Мусорная головоломка

Рубрика:  

Очистка ближнего космоса гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд

Проблема загрязнения космического пространства волнует все аэрокосмическое сообщество. Такое гипотетическое развитие событий на околоземной орбите, как синдром Кесслера, предрекающий вышедшее из-под контроля образование космического мусора, взбудоражило даже популярные средства массовой информации.

Понятно, что назрела необходимость проведения фундаментальных исследований, чтобы понять, какую опасность в себе таит даже небольшой осколок, и подсчитать, сколько мы готовы заплатить за очистку космического пространства.

В настоящее время политические деятели, ученые, технические специалисты и широкая общественность глубоко осознают проблему разрастания космического мусора. Благодаря фундаментальному труду Дж-К. Лиувилля и Николаса Джонсона, изданному в 2006 году, мы понимаем, что уровень засоренности скорее всего продолжит свой рост и в будущем, даже если прекратить все запуски. Причиной такого устойчивого роста являются столкновения, которые, по ожидаемым прогнозам, будут иметь место между спутниками и ступенями ракет, уже находящимися на орбите. Это сильно беспокоит многих операторов спутниковой связи, которые вынуждены принимать соответствующие меры для защиты своих активов.

Некоторые специалисты полагают, что эти инциденты станут всего лишь началом целой серии столкновений, которые сделают почти невозможным доступ к низкой околоземной орбите. Обычно это явление, которое впервые детально описал консультант НАСА Дональд Кесслер, называют синдромом Кесслера. Но реальность, вероятнее всего, будет сильно отличаться от подобных прогнозов или событий, показанных в художественном фильме «Гравитация». Действительно, результаты, представленные в Межведомственный координационный комитет по космическому мусору (МККМ) на шестой Европейской конференции по означенной теме, продемонстрировали ожидаемое увеличение количества мусора всего на 30 процентов в течение 200 лет при непрекращающихся запусках.

Столкновения все еще будут происходить, но реальность окажется далека от того катастрофического сценария, которого некоторые так опасаются. Рост количества космического мусора можно свести до вполне скромного уровня. Предложение МККМ состоит в широком распространении и четком соблюдении руководящих принципов предупреждения образования космического мусора, особенно в отношении нейтрализации источников энергии, которые к концу полета должны полностью вырабатываться, и утилизации после окончания полета. Тем не менее, с точки зрения МККМ, ожидаемый рост количества мусора, несмотря даже на предпринимаемые усилия, все-таки требует внедрения дополнительных мер по борьбе с имеющимися факторами риска.

Прогресс отсутствует?

Значительный интерес, проявляемый к рекультивации космической среды, был отмечен спустя девять лет после публикации работы Лиувилля и Джонсона. В частности, по всему миру предпринимались определенные шаги для разработки методов удаления объектов с низкой околоземной орбиты. Европейское космическое агентство, например, недавно объявило о своем намерении добиться поддержки правительства с целью выведения с орбиты европейского космического летательного аппарата в следующем десятилетии. Агентство провело многочисленные исследования, чтобы определить рациональные и надежные способы для достижения цели. Ключевым элементом планирования послужили компьютерные модели засоренного пространства, показавшие, что рост популяции мусора можно предотвратить, если удалить определенный космический корабль или ступени ракеты. В компьютерных симуляциях эти объекты идентифицируются как наиболее подверженные столкновению, поэтому после их удаления с орбиты число столкновений должно резко сократиться, что предотвратит появление нового мусора в результате разлета обломков.

С момента публикации работы Лиувилля и Джонсона прошло уже почти десять лет, и удивительно, что на международном или национальном уровне не представлены какие бы то ни было методологические принципы, четко определяющие мероприятия по ликвидации последствий загрязнения околоземного пространства. Кажется, что присутствует некоторая апатия в отношении разработки методики процедуры удаления мусора, несмотря на призывы к действию. Но так ли это на самом деле?

А на самом деле ситуация не так проста, как кажется. В отношении процедуры удаления космического мусора есть некоторые фундаментальные вопросы, на которые еще предстоит ответить. Особую озабоченность вызывают проблемы, связанные с собственностью, ответственностью и прозрачностью. Например, многие технологии, предлагаемые для удаления мусора, также можно использовать для удаления или отключения активного космического корабля. Следовательно, можно ждать обвинений, что эти технологии являются оружием. Есть также вопросы, касающиеся стоимости последовательной программы удаления мусора. Некоторые технические специалисты оценили ее в десятки триллионов долларов.

Однако, возможно, самая важная причина отсутствия адекватных методологических принципов кроется в том, что мы еще не знаем, как проводить рекультивацию, под которой на практике понимаем очистку космического пространства. Но это не означает, что мы не знаем, какие технологии нам нужны.

Практически уже разработаны алгоритмы для одноразового применения. Реальная проблема возникает из простой, казалось бы, задачи: определить «правильный» мусор для удаления с орбиты. И пока мы не сможем решить эту проблему, похоже, рекультивировать космос нам будет не по силам.

Играем в обломки

Чтобы осознать проблематичность решения такой простой с виду задачи, как выявление мусора, подлежащего удалению, мы используем аналогию игры с колодой из 52 обычных игральных карт. В этой аналогии каждая карта представляет собой объект, находящийся в космическом пространстве, который нам, возможно, захочется удалить, чтобы предотвратить столкновение. После сдачи карт мы кладем на стол каждую карту по отдельности лицом вниз. Наша цель сейчас – попытаться определить тузы и удалить их со стола, поскольку именно эти карты представляют собой спутники или другие крупные объекты космического мусора, которые могут стать участниками столкновения в какой-то момент в будущем. Мы можем удалить со стола столько карт, сколько захотим, но всякий раз, когда будем удалять одну карту, мы должны заплатить 10 долларов. Кроме того, по мере удаления мы не имеем права смотреть на карту (если спутник удаляется с орбиты, мы не можем с уверенностью сказать, что именно он мог бы стать участником столкновения). Наконец, мы должны заплатить 100 долларов за каждого туза, что остался на столе, который представляет собой потенциальные убытки, возникающие в результате столкновений с участием наших спутников (в реальности стоимость замены спутника может колебаться от 100 тысяч долларов до двух миллиардов).

Ну и как нам решить эту задачу? С обратной стороны все карты одинаковы, поэтому нет никакой возможности установить, где тузы, а единственный способ удостовериться, что мы сняли все тузы, – это убрать со стола все карты. На нашем примере это будет стоить максимум 520 долларов. В космическом пространстве перед нами стоит такая же проблема: мы не знаем точно, какие объекты могут быть вовлечены в столкновения, но это слишком дорого, чтобы удалить их все, поэтому мы вынуждены выбирать. Давайте предположим, что мы решились на выбор: чтобы удалить одну карту на сумму 10 долларов, какова вероятность того, что мы сняли туз? Ну вероятность того, что карта является тузом, – четыре делится на 52, другими словами, примерно 0,08 или 8 процентов. Таким образом, вероятность того, что карта не является тузом, – 92 процента. Именно такова вероятность, что мы зря потратили наши 10 долларов.

Что произойдет, если на этот раз мы возьмем вторую карту (которая будет стоить нам еще 10 долларов)? Вероятность того, что вторая карта – туз, зависит от факта, была ли тузом первая карта. Если бы это было так, то вероятность того, что вторая карта также является тузом, – три делим на 51 (потому что сейчас остались только три туза в колоде, которая уменьшилась на одну карту). Если первая карта не туз, то вероятность того, что вторая карта является тузом: четыре делим на 51 (потому что в уменьшившейся колоде остались еще четыре туза).

Мы можем использовать этот метод для определения вероятности того, что мы сняли оба туза, – просто умножаем вероятности, чтобы найти ответ: 4/52 умножаем на 3/51, что дает нам вероятность 0,0045 или 0,45 процента стоимостью 20 долларов за две удаленные карты. Не очень обнадеживает.

Тем не менее мы также можем определить вероятность удаления минимум одного из тузов. После снятия двух карт существует вероятность 15 процентов, что мы успешно удалили по крайней мере один из тузов. Это звучит более обнадеживающе, но шансы и теперь не особо хороши.

Оказывается, чтобы увеличить шансы снятия хотя бы одного из тузов, нам нужно удалить более девяти карт (стоимостью 90 долларов) или более чем 22 карты (стоимостью 220 долларов), если мы хотим быть уверены на 90 процентов, что мы сняли одного из тузов. Даже если мы добьемся успеха, три туза до сих пор все еще остаются на столе, так что в общей сложности нам все равно придется заплатить 520 долларов, которые по совпадению составляют ту же сумму, что нам пришлось заплатить, если бы мы выбрали вариант с удалением всех карт.

Игры кончились

По возвращении из нашей аналогии обратно в реальную космическую среду ситуация представляется более тревожной. В настоящее время с помощью сети станций США для наблюдения за космическим пространством на орбите отслеживается примерно 20 000 объектов, причем около шести процентов из них являются объектами с массой более одной тонны, которые гипотетически могут участвовать в столкновении и которые мы, возможно, захотели бы удалить. В карточной аналогии наша проблема заключается в том, что «рубашка» всех карт одинакова и вероятность того, что одна является тузом пик, такая же, как и вероятность того, что другая тоже туз. Здесь нет способа определить нужные карты и удалить их со стола. В действительности наши шансы предотвращения столкновения намного выше, чем в карточной игре, потому что на орбите просматривается вероятность вовлеченности некоторых объектов в столкновения и мы можем сосредоточить свое внимание на них. Например, объекты, которые находятся на густонаселенных орбитах, таких как гелиосинхронные, на высотах между 600 и 900 километрами наиболее вероятно будут вовлечены в столкновения из-за перегруженности этой зоны. Если мы сфокусируем свое внимание на подобных объектах (и других на аналогично перегруженных орбитах) и учтем прогнозы возможности их столкновения, то получится, что мы должны удалить около 50 объектов в целях сокращения ожидаемого числа катастрофических столкновений всего на одну единицу, что следует из результатов исследований, предпринятых членами космического агентства МККМ.

И выходит, что даже если несколько объектов могут подлежать удалению одним космическим кораблем-«чистильщиком» (а пять целевых объектов представляются универсальной альтернативой), множество полетов – часто сложных и претенциозных – предстоит предпринять только для предотвращения одного столкновения.

Почему мы не в состоянии более точно спрогнозировать вероятность столкновений и удалять только те объекты, которые, как мы знаем наверняка, будут опасны? Существует множество параметров, которые могут повлиять на траекторию спутника, в том числе ориентация спутника, будь то беспорядочное движение или космическая погода (которые могут повлиять на аэродинамическое сопротивление, испытываемое спутниками). Даже небольшие погрешности в начальных значениях могут привести к большим расхождениям в результатах расчета положения спутника по сравнению с реальностью, причем после относительно короткого периода. На самом деле мы пользуемся той же методикой, что и синоптики: мы задействуем модели для генерации вероятности конкретных результатов, но не факт, что эти результаты когда-либо будут получены.

Таким образом, мы располагаем технологиями, которые от случая к случаю можно использовать для удаления космического мусора. Такова позиция, занимаемая Европейским космическим агентством с их плановой миссией e.Deorbit, но остались еще проблемы, которые необходимо решить для выявления объектов, наиболее пригодных для удаления. Эти проблемы должны быть решены до того, как необходимые директивы и методологические принципы смогут быть предоставлены тем, кто заинтересован в подготовке долгосрочной программы удаления космического мусора, которая необходима для эффективного восстановления окружающей среды.

Методологические принципы с точки зрения конкретных объектов, их количества, требований и ограничений имеют важное значение для повышения вероятности того, что усилия, предпринимаемые с целью восстановления окружающей среды, будут эффективны и целесообразны. Для выработки подобных методологических принципов мы должны пересмотреть наши необоснованные ожидания благоприятного исхода.

Хью Льюис, старший преподаватель кафедры авиа- и ракетостроения Университета Саутгемптон

Фото: novosti.ru
 

Материал опубликован в журнале ROOM

в выпуске № 41 (607) за 28 октября 2015 года