Эффект Кесслера. Космическая граница, которая способна запечатать нас на Земле на долгие поколения.

Над нашими головами есть граница, которую делит все человечество. Она проходит не между двумя государствами. Из живых людей там вообще мало кто успел побывать. Эта граница заселена в основном автоматическими аппаратами, военными и телекоммуникационными спутниками и зондами. И число жителей там, между Землей и внешним космосом, постоянно растет, а в последние годы этот рост стал просто стремительным. Если же мы напортачим, то эта граница может оказаться для нас запечатанной на долгие поколения — так, что ни один человек больше не сможет покинуть Землю.

Тема сегодняшнего рассказа — синдром Кесслера, теоретический мини-апокалипсис на низкой околоземной орбите, который по принципу домино стартует с одного столкновения и вскоре приводит в полную непригодность ближний космос. И риск этого апокалипсиса растет из-за тренировок военных и деятельности Илона Маска.

Самая населенная орбита

Большинство спутников, а также все обитаемые космические станции используют низкую околоземную орбиту. Это зона в пределах 160—2000 км над поверхностью Земли. Очень удобные высоты, с которых телекоммуникационные спутники обеспечивают нас связью и развлечениями, спутники дистанционного зондирования делают свои красивые карты планеты, а шпионские аппараты собирают разведданные.

На высоте около 400 км вертится по орбите Международная космическая станция, где у человечества есть постоянный форпост в космосе. Примерно на этой же высоте строит свою орбитальную станцию Китай.

Низкая околоземная орбита крайне важна при нынешнем укладе жизни на планете, в том числе для функционирования многих цифровых сервисов.

Но так как это весьма популярная орбита, то ее население очень быстро растет. В последние годы — совсем стремительно. По данным на сентябрь прошлого года, на низкой околоземной орбите находилось 3790 спутников. Многие из них уже в нерабочем состоянии. Значительная часть из этого массива (почти половина) принадлежала одной-единственной компании — SpaceX Илона Маска. Речь про ту самую сеть спутниковой связи Starlink, которая в ближайшие годы хочет в несколько раз умножить присутствие своих аппаратов на низкой околоземной орбите.

На днях ракета-носитель Falcon 9 вывела на орбиту 53 спутника Starlink. Это был 15-й запуск связки спутников с начала года. Группировка Starlink уже выросла до 2706 спутников на орбите и не собирается уменьшаться.

Большую часть времени, что человечество заигрывает с космосом, полеты туда, а также спутники на орбите были государственными и военными. Это была скорее игрушка политической борьбы времен холодной войны. Но новый век, технологии и удешевление полетов открыли дорогу большей коммерциализации космоса и низкой околоземной орбиты Земли. Теперь больше частных компаний строят свои спутники и доставляют их с помощью таких же частных ракет.

Слишком тесная орбита

Но с этим трендом есть одна большая проблема. Низкая околоземная орбита — не резиновая. Диапазон высот, на которых обращаются спутники, относительно невелик. При этом чем больше спутников, тем выше шанс их столкновения.

Окей, пара спутников столкнется, пара богатых компаний потеряет свои деньги. И… что с того? Проблема не в потере этих спутников, а в огромном числе осколков, которые образуются в результате столкновения.

В 2016 году 23 августа Европейское космическое агентство заметило небольшое внезапное снижение мощности солнечной батареи аппарата Sentinel-1A. В то же время отмечались некоторые изменения в ориентации и орбите спутника. Камеры, установленные на нем, показали повреждение на одной из солнечных панелей — глубокую вмятину, которой раньше не было.

Анализ данных, в том числе скорости спутника, размеров вмятины, показал, что удар был нанесен очень маленьким объектом — частицей всего несколько миллиметров в диаметре, которая оставила после себя вмятину диаметром в 40 см. Отследить этого агрессора было невозможно, потому что с Земли обычно трекают потенциальные угрозы размером более 5 сантиметров.

Специалисты Европейского космического агентства полагают, что всего вокруг Земли может вращаться около 129 млн объектов размером больше одного миллиметра. Специалисты из США именно на низкой околоземной орбите насчитывают пару десятков тысяч. Они вращаются на высоких скоростях. И кусочек такого мусора размером с монетку на скорости с десяток километров в секунду, может насквозь прошить спутник с невероятной силой, раздробив его на мелкие кусочки. Десятки, сотни и тысячи новых мелких кусочков.

В 2009 году случилось самое первое и громкое столкновение в истории освоения низкой околоземной орбиты. Пересеклись траектории действующего телекоммуникационного спутника Iridium-33 и отработавшего свое еще 14 лет назад российского военного спутника «Космос-2251». Два искусственных объекта массами 600 и 900 кг столкнулись, образовав, по разным оценкам, от 600 до 2000 обломков разной величины. Большая их часть до сих пор находятся на орбите, и хорошо, если сойдут с нее в ближайшие два десятка лет.

Это была случайность, которую никто всерьез не отслеживал. Но, кроме случайностей, есть и закономерности. Крупные космические державы периодически множат мусор на орбите целенаправленно. Во времена холодной войны и США, и СССР испытывали противоспутниковое оружие, знатно засорив орбиту. В 2007 году Китай на высоте почти 900 км уничтожил ракетой свой отработавший спутник. Это испытание, к слову, сюжетно перекликается с завязкой в фильме «Гравитация». Совсем недавно, в ноябре 2021 года, еще одно испытание провела Россия. Обломки уничтоженного спутника «Космос-1408» несколько раз вынуждали экипаж МКС укрываться в аварийных капсулах на случай столкновения с образовавшейся мусорной плеядой.

Чем больше обломков на орбите, тем выше шанс, что они сотворят еще больше обломков. Что напрямую ведет к опасной цепной реакции, известной как эффект Кесслера.

Цепная реакция Кесслера

Консультант NASA Дональд Кесслер еще в 1978 году описал гипотетический сценарий, коварство которого заключается в эффекте домино. Одно столкновение может привести к серии новых, а те вызовут каскад очередных столкновений. Спустя пару итераций на низкой околоземной орбите будет твориться форменный хаос, способный сделать околоземное пространство полностью непригодным для деятельности человека. Никаких новых спутников, никаких путешествий к Луне и Марсу. Любой старт ракеты будет сопровождаться неиллюзорным риском врезаться в купол из обломков вокруг Земли.

Конечно, эти обломки не навсегда загадят орбиту. Со временем они станут терять скорость, их высота снизится, они будут тормозиться о верхние слои атмосферы и сгорать в ней. Однако это небыстрый процесс. На сход некоторых обломков нужны десятилетия. Чем больше их будет, тем дольше станет процесс самоочищения орбиты.

Но нужно не дожидаться развития этого гипотетического сценария Кесслера, а действовать наперед. Starlink, к примеру, обещает, что будет поддерживать на орбите чистоту и порядочек во всем, что касается ее спутников. Они оборудованы бортовыми двигателями для схода с орбиты в конце эксплуатационного цикла. Если же по какой-то причине двигатель спутника не сработает, то он просто сгорит в верхних слоях атмосферы Земли. Правда, на это понадобится от года до пяти лет.

Многие спутники запускались и продолжают запускаться без запасного плана по их сходу с орбиты. Все отдается на откуп естественному ходу вещей. А потому для принудительного спуска нужны специализированные мусорщики. Предлагаются разные варианты. От аппаратов с гарпунами и сетями, способными захватывать мусор, до роботизированных рук, которые более бережно будут обходиться с отработавшими свое спутниками.

В 2018 году британцы отправили на орбиту тестовую исследовательскую систему RemoveDEBRIS. Это был мини-полигон, в рамках которого на мишенях испытывали различные технологии уничтожения мусора, — сеть, гарпун и парус.

Сетью тестовую мишень обмотать удалось, вот только как-то активно спускать ее с орбиты в дальнейшем не планировали.

Также был успешен и выстрел гарпуном на скорости 20 м/с. Попали, поймали, но не спускали.

Последний эксперимент с парусом был, пожалуй, самым интересным с практической точки зрения. Парус должен был сработать как естественный тормоз для всей этой научно-исследовательской платформы, которая благодаря ему сошла бы с орбиты. Вот только парус развернуть не получилось — эксперимент провалился.

В 2026 году Европейское космическое агентство планирует запустить на орбиту уборщика в рамках миссии ClearSpace-1. Предполагается убрать с орбиты адаптер полезной нагрузки Vega, оставшийся после одного из запусков десять лет назад.

Миссия однажды уже переносилась, а подрядчик не справился с дизайном аппарата-уборщика. Удастся ли протестировать перспективную технологию в срок? Есть сомнения.

Никто никогда не убирал на низкой околоземной орбите. Пока мы только создаем там еще больше мусора, вставляя палки в колеса будущим поколениям для их безопасного использования околоземного пространства.

Источник