Космическая погода представляет огромную угрозу для всех спутников, и выводит все компьютерные системы из строя. Грозит ли это синдромом Кесслера?

В 2020-2030-х годах ночное небо и окружающий Землю космос станут совсем другими, чем были на протяжении всей истории человечества. По состоянию на 2019 год всё человечество запустило в общей сложности от 8 000 до 9 000 спутников, из которых около 2 000 всё ещё находились в активном состоянии, в основном на низкой околоземной орбите. В настоящее время многие компании пытаются обеспечить всемирное покрытие 5G из космоса, в первую очередь компания Starlink Элона Маска и SpaceX, у которой на сегодня наибольшее количество спутников, и человечество начинает вступать в эру спутниковых мегаскоплений.

На сегодняшний день, в 2023 году, насчитывается около 9000 активных спутников, причём подавляющее большинство из них составляют активные спутники Starlink: 4755 из 8647 активных спутников, или 55 %. И хотя до сих пор в СМИ освещался только один пагубный эффект — ущерб, который эти спутники уже нанесли и продолжают наносить астрономии, — есть и второе последствие, которое может оказаться ещё более катастрофическим в долгосрочной перспективе: синдром Кесслера. При наличии десятков или даже сотен тысяч спутников на орбите одно столкновение может запустить цепную реакцию. Учитывая реальность солнечных вспышек, корональных выбросов массы и других форм космической погоды, эра мегаскоплений может стать началом нового типа стихийных бедствий, сделав орбиту Земли непроходимой для всех будущих космических миссий.

Идея синдрома Кесслера проста: если вокруг Земли будет слишком много спутников, неудачное столкновение между двумя из них может привести к образованию такого количества обломков, что новое столкновение станет неизбежным. Хотя нет единого мнения о том, когда будет достигнута эта точка, общепризнанно, что увеличение числа крупных спутников значительно повышает этот риск. Поскольку только Starlink предполагает размещение в общей сложности 42 000 спутников на трёх различных орбитах, а многие другие компании работают над тем, чтобы последовать этому примеру, опасность синдрома Кесслера может возрасти на порядки в текущем десятилетии — 2020-х годах.

В предыдущие годы спутники выводились на орбиты, которые отслеживались и были известны, а случайные столкновения происходили только из-за неактивных спутников, орбиты которых сходили на нет из-за атмосферного сопротивления. Однако с появлением мегакскоплений движение этих орбитальных спутников больше не будет контролироваться вручную людьми, постоянно следящими за ними, чтобы избежать столкновений. Вместо этого в дело вступает искусственный интеллект, который полностью автоматизирует проблему предотвращения столкновений. Хотя многие считают это потрясающей возможностью, в действительности это представляет собой новую и катастрофическую опасность для всех наших текущих космических исследований и космических научных миссий — от спутников для наблюдения за Землёй до исследования планет и т. д.

При таком количестве объектов на орбите на одной и той же высоте потребуется искусственный интеллект, чтобы постоянно задействовать бортовые движители для достижения трёх основных целей:

1. обеспечить правильное и постоянное расстояние между спутниками, чтобы обеспечить необходимое интернет-покрытие,

2. поднять все спутники, которые испытывают эффект снижения орбиты, компенсируя сопротивление земной атмосферы,

3. и осуществлять все необходимые ускорения или изменения орбиты, чтобы избежать столкновений с другими спутниками, включая других членов той же мегаскопления, а также любые другие спутники или космические аппараты, которые проходят через эти орбитальные оболочки.

Последний пункт чрезвычайно важен. У любых двух орбит на одной и той же высоте всегда есть две точки пересечения, и дрейф спутников делает их столкновение неизбежным при наличии достаточного времени. Только заставляя спутники корректировать свои собственные курсы в режиме реального времени, операторы этих спутников могут гарантировать отсутствие столкновений, а это возможно только при непрерывной, 100-процентной работе этих систем предотвращения столкновений.

Вот почему нынешний план по снижению последствий столкновений спутников сопровождается потенциально катастрофическим сценарием: что если спутники в результате какого-то события перестанут отвечать на запросы? Если для того, чтобы избежать столкновений с другими спутниками, необходимо постоянно корректировать орбиту, то худшее, что может произойти, — это сценарий, который парализует спутники и сделает их неспособными реагировать не только на системы искусственного интеллекта на борту, но и на любые команды, отправленные им, даже вручную.

Это не какой-то научно-фантастический сценарий ужасов, а нечто неизбежное, как и само Солнце: такова космическая погода. Такие явления, как солнечные вспышки, корональные выбросы массы и даже обычный солнечный ветер, приводят к появлению заряженных частиц, двигающихся от Солнца. Поверхность планеты Земля защищена от направляющихся в нашу сторону частиц магнитным полем и атмосферой. Опасность для человека или любого биологического организма практически равна нулю, а самый большой эффект, который обычно возникает, — это эффектное полярное сияние. Даже если магнитные поля Солнца и Земли выровняются таким образом, что на нашу планету обрушится огромное количество заряженных частиц, верхние слои атмосферы будут достаточно плотными, чтобы ни одна из этих частиц солнечного ветра не поразила людей, растения или даже птиц в небе. Риск для живых существ практически равен нулю.

Но в космосе, даже на низкой околоземной орбите, атмосфера не обеспечивает никакой защиты, а магнитное поле нашей планеты не гарантирует перенаправления этих частиц в сторону от спутников, которые могут находиться на любой высоте: на геосинхронной орбите, средней околоземной орбите или самой густонаселённой области из всех — низкой околоземной орбите. По данным NOAA:

«Солнечные энергичные частицы (энергичные протоны) могут проникать в электронику спутника и вызывать сбои в работе. Эти энергичные частицы также блокируют радиосвязь в высоких широтах во время солнечных радиационных бурь».

В настоящее время Солнце постепенно приближается к пику своего периодического солнечного цикла. За 11 лет количество солнечных пятен, которое напрямую коррелирует с вероятностью вспышек и корональных выбросов массы, изменяется от практически нуля (спокойное Солнце) до солнечного максимума и снова до нуля. В 2018-2019 годах мы только выходили из предыдущего солнечного минимума. Но сейчас количество солнечных пятен, вспышек на Солнце и других явлений космической погоды растёт, а следующий максимум ожидается в 2024 или 2025 году, и после этого каждые 11 лет нас будет ждать очередной солнечный максимум.

Каждый раз, когда на спутники обрушивается этот тип космической погоды — энергичные заряженные частицы, состоящие либо из голых протонов, либо из более сложных атомных ядер, — они подвергаются огромной опасности. Энергичные протоны, проходя через электронные компоненты спутника, могут:

• вызывать токи,

• вызвать короткое замыкание,

• и могут легко вызвать различные виды электрических сбоев.

Если это произойдёт со спутником спонтанно, когда не было принято никаких мер предосторожности перед воздействием на него космической погоды, он не сможет полностью скорректировать свой курс: с помощью искусственного интеллекта или любых других средств. Если они не могут скорректировать свой курс, вопрос о столкновении двух спутников превращается в азартную игру, похожую на русскую рулетку, где, скорее всего, произойдёт серия близких промахов, прежде чем случится неизбежное — столкновение в космосе между двумя спутниками. При достаточном количестве спутников и достаточном времени этого не избежать без дополнительных мер по смягчению последствий, учитывая пределы существующих технологий и инфраструктуры.

Наихудший сценарий — а он становится всё хуже с каждым новым массивным спутником (а каждый спутник Starlink всех поколений является «крупным» по этой метрике) — заключается в том, что каждое столкновение будет создавать новые обломки, увеличивая вероятность и частоту столкновений на орбите. Кошмарный сценарий синдрома Кесслера заключается в том, что в скором времени, возможно, всего через несколько недель или месяцев после первого столкновения, регион вокруг Земли превратится в поле обломков, причём значительная часть существующих спутников будет уничтожена в результате серии столкновений.

В настоящее время каждая космическая катастрофа, произошедшая в истории человечества, включая столкновения между спутниками, а также неудачные миссии, которые взорвались или дали сбой уже в космосе, означает, что существует, возможно, до нескольких сотен тысяч кусочков космического мусора размером с ваш ноготь или больше. Они уже представляют опасность для наших существующих спутников и космических исследований: несколько лет назад один из них столкнулся с Международной космической станцией, разбив при этом иллюминатор.

Но при наличии сотен тысяч крупных спутников на низкой околоземной орбите сценарий будет совершенно иным. В таких условиях одно столкновение двух крупных спутников может вызвать такую катастрофическую цепную реакцию, какой человечество ещё не видело. В кратчайшие сроки количество обломков космического мусора может вырасти до десятков миллионов, поражая спутники не только на низкой, но и на средней околоземной орбите.

Первая компания, чьи спутники связи вызовут такую катастрофу, скорее всего, повлияет на спутники всех остальных компаний связи, не говоря уже о военных и научных спутниках, находящихся на орбите. Мало того, что спутниковые технологии станут невозможными как минимум на десятилетия, а возможно, и на несколько тысячелетий, пока орбита естественным образом не очистится, так ещё и все «обычные» космические запуски станут огромной авантюрой.

Наибольшую опасность для Земли сегодня представляет крупномасштабный корональный выброс массы, который — если он направится прямо к нам из-за неудачной ориентации магнитного поля — может привести к широкомасштабной электрической катастрофе, способной вывести из строя электросети по всей Земле, вызвать пожары и нанести ущерб нашей инфраструктуре на триллионы долларов.

Однако потенциальным решением этой проблемы может стать ряд солнечных телескопов и обсерваторий. Наблюдая за Солнцем:

• с Земли, с помощью таких обсерваторий, как Солнечный телескоп Инуи (Inouye Solar Telescope), принадлежащий NSF,

• с орбиты вокруг Солнца, например, с помощью зонда Parker Solar Probe НАСА и Solar Orbiter ЕКА,

• из точки Лагранжа L1, с помощью таких обсерваторий, как SOHO и Solar Dynamics Observatory НАСА,

• а также с орбиты вокруг Земли, например, с японского спутника Hinode,

мы можем отслеживать космическую погоду сразу после выброса из Солнца, оценивая риск для нашей планеты, пока её последствия находится в пути, до того, как спутники будут затронуты.

Инфраструктура такого типа, специально созданная для мониторинга космической погоды, может обеспечить нам до трёх-четырёх дней заблаговременного предупреждения для большинства явлений космической погоды и даже ~17 часов заблаговременного предупреждения для самых мощных и быстропротекающих явлений космической погоды из всех. В то время как корональный выброс массы должен обладать особыми свойствами, чтобы представлять опасность для земной инфраструктуры, спутники на орбите над Землёй находятся в гораздо более опасном положении и уязвимы к нему:

• корональных выбросов массы,

• солнечных вспышек,

• и даже простому солнечному ветру,

при самых разных обстоятельствах.

Для того чтобы направленная на нас солнечная вспышка не привела к синдрому Кесслера, следующие меры предосторожности могут предотвратить неизбежную в противном случае катастрофу.

• Когда на Солнце происходит вспышка, все мегаскопления спутников должны выйти на заранее спланированную орбиту «безопасного маршрута».

• Эти «безопасные маршруты» будут представлять собой пассивные орбиты, которые специально разработаны так, чтобы максимально увеличить расстояние между спутниками на наибольшее количество времени в будущем.

• Такое вмешательство могло бы дать нам, по крайней мере, годы времени до столкновения: достаточно времени, чтобы даже в самом худшем случае мы могли запустить экстренную миссию по перехвату и сведению с орбиты всех разбитых спутников.

Однако в инфраструктуру любой спутниковой мегаскопления с самого начала не было встроено ни одного такого средства защиты — не будет исключением и Starlink. Не существует никакого «безопасного режима», и пока он не будет создан, эксплуатация этих спутников в соответствии со статус-кво всегда будет сопряжена с риском столкновения или цепной реакции столкновений, вызванных космической погодой.

Если мы не подготовимся, то единственным выходом будет придумать умное название для этой катастрофы, которую на самом деле довольно легко избежать. Я предлагаю для этих целей что-то вроде «вспышмагеддона». Сценарий такого стихийного бедствия легко вообразить. Представьте себе, что на дворе 2035 год, мы запустили несколько десятков тысяч новых спутников мегаскопления, и в это же время в районе экватора Солнца появляется серия солнечных пятен. Происходит магнитное пересоединение, которое запускает солнечную вспышку X-класса с корональным выбросом массы прямо на Землю. Магнитное поле Солнца относительно Земли ориентируется таким образом, что возникает геомагнитная буря, в результате которой выходят из строя некоторые крупные электрические сети.

Но в космосе большая часть спутников подвергается бомбардировке энергичными частицами Солнца, из-за чего они перестают реагировать на команды. Через 8 дней происходит первое столкновение спутника со спутником. Пока человечество пытается отреагировать должным образом, происходит второе столкновение, положившее начало цепной реакции. К 2037 году Международную космическую станцию придётся покинуть, наши спутники для наблюдения за Землёй на низкой околоземной орбите будут выведены из строя, а космический телескоп «Хаббл» будет уничтожен. Десятки миллионов обломков заполняют низкую околоземную орбиту, делая невозможными любые последующие запуски без того, чтобы сама ракета-носитель не испытала несколько ударов от этих обломков.

Эту катастрофу однозначно ещё можно предотвратить, но если мы не подготовимся к ней сейчас, заранее, то рискуем поставить на кон будущее всего нашего вида в космосе, и всё потому, что не приняли необходимых мер предосторожности.