10 февраля 2009 г. катастрофа произошла в сотнях миль над Сибирским полуостровом. В тот вечер вышедший из строя российский спутник на орбите Земли врезался в спутник связи под названием «Иридиум-33», двигавшийся со скоростью тысячи миль в час. Оба космических корабля взорвались дождем осколков, разбросав по земному шару более 1800 кусков мусора. Никакие другие космические корабли (или люди) не пострадали, но для многих аэрокосмических инженеров это событие стало предзнаменованием грядущих событий. В космосе, казалось, стало тесно. По оценкам НАСА, в настоящее время в космосе циркулирует около 23 000 кусков мусора размером с мяч для софтбола или больше. Весь этот хлам означает, что с каждым годом все более вероятным становится еще одно столкновение, подобное тому, которое уничтожило Иридиум-33 — только на этот раз последствия могут быть намного хуже.
«Проблема с космическим мусором заключается в том, что после столкновения вы создаете еще больше космического мусора», — сказал Джулиан Хаммерл, докторант в области аэрокосмических инженерных наук в Калифорнийском университете в Боулдере. «У вас есть повышенная вероятность вызвать еще одно столкновение, которое создаст еще больше мусора. Это каскадный эффект». У Хаммерла и его команды под руководством профессора Ханспетера Шауба есть план, как остановить эти каскады до того, как они начнутся. Исследователи опираются на один из старейших приемов научной фантастики: притягивающие лучи, подобные тем, которые Starship Enterprise использует для безопасного удаления астероидов с пути.
Представьте себе: в не столь отдаленном будущем флот небольших космических кораблей сможет летать вокруг Земли, встречаясь с мертвыми кусками металла на геостационарной орбите вокруг планеты. Затем, используя устройства, называемые «электронными лучами», эти космические мусоровозы будут медленно вывозить этот мусор в безопасное место, даже не прикасаясь к нему — и все это благодаря той же физике, которая заставляет ваши носки прилипать к штанам в сушилке. «Мы создаем притягивающую или отталкивающую электростатическую силу», — сказал Шауб, заведующий кафедрой аэрокосмических инженерных наук Энн и Х. Дж. Смид. «Он похож на притягивающий луч из «Звездного пути», но не такой мощный».
Во-первых, Шауб и его коллеги должны решить ряд проблем, описанных ими в многочисленных недавних исследованиях. Исследователи, например, используют новую установку для воспроизведения удивительно сложной окружающей среды вокруг Земли. Они также нацеливаются на то, как притягивающие лучи когда-нибудь смогут удалить мусор из области космоса между Землей и Луной. «Прикасаться к объектам в космосе очень опасно. Объекты движутся очень быстро и часто непредсказуемо», — говорит Кейли Чемпион, докторант, работающая с Шаубом. «Это может открыть множество более безопасных возможностей для обслуживания космических кораблей».
Чемпион и ее коллеги-исследователи сейчас исследуют эти направления из лаборатории с видом на Флэтайронс в Восточном кампусе университета. Горстка студентов собирается вокруг цилиндра размером с бочку из-под виски. Он сделан из толстого слоя нержавеющей стали с несколькими иллюминаторами, через которые можно заглянуть внутрь. Эта вакуумная камера, называемая Лабораторией электростатического заряда для взаимодействия плазмы с космическими аппаратами (ECLIPS), сейчас открыта на ее базе. Но с гулом мотора цилиндр медленно опускается вниз, пока не захлопнется.
Вскоре насос начнет сбрасывать давление в камере. Примерно через сутки внутри не останется воздуха — небольшой карман пространства прямо посреди Валуна. Шауб и его команда сами спроектировали камеру, и она не похожа ни на один другой исследовательский центр в стране. Это пространство в миниатюре занимает центральное место в экспериментах группы с электростатическими тракторами. Внутри группа может воспроизвести окружающую среду вокруг Земли, которая не пуста, а вместо этого залита тонким газом свободных электронов и заряженных атомов, называемым плазмой. Группа может даже имитировать мусор в этой камере, используя кубы или более сложные формы из металла.
Сегодня исследователи пытаются имитировать условия того, что Шауб назвал «дорогим участком недвижимости» в космосе. Геосинхронная орбита Земли, или «GEO», начинается примерно в 22 000 миль от поверхности планеты, что далеко от низкой околоземной орбиты, или «LEO», где Iridium 33 встретил свою кончину. Там вы можете найти одни из самых дорогих когда-либо созданных спутников — военные и телекоммуникационные космические корабли, которые достигают размера школьного автобуса и весят более тонны. «GEO похожа на Бель-Эйр в космосе, — сказал Шауб. Также становится многолюдно. По оценкам инженеров, существует около 180 потенциальных мест для стоянки на геостационарной орбите, куда могут втиснуться спутники. Все они востребованы или уже заняты. Притягивающие лучи, по словам Шауба, могут безопасно убирать старые космические корабли, освобождая место для спутников следующего поколения.
Для Хаммерла исследовательский проект — это то, о чем он не мог и мечтать, когда был молодым студентом в своем родном городе Вене, Австрия. Хаммерл изучал машиностроение в бакалавриате, но переехал в Боулдер в аспирантуру, чтобы реализовать свою страсть к исследованию космоса. (У Австрии нет собственной космической программы.) Когда он прибыл, он понятия не имел, насколько сложным может быть это, казалось бы, пустое пространство. В простом смысле, объяснил он, концепция «электростатического трактора» команды работает примерно так же, как тереть воздушный шар о голову, чтобы волосы встали дыбом. Сначала обслуживающий корабль приближался к заброшенному спутнику с расстояния примерно от 15 до 25 метров (от 49 до 89 футов), а затем поражал его пучком электронов. Эти электроны дали бы космическому мусору отрицательный заряд, в то время как сервисер стал бы более положительным.
Как говорится в пословице, противоположности притягиваются. «Благодаря этой притягивающей силе вы можете оттаскивать обломки, даже не касаясь их», — сказал Хаммерл. «Он действует как то, что мы называем виртуальной привязью». Кажется, это тоже работает. Основываясь на экспериментах в ECLIPS и компьютерных моделях, исследователи подсчитали, что электростатический буксир может тянуть спутник весом в несколько тонн примерно на 200 миль за два-три месяца. Это вялый темп, но достаточно хороший, чтобы удалить то, что по сути является прославленным пресс-папье, из драгоценных орбитальных слотов. Ученые предложили другие стратегии удаления мусора с орбиты, такие как захват заблудших спутников с помощью гарпунов. Но все эти подходы требуют прямого контакта с мусором. Однако на практике использование притягивающего луча в космосе сопряжено со сложностями.
Начнем с того, что выведенные из эксплуатации спутники обычно не сидят на месте и могут даже бешено кувыркаться в космосе. В ходе исследований Шауб и его ученики показали, что если ударить по этим кускам металла ритмичным импульсом электронов, а не постоянным лучом, можно потенциально замедлить их вращение, что сделает спутники безопасными для оттягивания или даже приближения к ним. для выполнения ремонта. Команда также начала думать об области космоса, где сегодня находится немного обломков, но которая собирается стать намного более занятой: «прилунное» пространство или зона между Землей и ее Луной. Здесь условия могут стать действительно дикими.
Чемпион объяснил, что солнце выбрасывает почти постоянный поток плазмы, называемый солнечным ветром. Вне защитного магнитного поля Земли эта плазменная среда может стать непредсказуемой. Транспортные средства, пролетающие сквозь них, могут нарушить поток плазмы и создать след ионов за собой, почти как парусник, скользящий по воде. Эти следы могут, в свою очередь, повлиять на работу электростатического трактора. «Вот что делает эту технологию такой сложной», — сказал Чемпион. «У вас есть совершенно разные плазменные среды на низкой околоземной орбите, по сравнению с геостационарной орбитой и вокруг Луны. Вы должны иметь дело с этим». Именно для этого Чемпион и ее коллеги по лаборатории дополнили ECLIPS «ионной пушкой», устройством, которое может создавать внутри камеры быстро движущиеся потоки ионов аргона. Она надеется, что ее работа однажды поможет НАСА в рамках программы Артемиды отправить людей обратно на Луну, а оттуда — еще дальше.
«Как только мы вернем людей на Луну, это станет ступенькой к путешествию на Марс», — сказал Чемпион. Шауб отметил, что космические притягивающие лучи могут недолго оставаться предметом научной фантастики. Он предсказывает, что при правильном финансировании его команда будет готова запустить прототип электростатического трактора в космос всего через 5-10 лет. «Самое интересное в этой технологии то, что одно и то же судно может перемещать два, три или даже десятки объектов в течение своего срока службы. Это значительно снижает ваши затраты», — сказал Шауб. «Никто не хочет тратить миллиард долларов на вывоз мусора».
