Исследователи разрабатывают электростатический притягивающий луч с целью вывода несуществующих спутников с геостационарной орбиты, чтобы решить проблему космического мусора.
В научно-фантастических фильмах ничто так не нагнетает напряжение, как космический корабль хороших парней, попавший в невидимый притягивающий луч, который позволяет злодеям медленно затягивать их. Но то, что когда-то было только научно-фантастическим фильмом, вскоре может стать реальностью.
Ученые разрабатывают реальный притягивающий луч, получивший название электростатического тягача. Однако этот притягивающий луч не будет засасывать беспомощных пилотов космических кораблей. Вместо этого он будет использовать электростатическое притяжение, чтобы безопасно выталкивать опасный космический мусор с орбиты Земли.
Ставки высоки: в условиях бурного развития коммерческой космической отрасли количество спутников на орбите Земли, по прогнозам, скоро резко возрастет.
Это изобилие новых спутников в конечном итоге износится и превратит пространство вокруг Земли в гигантскую свалку мусора, который может врезаться в работающие космические аппараты, упасть на Землю, загрязнить нашу атмосферу металлами и мешать астрономам вести наблюдения.
И, если их не остановить, растущая проблема космического мусора может подорвать быстро развивающуюся индустрию освоения космоса, предупреждают эксперты.
Электростатический притягивающий луч потенциально мог бы решить эту проблему, безопасно переместив мертвые спутники далеко за пределы околоземной орбиты, где они могли бы безвредно дрейфовать целую вечность.
Хотя притягивающий луч не смог бы полностью решить проблему космического мусора, эта концепция имеет ряд преимуществ перед другими предлагаемыми методами удаления космического мусора, которые могли бы сделать ее ценным инструментом для решения проблемы, сообщили эксперты Live Science.
Однако прототип будет стоить миллионы, а действующая, полномасштабная версия - на несколько порядков больше. Однако если удастся преодолеть финансовые препятствия, тяговый луч может быть введен в эксплуатацию в течение десятилетия, говорят его создатели.
"Научная модель уже существует, но финансирования нет", - сказала в интервью Live Science исследователь проекта Кейли Чемпион, докторант кафедры аэрокосмической инженерии Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder).
Как избежать катастрофы
Притягивающие лучи, изображенные в "Звездных войнах" и "Звездном пути", всасывают космические корабли с помощью искусственной гравитации или двусмысленного "энергетического поля". Такая технология, вероятно, превосходит все, чего когда-либо достигнет человек. Но эта концепция вдохновила Ханспетера Шауба, профессора аэрокосмической инженерии в Калифорнийском университете в Боулдере, на разработку более реалистичной версии.
Впервые Шаубу пришла в голову идея после первого крупного столкновения спутников в 2009 году, когда действующий спутник связи Iridium 33 врезался в российский военный спутник "Космос 2251", разбросав по орбите Земли более 1800 обломков.
После этой катастрофы Шауб захотел иметь возможность предотвратить повторение подобного. Он понял, что можно вывести космический корабль из-под удара, используя притяжение между положительно и отрицательно заряженными объектами, чтобы заставить их "прилипнуть" друг к другу.
В течение следующего десятилетия Шауб и его коллеги усовершенствовали эту концепцию. Теперь они надеются, что когда—нибудь его можно будет использовать для перемещения мертвых спутников с геостационарной орбиты (GEO) - орбиты вокруг экватора Земли, где скорость объекта соответствует вращению планеты, создавая впечатление, что объект зафиксирован на месте над определенной точкой на Земле. Затем это освободило бы место для других объектов в координатах геостационарной орбиты, которые считаются "первоклассной недвижимостью" для спутников, сказал Шауб.
Как это работает?
Электростатический тягач будет использовать космический корабль-сервисер, оснащенный электронной пушкой, которая будет стрелять отрицательно заряженными электронами в мертвый спутник-мишень, сказал Лили Чемпион в интервью Live Science.
Электроны придадут цели отрицательный заряд, оставив сервисеру положительный заряд. По ее словам, электростатическое притяжение между ними удерживало бы их вместе, несмотря на то, что их разделяло от 65 до 100 футов (20-30 метров) пустого пространства.
Как только обслуживающий аппарат и цель "соединятся", обслуживающий аппарат сможет вывести цель с орбиты, не прикасаясь к ней. В идеале несуществующий спутник должен быть выведен на "орбиту кладбища", более удаленную от Земли, где он мог бы безопасно дрейфовать вечно, заявила Чемпион.
Электростатическое притяжение между двумя космическими аппаратами было бы чрезвычайно слабым из-за ограничений в технологии электронных пушек и расстояния, на которое их необходимо было бы разделить для предотвращения столкновений, рассказал Live Science исследователь проекта Джулиан Хаммерл, докторант Калифорнийского университета в Боулдере. Таким образом, сервисной компании придется действовать очень медленно, и может потребоваться больше месяца, чтобы полностью убрать спутник с геостационарной орбиты, добавил он.
Это сильно отличается от притягивающих лучей из фильмов, которые неизбежны и быстро наматывают свою добычу. Это "главное различие между научной фантастикой и реальностью", - сказал Хаммерл.
Преимущества и ограничения
Электростатический тягач обладал бы одним большим преимуществом перед другими предлагаемыми методами удаления космического мусора, такими как гарпуны, гигантские сети и системы физической стыковки: он был бы полностью бесконтактным.
"У вас есть эти большие мертвые космические корабли размером со школьный автобус, вращающиеся очень быстро", - сказал Хаммерл. "Если вы стреляете гарпуном, используете большую сеть или пытаетесь состыковаться с ними, то физический контакт может повредить космический корабль, и тогда вы только усугубляете проблему космического мусора".
Ученые предложили другие бесконтактные методы, такие как использование мощных магнитов, но огромные магниты дороги в изготовлении и, вероятно, будут мешать управлению обслуживающим персоналом, сказал Чемпион.
Основным ограничением электростатического тягача является то, насколько медленно он будет работать. В настоящее время на геостационарной орбите Земли вращается более 550 спутников, но ожидается, что в ближайшие десятилетия это число резко возрастет.
Если бы спутники перемещались по одному за раз, то один электростатический тягач не поспевал бы за количеством спутников, выходящих из строя. Еще одним ограничением электростатического трактора является то, что он будет работать слишком медленно, чтобы быть практичным для уборки небольших фрагментов космического мусора, поэтому он не сможет полностью очистить геостационарную орбиту от мусора.
Другим серьезным препятствием является стоимость. Команда еще не провела полный анализ затрат на электростатический трактор, сказал Шауб, но, вероятно, это обойдется в десятки миллионов долларов. Однако, как только сервисный центр окажется в космосе, его эксплуатация будет относительно рентабельной, добавил он.
Следующие шаги
В настоящее время исследователи работают над серией экспериментов в своей лаборатории электростатической зарядки для изучения взаимодействия плазмы с аппаратом космического аппарата (ECLIPS) в Калифорнийском университете в Боулдере.
Металлическая вакуумная камера размером с ванну, оснащенная электронной пушкой, позволяет команде "проводить уникальные эксперименты, которые в настоящее время почти никто другой не может провести", чтобы смоделировать эффекты электростатического притяжения в меньших масштабах, сказал Хаммерл.
Как только команда будет готова, последним и самым сложным препятствием будет обеспечение финансирования для первой миссии, к чему они еще не приступали.
Большая часть расходов на миссию будет связана с созданием и запуском сервисного центра. Однако в идеале исследователи хотели бы запустить два спутника для первых испытаний, обслуживающий аппарат и цель, тогда они могли бы маневрировать, что дало бы им больше контроля над своими экспериментами, но также удвоило бы стоимость.
По предварительным оценкам команды, если им удастся каким-то образом добиться финансирования, прототип электростатического тягача может быть введен в эксплуатацию примерно через 10 лет.
Жизнеспособен ли проект?
Хотя космический тягач может показаться несбыточной мечтой, эксперты с оптимизмом смотрят на технологию.
"Их технология все еще находится в зачаточном состоянии", - сказал Джон Крассидис, ученый-аэрокосмист из Университета Буффало в Нью-Йорке, который не участвует в исследовании, в электронном письме Live Science. "Но я совершенно уверен, что это сработает".
Удаление космического мусора, не прикасаясь к нему, также было бы намного безопаснее, чем любой существующий альтернативный метод, добавил Крассидис.
Электростатический тягач "должен быть способен создавать силы, необходимые для перемещения неработающего спутника" и "безусловно, обладает высоким потенциалом для практической работы", - сообщила Кэролин Фруэ, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики в Университете Пердью в Индиане, в электронном письме Live Science. "Но на этом пути еще предстоит решить несколько инженерных задач, чтобы сделать его готовым к работе в реальном мире".
Ученые должны продолжать исследовать другие возможные решения, сказал Крассидис. Даже если команда CU Boulder не создаст "конечный продукт" для удаления нефункциональных спутников, их исследования станут отправной точкой для других ученых, добавил он.
Если они окажутся успешными, это будет не первый случай, когда ученые превратят вымысел в факт.
"То, что сегодня является научной фантастикой, может стать реальностью завтрашнего дня", - сказал Крассидис.
