Синдром Кесслера, названный в честь американского астрофизика Доналда Кесслера, представляет собой сложную проблему, которая может полностью заблокировать доступ человека к околоземному космосу. Это явление связано с нарастанием количества космического мусора на низкой орбите Земли, что создает цепную реакцию столкновений, в результате которых образуется ещё больше обломков. На сегодняшний день количество такого мусора превысило десятки тысяч фрагментов различного размера - от микроскопических частиц до крупных разрушенных спутников и ступеней ракет. Эти объекты движутся с огромными скоростями и представляют серьезную опасность для работающих спутников и пилотируемых экспедиций. Если ситуация не изменится, к ближайшему десятилетию человечество рискует столкнуться с закрытием дальнейшего освоения космоса из-за невозможности безопасно стартовать и оперировать на орбите.
В свете данного вызова ученые по всему миру ищут эффективные решения для устранения и контроля за космическим мусором, и одно из самых перспективных направлений - системы контактного и бесконтактного удаления обломков с использованием магнитных и плазменных технологий. Исследование, проведенное группой специалистов из Тохоку университета в Японии под руководством профессора Казунори Такахаши, представляет инновационный подход в виде двунаправленного плазменного двигателя, способного деорбитировать космический мусор без непосредственного контакта с ним. Такой метод сочетает в себе принципы магнитного удержания плазмы, применяемые в термоядерных реакторах, и возможности создания направленного плазменного луча, который замедляет движение обломков до тех пор, пока они естественным образом не сойдут с орбиты и не войдут в атмосферу Земли, где будут разрушены. Традиционно системы удаления космического мусора делятся на две категории. Первая - контактные, которые физически взаимодействуют с объектами.
Это могут быть сети, крюки или роботизированные манипуляторы. Однако их эффективное использование осложняется тем, что большинство космического мусора вращается непредсказуемо, что ставит под угрозу безопасность как самих аппаратов, так и сотрудников космических миссий. Контактные методы часто требуют очень точного управления и имеют риск усугубления проблемы за счет разрушения обломков и создания новых. Вторая категория - бесконтактные методы, которые дистанционно воздействуют на мусор через энергетические поля или лучи. Системы лазерного воздействия, ионных и плазменных пучков являются примерами технологий, способных замедлять скорость движения обломков без непосредственного физического контакта.
Среди таких бесконтактных решений выделяется именно предложение профессора Такахаши, которое учитывает сопротивление системы согласно третьему закону Ньютона. При направленном излучении плазменного потока на обломок возникает сила отдачи, которая отталкивает сам аппарат обратно, уменьшая эффективность воздействия. Это снижает возможность поддержания постоянной позиции относительно целевого мусора, особенно учитывая необходимости сохранять определённую дистанцию по соображениям безопасности. Для решения этой задачи в исследовании был предложен и экспериментально проверен двунаправленный метод, при котором создается равная и противоположная тяга с другой стороны аппарата. Таким образом, усилие, направленное на замедление обломков, компенсируется движением самого аппарата, позволяя поддерживать стабильную позицию в пространстве относительно объекта воздействия.
Первоначальный прототип использовал классическую магнитную конфигурацию "прямого поля", однако она оказалась недостаточно мощной для эффективного торможения крупных объектов. Для повышения эффективности была внедрена магнитная система типа "клипс" - особая конструкция магнитных полей, характерная для термоядерных реакторов. В точке "клипса" два противоположных магнитных поля встречаются и частично компенсируют друг друга, создавая резкий перепад направления и усиливая удержание и направленность плазмы. Экспериментальные испытания новой магнитной конфигурации показали приблизительно 20% улучшение тяги плазменного двигателя по сравнению с прямым полем. При сохранении мощности на уровне около 3 кВт новый дизайн обеспечил нападение силы в 17,1 мН.
Повышение мощности до 5 кВт привело к дальнейшему увеличению тяги до 25 мН, что приближается к целевому значению в 30 мН, необходимому для замедления 1-тонного обломка на орбите в пределах 100 дней. Технология также продемонстрировала дополнительное преимущество - использование аргона в качестве рабочего тела вместо дорогого и редкого ксенона, применяемого в обычных плазменных двигателях. Аргон является гораздо более экономичным вариантом, что может значительно снизить затраты на внедрение и эксплуатацию таких систем в космосе. Несмотря на позитивные результаты лабораторных экспериментов, еще предстоит преодолеть множество технических и инженерных задач, прежде чем технология может быть полноценно применена в реальной орбитальной среде. Эксперименты проводились в вакуумной камере на расстоянии всего 30 см от мишени - слишком близко по сравнению с пространством, необходимым для реальной миссии, где дистанция между аппаратом и обломком должна составлять несколько метров для минимизации риска столкновения.
В реальности, а также с понижением скорости, объект мусора будет смещаться относительно аппарата, создавая необходимость сложных систем наведения и коррекции траектории для постоянного попадания плазменным лучом по цели. К тому же двунаправленная тяга требует двойного потребления рабочего вещества, что приводит к большему расходу топлива по сравнению с односторонними системами. Хотя расход рабочей среды для плазменных двигателей не является критичным, необходимость непрерывной работы двигателя на протяжении нескольких недель или месяцев означает значительные запасы топлива и эффективные системы его хранения на борту аппарата. Исходя из потенциала и проблем, решение на основе двунаправленного плазменного луча остается одним из многообещающих методов борьбы с космическим мусором. Это сочетание высокоточной физики плазмы, инновационных магнитных конфигураций и адаптации к особенностям орбитальной динамики может реализовать долгосрочную стратегию очистки околоземной орбиты без риска усугубления ситуации.
В складывающемся будущем подобные технологии способны стать ключевыми элементами национальных и международных программ по выведению из строя устаревших и поврежденных аппаратов, снижая шанс образования новых опасных обломков и продолжая развитие космических технологий и исследований. Важность подобных проектов трудно переоценить, поскольку обеспечение безопасности и доступности космоса напрямую влияет на современные коммуникации, навигацию, мониторинг окружающей среды и множество других секторов экономики и науки. Активные методы удаления мусора снижают потенциальные риски столкновений, обеспечивают сохранность новых космических аппаратов и помогают подготовиться к экспансии человечества за пределы Земли. Таким образом, работы профессора Казунори Такахаши и его коллег из Тохоку университета представляют собой значительный шаг вперед в индустрии борьбы с космическим мусором. Они открывают перспективы для создания коммерческих и научных платформ, основанных на плазменных технологиях, которые смогут безопасно и эффективно управлять орбитальным пространством.
В конечном итоге успех таких инноваций позволит избежать катастрофических сценариев, связанных с полным блокированием доступа к околоземной орбите и сохранит активное развитие космической отрасли в интересах всего человечества. .
