В научно-фантастических фильмах часто можно встретить сцену, когда космический корабль притягивается с помощью специального луча. Но то, что когда-то было всего лишь предметом научной фантастики, вскоре может стать реальностью.
Ученые разрабатывают реальный притягивающий луч, получивший название электростатический буксир. Однако этот притягивающий луч вряд ли сможет затянуть пилотов звездолетов. Вместо этого он будет использовать электростатическое притяжение, чтобы безопасно вытолкнуть опасный космический мусор с околоземной орбиты.
Ставки высоки: прогнозируется, что в условиях бурного развития коммерческой космической отрасли количество спутников на орбите Земли резко возрастет. Это изобилие новых космических аппаратов, которые в конечном итоге изнашиваются, превращает пространство вокруг Земли в гигантскую свалку мусора, который может врезаться в работающие космические корабли, упасть на Землю, загрязнить нашу атмосферу металлами, вызвать разрушения. Эксперты предупреждают, что, если не остановить растущую проблему космического мусора, она может затруднить бурно развивающуюся космическую индустрию.
Электростатический притягивающий луч потенциально может облегчить эту проблему, безопасно перемещая мертвые спутники далеко за пределы околоземной орбиты, где они будут безвредно дрейфовать вечно.
Хотя притягивающий луч не решит полностью проблему космического мусора, эта концепция имеет ряд преимуществ перед другими предлагаемыми методами удаления космического мусора, что может сделать ее ценным инструментом для решения этой проблемы, рассказали эксперты Live Science.
Прототип может стоить миллионы, а действующая полномасштабная версия и того дороже. Но если финансовые препятствия удастся преодолеть, притягивающий луч может быть введен в эксплуатацию в течение десятилетия, говорят его строители.
«Наука в значительной степени есть, но финансирования нет», — рассказала Live Science исследователь проекта Кейли Чемпион, аспирант кафедры аэрокосмических инженерных наук Университета Колорадо в Боулдере.
Притягивающие лучи, изображенные в «Звездных войнах» и «Звездном пути», засасывают космические корабли посредством искусственной гравитации или некого «энергетического поля». Такая технология, вероятно, превосходит все, чего когда-либо достигло человечество. Но эта концепция вдохновила Ханспетера Шауба, профессора аэрокосмической техники из Калифорнийского университета в Боулдере, на создание более реалистичной версии.
Шаубу впервые пришла в голову эта идея после первого крупного столкновения спутников в 2009 году, когда действующий спутник связи «Иридиум 33» врезался в неработающий российский военный космический аппарат«Космос 2251», выбросив на орбиту Земли более 1800 обломков.
После этой катастрофы Шауб захотел предотвратить повторение этого. Он понял, что для этого можно увести космический корабль от опасности, используя притяжение между положительно и отрицательно заряженными объектами.
В течение следующего десятилетия Шауб и его коллеги усовершенствовали эту концепцию. Теперь они надеются, что когда-нибудь ее можно будет использовать для перемещения мертвых спутников с геостационарной орбиты (ГСО) — орбиты вокруг экватора Земли, где скорость объекта соответствует вращению планеты, создавая впечатление, будто объект зафиксирован на месте над определенной точкой на планете. Земля. По словам Шауба, это освободит место для других объектов на ГСО.
Как это работает?
Электростатический тягач будет использовать служебный космический корабль (СКК), оснащенный электронной пушкой, которая будет стрелять отрицательно заряженными электронами по мертвому спутнику-мишени, рассказала Чемпион Live Science. Электроны придадут мишени отрицательный заряд, а обслуживающему устройству оставят положительный заряд. Электростатическое притяжение между ними будет удерживать их вместе, несмотря на то, что их разделяет пустое пространство от 20 до 30 метров, сказала она.
Как только СКК и цель «склеятся», СКК сможет вывести цель с орбиты, не касаясь ее. По словам Чемпион, в идеале несуществующий спутник должен быть переведен на орбиту, более удаленную от Земли, где он мог бы безопасно дрейфовать вечно.
Электростатическое притяжение между двумя космическими кораблями будет чрезвычайно слабым из-за ограничений в технологии электронных пушек и расстояния, на котором их нужно будет удерживать, чтобы предотвратить столкновения, рассказал Live Science исследователь проекта Джулиан Хаммерл, докторант Калифорнийского университета в Боулдере. Таким образом, СКК придется двигаться очень медленно, и для полного вывода одного спутника за пределы ГСО может потребоваться больше месяца, добавил он.
Это далеко от притягивающих лучей из фильмов. В этом «главное различие между научной фантастикой и реальностью», сказал Хаммерл.
Преимущества и ограничения
Электростатический тягач будет иметь одно большое преимущество перед другими предлагаемыми методами удаления космического мусора, такими как гарпуны, гигантские сети и физические реальные стыковочные системы: они будут полностью бесконтактными.
«У вас есть эти большие, мертвые космические корабли размером со школьный автобус, вращающиеся очень быстро», — сказал Хаммерл. «Если вы стреляете из гарпуна, используете большую сеть или пытаетесь состыковаться с ними, то физический контакт может повредить космический корабль, и тогда вы только усугубите проблему [космического мусора]».
Ученые предложили другие бесконтактные методы, такие как использование мощных магнитов, но огромные магниты дороги в производстве и, вероятно, будут мешать управлению, сказала Чемпион.
Основным ограничением электростатического трактора является то, насколько медленно он будет работать. В настоящее время на орбите Земли на ГСО находится более 550 спутников, но ожидается, что в ближайшие десятилетия их число резко возрастет. И если спутники перемещать по одному, то один электростатический буксир не смог бы справиться с количеством спутников, вышедших из строя. Еще одним ограничением электростатического буксира является то, что он будет работать слишком медленно, чтобы его можно было использовать для расчистки небольших фрагментов космического мусора, поэтому он не сможет полностью очистить ГСО от мусора.
Стоимость — еще одно большое препятствие. По словам Шауба, команда еще не провела полный анализ стоимости электростатического буксира, но, скорее всего, он будет стоить десятки миллионов долларов. Однако, как только сервисный космический аппарат окажется в космосе, его эксплуатация будет относительно рентабельной, добавил он.
Следующие шаги
В настоящее время исследователи работают над серией экспериментов в своей Лаборатории электростатического заряда для взаимодействия плазмы и космического корабля (ECLIPS) в Калифорнийском университете в Боулдере. Металлическая вакуумная камера размером с ванну, оснащенная электронной пушкой, позволяет команде «проводить уникальные эксперименты, которые в настоящее время почти никто другой не может проводить», чтобы имитировать эффекты электростатического буксира в меньшем масштабе, сказал Хаммерл.
Как только команда будет готова, последним и самым сложным препятствием станет обеспечение финансирования первой миссии, а этот процесс они еще не начали.
Большая часть стоимости миссии будет связана с созданием и запуском сервисного корабля. Однако в идеале исследователи хотели бы запустить для первых испытаний два спутника: обслуживающий и цель, которой они смогут маневрировать, что дало бы им больше контроля над экспериментами, но также удвоило бы стоимость.
По оценкам команды, если им каким-то образом удастся добиться этого финансирования, прототип притягивающего луча может быть введен в эксплуатацию примерно через 10 лет.
Жизнеспособно ли это?
Хотя притягивающие лучи могут показаться несбыточной мечтой, эксперты с оптимизмом смотрят на эту технологию. «Их технология все еще находится на зачаточной стадии», — сообщил Live Science по электронной почте Джон Крассидис, ученый в области аэрокосмической техники из Университета Буффало в Нью-Йорке, который не участвует в исследовании. «Но я вполне уверен, что это сработает».
Удаление космического мусора, не прикасаясь к нему, также было бы намного безопаснее, чем любой нынешний альтернативный метод, добавил Крассидис. Электростатический буксир «должен быть в состоянии создавать силы, необходимые для перемещения неработающего спутника» и «определенно имеет высокий потенциал для практической работы», рассказала Live Science Кэролин Фру, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики в Университете Пердью в Индиане. в электронном письме. «Однако на пути к практической готовности устройства еще предстоит решить несколько инженерных задач».
Ученым следует продолжить исследование других возможных решений, сказал Крассидис. Даже если команда не создаст «окончательный продукт» для удаления нефункциональных спутников, их исследования станут трамплином для других ученых, добавил он. Если они добьются успеха, это будет не первый случай, когда ученые превращают вымысел в реальность. «То, что сегодня является научной фантастикой, завтра может стать реальностью», — сказал Крассидис.
