Высоко на орбите Земли миллионы созданных человеком объектов, больших и малых, движутся со скоростью более 24 000 километров в час. Эти объекты, от неработающих спутников до фрагментов оборудования, образовавшихся в результате взрывов или столкновений ранее запущенных ракет, называются космическим мусором, или, как его ещё называют, космическим мусором. Иногда объекты сталкиваются друг с другом, распадаясь на ещё более мелкие фрагменты.
Независимо от размера, весь этот мусор представляет собой проблему. Двигаясь на высоких скоростях, вызванных предыдущими запусками или взрывами, он представляет опасность для действующих спутников и космических аппаратов, которые жизненно важны для эффективности современных технологий, таких как GPS, цифровая связь и прогнозирование погоды. На орбитальных скоростях даже мельчайшие фрагменты могут нанести значительный ущерб работающему оборудованию, ставя под угрозу будущие космические миссии и людей, которые будут в них участвовать.
«Даже если крошечный пятимиллиметровый объект попадёт в солнечную панель или солнечную батарею спутника, он может её разрушить», — говорит доцент Хао Чэнь, чьи исследования связаны с разработкой космических систем. «А на орбите находится более 100 миллионов объектов размером менее одного сантиметра. Поэтому, чтобы избежать столкновения, приходится маневрировать космическим кораблём, что требует расхода топлива и больших затрат. Кроме того, на Международной космической станции находятся люди, которым иногда приходится выходить за пределы корабля, где космический мусор может их тоже поразить. Это действительно опасно».
Уборка космического мусора — технологически сложная и дорогостоящая задача. Более того, в настоящее время у стран и частных компаний нет стимулов заниматься этим. Отсутствие обязательных международных правил или принципа «загрязнитель платит», предусматривающего ответственность за несоблюдение, привело к «космическому беспределу».
Так, в своем последнем исследовании под названием «Анализ космической логистики и разработка стимулов для коммерциализации очистки орбитального мусора», опубликованном в журнале Journal of Spacecraft and Rockets , Чэнь и его коллеги исследовали способы создания коммерческих возможностей для операторов космических аппаратов и компаний, занимающихся очисткой от мусора, с целью очистки от опасного мусора.
«Мы хотели выяснить, есть ли вероятность, что коммерческие игроки заинтересуются уборкой мусора», — говорит Чэнь.
В исследовании были проанализированы три возможных сценария очистки от космического мусора: управляемое возвращение на Землю, неуправляемое возвращение на Землю и утилизация в космосе. Все три метода потребуют использования спутника-регенератора космического мусора — аппарата, предназначенного для захвата и удаления космического мусора с орбиты.
В сценарии неуправляемого возвращения в атмосферу аппарат службы восстановления захватил бы обломки на орбите, по которой они летят, и спустил бы их на расстояние около 350 километров от Земли. Обломки продолжали бы вращаться вокруг нашей планеты, пока не вошли бы в атмосферу и не сгорели бы или не приземлились где-либо.
«Он либо сгорит, либо упадёт где-то на Земле, но мы не знаем, где, потому что это зависит от сопротивления атмосферы», — объясняет Чэнь. Этот метод неуправляемого возвращения — самый дешёвый, поскольку аппарату-реабилитатору не нужно преодолевать большие расстояния.
В сценарии управляемого возвращения в атмосферу спасательный корабль значительно приблизит обломки к Земле, примерно на 50 километров.
«Управляемое возвращение в атмосферу обходится дороже, поскольку обслуживающей организации необходимо приблизить обломок к Земле, а затем снова подняться за следующим фрагментом», — говорит Чэнь. «Это потребляет больше энергии и топлива, чем неуправляемое возвращение».
В сценарии переработки мусор будет транспортироваться с исходной орбиты в центр переработки в космосе. Транспортировка потребует топлива, что увеличит стоимость, но также позволит сэкономить много энергии за счёт повторного использования алюминия, металла, обычно используемого в космических кораблях, на орбите, а не забирать его с Земли.
«Запуск любого груза с Земли в космос обходится примерно в 1500 долларов за килограмм, — объясняет Чэнь. — Так что, если не нужно запускать с Земли, это выгодно».
Затем Чэнь и его коллеги проанализировали способы стимулирования компаний к удалению космического мусора. Они использовали теорию игр и теорию переговоров Нэша, разработанную математиком Джоном Нэшем, чтобы определить наиболее справедливую сделку для двух сторон — в данном случае для космических операторов, компаний, владеющих и управляющих спутниками, и компаний, занимающихся устранением космического мусора, — компаний, занимающихся его удалением.
«Устранители космического мусора оплачивают миссии, технологии и саму работу. Без какого-либо финансового стимула они фактически ничего не получают — они несут все расходы, а другие пожинают плоды», — говорит Чэнь.
Между тем, космические операторы могут получить огромную выгоду от удаления мусора. Их спутники могут работать более безопасно и эффективно, что позволяет экономить на топливе и эксплуатации, поскольку им не приходится совершать дополнительные манёвры для предотвращения столкновений.
«Однако на самом деле они ничего не делают, чтобы убрать мусор — они просто наслаждаются более чистой и безопасной средой», — отмечает Чэнь.
Чтобы решить эту проблему, команда Чэня предлагает ввести сборы, которые придется платить космическим операторам.
«Нам понадобится агентство, чтобы создать стимул для специалистов по устранению космического мусора», — говорит Чэнь. «Деньги должны поступать от людей, которые пользуются всеми этими преимуществами. Наш анализ показывает, что от устранения орбитального мусора может быть получена прибыль, и эта прибыль может быть оптимально распределена между космическими операторами и специалистами по устранению космического мусора».
Чэнь отмечает, что без такого решения опасность космического мусора, создаваемая нынешними и будущими объектами, остающимися на орбите, будет только расти: «Именно это необходимо, чтобы приблизить нас к космической отрасли, которая станет более безопасной, более устойчивой и по-прежнему прибыльной».