У науково-фантастичних фільмах ніщо не піднімає напруження, як космічний корабель хороших хлопців, що потрапляє у невидимий промінь, за допомогою якого лиходії поступово притягують їх. Але те, що колись було лише науково-фантастичним витвором, скоро може стати реальністю.

Вчені розробляють реальний промінь для захоплення об’єктів, який називається електростатичним буксиром. Однак цей промінь не буде втягнувати безпорадних пілотів міжпланетного корабля, натомість він буде використовувати електростатичне притягування, щоб перемістити небезпечне комічне сміття подалі від навколоземної орбіти.

Ставки високі: з урахуванням комерційної космічної промисловості, кількість супутників на орбіті Землі за прогнозами різко зросте. Ця незліченна кількість нових супутників зрештою зношується і перетворює простір навколо Землі на гігантське сміттєзвалище з великою кількістю уламків, які можуть влучити в інші супутники, космічні кораблі або орбітальні станції, падати на Землю, забруднювати нашу атмосферу металами і заважати спостереженням за космосом. Експерти попереджають, якщо впритул не зайнятися цією проблемою, вона може зашкодити вивченню космосу.
Електростатичний промінь може потенційно полегшити цю проблему, безпечно переміщаючи мертві супутники далеко від орбіти Землі, де вони дрейфуватимуть у вічність.

У той час як такий промінь не повністю вирішить проблему забруднення навколоземного простору, ця концепція має кілька переваг у порівнянні з іншими запропонованими методами видалення космічного сміття, які можуть зробити його цінним інструментом для вирішення проблеми.

Прототип може коштувати мільйони, а експлуатаційна повномасштабна версія ще більше. Але якщо фінансові перешкоди можуть бути подолані, електростатичний промінь може працювати протягом десяти років, кажуть його будівельники.

«Наука наукою, але фінансування немає», – сказала дослідниця проєкту Кайлі Чемпіон (Kaylee Champion), докторант на факультеті аерокосмічних наук в Університеті Колорадо Боулдер (CU Boulder).

Уникаючи катастрофи

Промені для захоплення об’єктів, що були показані у «Зоряному шляху», притягують космічний корабель за допомогою штучної гравітації чи якогось «енергетичного поля». Така технологія виходить за рамки всього, що люди коли-небудь досягли, але концепція надихнула Ханспетера Шауба (Hanspeter Schaub), професора аерокосмічної інженерії у CU Boulder, створити концепт більш реалістичної версії.

Спочатку ця ідея прийшла до Шауба після першого великого супутникового зіткнення в 2009 році, коли супутник зв’язку Iridium 33 врізався в російський військовий супутник, Космос 2251, який дрейфував по орбіті, розкидавши понад 1800 уламків по орбіті Землі. Після цієї катастрофи Шауб вирішив запобігти виникненню подібних ситуацій. Він зрозумів, що для цього можна відвести космічне на безпечну відстань, використовуючи тяжіння між позитивно та негативно зарядженими об’єктами, щоб змусити їх «склеїтися» разом.

Протягом наступного десятиліття Шауб та його колеги вдосконалили цю концепцію. Тепер вони сподіваються, що колись його можна буде використовувати для переміщення супутників, що вичерпали свій ресурс, з геостаціонарної орбіти (ГСО) – орбіти навколо екватора Землі, де швидкість обертання об’єкта відповідає швидкості обертання планети, створюючи враження, ніби об’єкт зафіксований на місці над певною точкою Землі. За словами Шауба, це звільнить місце для інших об’єктів на ГСО, яке вважається найкращим місцем для супутників.

Як це працює?

Службовий космічний корабель буде використовувати електронну гармату, яка вистрілюватиме електронами (негативно зарядженими частинками) по мертвому супутнику-мішені. Електрони нададуть мішені негативного заряду, а службовому кораблю – позитивний. Електростатичне тяжіння між ними утримуватиме їх разом, незважаючи на те, що їх розділяє відстань 20-30 метрів.

Як тільки буксир і ціль «склеються», буксир зможе вивести ціль з орбіти, не торкаючись її. За словами Чемпіон, в ідеалі мертвий супутник має бути переведений на «цвинтарну орбіту», більш далеку від Землі, де він міг би безпечно дрейфувати цілу вічність.

«Електростатичне тяжіння між двома космічними об’єктами буде надзвичайно слабким через обмеження у технології електронних гармат та відстані, яка їх розділятиме, щоб запобігти зіткненням», – розповів дослідник проекту Джуліан Хаммерл (Julian Hammerl), докторант Каліфорнійського університету в Боулдері. – «Таким чином, буксиру доведеться рухатися дуже повільно, і для повного виведення одного супутника за межі ГСО може знадобитися понад місяць».

Це далеко від швидкості, з якою комічні кораблі лиходіїв у фантастичних фільмах притягують свою здобич.

«У цьому головна відмінність між науковою фантастикою та реальністю», – сказав Хаммерл.

Переваги та обмеження

Електростатичний промінь матиме одну велику перевагу перед іншими запропонованими методами видалення космічного сміття: гарпунами, величезними ловчими сітками та фізичними системами стикування – він буде повністю безконтактним.

«Наприклад, у нас є дуже швидкі цілі розміром з автобус,» – сказав Хаммерл. – «Якщо ви стріляєте з гарпуна, використовуєте велику сітку або намагаєтеся зістикуватися з ними, то фізичний контакт може пошкодити космічний об’єкт, і тоді ви лише погіршите проблему космічного сміття».

«Вчені пропонували інші безконтактні методи, наприклад, використання потужних магнітів, але величезні магніти дороги у виробництві і, ймовірно, заважатимуть управлінню сервісним транспортом,» – заявила Чемпіон.

Основним обмеженням електростатичного буксира є те, наскільки повільно він працюватиме. Нині ГСО Землі перебуває понад 550 супутників, але очікується, що у найближчі десятиліття їх кількість різко зросте.

Якби супутники переміщалися по одному, то один електростатичний буксир не зміг би впоратися з кількістю супутників, що вийшли з експлуатації. Ще одним обмеженням електростатичного буксира є те, що він працюватиме надто повільно, щоб його можна було використовувати для розчищення навколоземного простора та ГСО від дрібних уламків супутників.

Вартість – ще одна велика перешкода. За словами Шауба, команда ще не виконала повний аналіз вартості електростатичного буксира, але швидше за все він коштуватиме десятки мільйонів доларів. Однак, як тільки буксир опиниться у космосі, його експлуатація буде відносно рентабельною.

Наступні кроки

Наразі дослідники працюють над серією експериментів зі своєю установкою ECLIPS (Electrostatic Charging Laboratory for Interactions between Plasma and Spacecraft) у Каліфорнійському університеті в Боулдері. Металева вакуумна камера розміром з ванну, яка оснащена електронною гарматою, дозволяє команді проводити унікальні експерименти, які в даний час майже ніхто інший не може проводити, щоб імітувати ефекти електростатичного перетягування в меншому масштабі.

Щойно команда буде готова, останньою та найскладнішою перешкодою стане забезпечення фінансування першої місії, а цей процес вони ще не розпочали. Більшість вартості місії буде пов’язана зі створенням і запуском буксирна. Однак в ідеалі дослідники хотіли б запустити для перших випробувань два супутники: обслуговуючий і ціль, якою вони зможуть маневрувати, що дало б їм більше варіантів експериментів, але також подвоїло б вартість. За оцінками команди, якщо їм якимось чином вдасться отримати фінансування, прототип електростатичного буксира може бути введений в експлуатацію приблизно через 10 років.

Чи ця технологія життєздатна?

Хоча промені, що притягують, можуть здатися нездійсненною мрією, експерти з оптимізмом дивляться на їхню технологію.

«Ця технологія все ще знаходиться на зачатковій стадії», – повідомив Джон Крассідіс (John Crassidis), вчений в галузі аерокосмічної техніки з Університету Буффало в Нью-Йорку, який не бере участі в дослідженні. – «Але я цілком впевнений, що це спрацює. Видалення космічного сміття, не торкаючись його, також було б набагато безпечнішим, ніж будь-який нинішній альтернативний метод».

«Електростатичний буксир має створювати сили, необхідні для переміщення неактивного супутника і безперечно має високий потенціал для практичної роботи,» – розповіла Керолін Фру (Carolin Frueh), доцент кафедри аеронавтики та астронавтики в Університеті Пердью в Індіані. – «Проте на шляху до практичної готовності пристрою ще доведеться вирішити кілька інженерних завдань».

Вченим слід продовжити дослідження інших можливих рішень. Навіть якщо команда Каліфорнійського університету не створить готовий продукт для видалення неактивних супутників, їхні дослідження стануть трампліном для інших учених. Якщо вони досягнуть успіху, це буде не перший випадок, коли вчені перетворюють вигадку на реальність.

«Те, що сьогодні є науковою фантастикою, завтра може стати реальністю,» – підвів підсумок Крассідіс.

Джерело: space.com
Переклад: Kurai спеціально для телеграм-каналу “Наукпоп українською”