от которых ещё надо суметь увернуться. Вы по-прежнему считаете космос бесконечным?