Каждый год мы запускаем в космос несколько тысяч спутников и других объектов. Когда спутники выходят из строя, они становятся космическим мусором, который угрожает безопасности полётов в аэрокосмическом пространстве.
Проблема космического мусора
«И проблема будет только расти и расти», — говорит Раннвейг Фэргестад.
Фэргестад изучает аэрокосмические технологии на кафедре строительной инженерии в NTNU. В своей докторской диссертации она разработала компьютерные модели, которые показывают, что происходит при столкновении фрагментов космического мусора со спутниками. При средней скорости 7 километров в секунду даже крошечный кусочек мусора может нанести большой урон.
Космический мусор
Космический мусор состоит из остатков ракет, топлива и целых спутников или их частей. Большая часть этого мусора движется по низким околоземным орбитам на высоте ниже 2 000 километров или спускается в атмосферу. Этот мусор сгорает в слое воздуха, окружающем планету, потому что сопротивление воздуха создаёт сильное трение.
Все космические аппараты, перевозящие людей, оснащены различными типами защитных экранов. Фэргестад проводит исследования этих щитов, чтобы сделать их максимально безопасными.
Один из её научных руководителей — бывший астронавт Кевин Энтони Форд из NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства). Он выполнил три космических миссии и служил командиром Международной космической станции (МКС). Сейчас он входит в команду советников, которые постоянно оценивают ситуацию с безопасностью на МКС.
«Команда сейчас говорит, что космический мусор — это самый большой риск», — сказала Фэргестад.
Количество объектов в космосе
С момента запуска российского спутника «Спутник-1» 4 октября 1957 года в космос было запущено более 20 000 объектов, что составляет 50 тысяч тонн. Часть мусора вернулась на Землю, но, по данным Европейского космического агентства (ЕКА), 10 тысяч тонн всё ещё находятся на орбите.
Летом 2025 года на орбите Земли находилось более 14 000 активных или заброшенных спутников. В среднем неконтролируемый объект падает на Землю раз в неделю.
По данным Управления ООН по вопросам космического пространства, в 2024 году было запущено почти 2 900 спутников, космических зондов и других объектов. Это более чем в десять раз больше, чем десять лет назад.
Если мы продолжим запускать в космос столько же оборудования, риск столкновений будет только увеличиваться. Риск может стать настолько велик, что разработка щитов, достаточно прочных, чтобы выдержать такие мощные удары, будет сложной и дорогостоящей задачей.
Исследователи предупреждают о столкновениях, которые могут вызвать масштабные проблемы, нарушив работу многих систем, таких как связь и навигация, телевизионные сигналы, банковские услуги, а также прогнозы климата и погоды. В худшем случае столкновения могут уничтожить целые орбиты.
«В худшем случае сценарии может просто стать трудно использовать эти орбиты для чего-либо практического», — объяснила Фэргестад.
«Модели столкновений ЕКА показывают, что даже если все запуски резко прекратятся в этом году, количество столкновений будет продолжать расти в течение следующих 200 лет», — сказала Фэргестад.
Влияние на озоновый слой
В статье, опубликованной в журнале Nature в 2021 году, исследователи из Университета Британской Колумбии в Канаде предупредили, что запуски ракет и мегасозвездия могут нанести вред озоновому слою, который защищает нас от ультрафиолетового излучения.
Типичный спутник весит около 250 килограммов. Рано или поздно они перестают работать, как ваш телевизор или стиральная машина. Затем они возвращаются в атмосферу, сгорают и выделяют около 30 килограммов алюминиевой пыли, которая может нанести вред озоновому слою.
Эксперты предупреждают, что такой сброс может вызвать крупномасштабное неконтролируемое изменение естественной химии атмосферы.
Многие из первых спутников Starlink уже достигли конца своего срока службы. В январе 2025 года 120 из них потеряли достаточно высоты, чтобы упасть в атмосферу и сгореть. Это вполне соответствует плану, и спутниковые трекеры в Гарвардском центре астрофизики сообщают, что от 4 до 5 заброшенных спутников Starlink сгорают каждый день.
Сценарии, разработанные американскими исследователями, предполагают, что эти мегасозвездия спутников могут ежегодно добавлять в атмосферу 360 тонн соединений оксида алюминия при выводе из эксплуатации и гибели их спутников. Частицы падают медленно, поэтому может потребоваться 30 лет, прежде чем они достигнут озонового слоя — и мы увидим последствия.
«Это действительно очень тревожно», — сказала Фэргестад.
Помимо обеспечения услуг связи и навигации, спутники широко используются для мониторинга окружающей среды и климата. Они отслеживают уровень моря, цветение водорослей, таяние ледников, оползни, наводнения, перелов рыбы и изменение климата.
Агентства работают над решением проблемы, связанной с алюминиевой пылью от умирающих спутников, в том числе с помощью подхода ЕКА «Zero Debris» («Нулевой мусор»). Любая компания, запускающая объекты в космос, теперь должна иметь план действий с ними, когда оборудование перестанет функционировать.
Для спутников на низкой околоземной орбите инженеры могут использовать оставшуюся энергию спутников, чтобы замедлить их. В результате они теряют высоту и сгорают при входе в атмосферу Земли.
Спутники на самых высоких орбитах можно переместить на специально отведённые орбиты-кладбища. Они расположены так далеко, что нет риска столкновения.
Для более крупных объектов, таких как капсулы или космические корабли, аэрокосмическая промышленность выбрала самое удалённое место на планете Земля: «Точка Немо», или «Океанический полюс недоступности», в Тихом океане, который находится на расстоянии более 2 600 километров от ближайшей суши. Там, на глубине 3 000 метров, расположено крупнейшее в мире кладбище космических аппаратов.
Осенью 2025 года Фэргестад защитит свою докторскую диссертацию в NTNU. Она говорит, что осведомлённость о безопасности в беспилотных космических полётах растёт. Спутники и космические зонды теперь также будут защищены щитами.
Каждый грамм оборудования, запущенного в космическое пространство, стоит денег, поэтому всё сосредоточено на снижении веса. Исследования Фэргестад помогают сделать щиты максимально лёгкими и безопасными.
Защитные щиты имеют толщину 10–15 сантиметров и состоят из нескольких панелей из таких материалов, как кевлар, углеродное волокно, стекловолокно и пенопласт. Снаружи обычно используется алюминий, с воздушной полостью между каждой панелью. Если космический мусор движется со скоростью менее 3 километров в секунду, он разбивается на более мелкие кусочки. При скорости 7 километров в секунду и более всё испаряется в облако расплавленных капель.
Физика этих столкновений чрезвычайно сложна и трудна для описания в компьютерных моделях. «Мы говорим о физике ударных волн», — сказала Фэргестад. Это предполагает понимание того, как материалы ведут себя при самых экстремальных нагрузках, таких как взрывы, удары метеоритов и гиперзвуковые столкновения в космосе.
Чтобы создать компьютерные модели, которые могут максимально точно имитировать происходящее, исследователи также проводят физические тесты. Тесты необходимы для проверки того, насколько точно компьютерные модели воспроизводят то, что происходит в реальности.
Фэргестад проводила испытания панелей в гиперзвуковых лабораториях NASA в Нью-Мексико и в Университете Падуи в Италии. Эти установки оснащены газовыми пушками, способными стрелять снарядами со скоростью до 7 и 5,5 километров в секунду соответственно. Все испытания были сняты на высокоскоростные камеры, которые фиксируют до миллиона кадров в секунду.
Она очень довольна результатами; поведение, наблюдаемое в лабораторных испытаниях, похоже на её компьютерные симуляции.
30-летняя учёная выбрала очень специализированную область исследований, в которой она является одним из немногих исследователей в Норвегии. Прогресс идёт медленно, шаг за шагом.
«Возможно, это не та работа, которая заставляет думать: «Вау, это принесёт мне Нобелевскую премию», — сказала Фэргестад.
«Но то, что мы знаем и как мы это понимаем, становится лучше. Инструменты становятся лучше. Компьютеры получают больше вычислительной мощности. Мы пытаемся сделать набор инструментов для всех, кто работает в аэрокосмической отрасли, больше, лучше и максимально надёжным», — сказала она.
Обеспечение безопасности оборудования также означает, что оно прослужит дольше, прежде чем перестанет работать и превратится в опасный космический мусор.