Статья: Использование плазменных потоков для очистки околоземного пространства (2021)

В настоящей работе обсуждается один из возможных технических подходов к очистке околоземного пространства от космического мусора техногенного происхождения, основанный на использовании высокоскоростных плазменных потоков, состоящих из электронов, ионов и заряженных макроскопических частиц, для изменения траектории объектов. Такой поток высокоскоростных частиц формируется в плазменном ускорителе за счет материи, захватываемой при движении устройства по некоторой орбите (см. зависимости на рис. 7, 8), используя солнечное излучение в качестве необходимого энергетического источника (см. зависимости на рис. 9, 10). В отличие от других технических решений [4]–[9] в данном случае процесс очистки может осуществляться за счет окружающей среды.

Мы ограничились рассмотрением случая, когда объекты космического мусора в процессе очистки переводятся на более низкие орбиты, на которых уже начинает действовать сила трения достаточная для того, чтобы, попав в плотные слои атмосферы, они разрушились. В качестве характерного примера был рассмотрен случай удаления с орбиты объекта массой M = 10 кг, находящейся на расстоянии L = 50 км выше линии Кармана, ниже которой начинается плотная атмосфера. Выбор таких параметров в качестве характерных был продиктован распределением космического мусора по размерам (см. работу [1]). Как было указано ранее, именно мелкие объекты, трудно обнаруживаемые, составляют значительную часть всего мусора и представляют опасность. Процесс очистки данного сегмента космического мусора затруднителен как с точки зрения технической реализации, так и его стоимости.

Развиваемый технический подход должен помочь обойти эти трудности, поскольку всегда будет расхождение потока частиц, т. е. в данном случае транспортировка частиц происходит не к конкретному объекту, а скорее к некоторому объему, содержащему объект космического мусора. Можно сказать, стрельба происходит не конкретным целям, а по площадям. Более того, если наша установка будет находиться на геостационарной орбите, то с течением времени может быть обработан весь объем пространства, находящийся под устройством на расстоянии, до которого может распространиться поток частиц.

В данном случае ограничение метода обусловлено двумя факторами, связанными с захватом материи при движении утилизатора по орбите, превышающей радиус Кармана. Во-первых, чем выше орбита устройства, тем меньше материи пригодной для ионизации (см. рис. 5), и, следовательно, существенно растет необходимое время для перевода объекта на орбиту Кармана (см. выражение (3)). Тогда, приняв за приемлемое время величину в диапазоне от 1 до 12 месяцев, из (3) можно оценить диапазон предельной высоты L над линией Кармана.

С другой стороны, при увеличении плотности окружающей среды возрастают ионизационные потери, когда заряженные частицы за счет кулоновского взаимодействия рассеиваются на электронах и ядрах атомов, передавая им часть своей энергии, которая в основном идет на ионизацию атомов. Проведенный в [23] анализ экспериментальных данных по потерям энергии тяжелых заряженных частиц в веществе показывает, что в диапазоне энергий от нескольких кэВ до 50 МэВ потери можно описать эмпирической зависимостью [эВ/см], (7) здесь параметр y представляет собой скорость частиц v, нормированную на = 107 см/сек, а эмпирические коэффициенты a, b, c характеризуют среду, на атомах которой происходит рассеяние; nc – концентрация частиц мишени, совпадающая в данном случае с концентрацией частиц окружающей среды на рассматриваемой высоте [23]. Согласно данным, представленным на рис. 5, в диапазоне высот от 100 до 300 км над уровнем моря в атмосфере наибольшее содержание имеет молекулярный и атомарный азот с концентрациями от 108 до 1011 см-3, поэтому в качестве среднего значения концентрации возьмем nc = 1010 см-3. Тогда проведем оценку энергетических потерь, ограничившись рассмотрением рассеяния ионов азота на мишени, состоящей только из атомов азота, для которых эмпирические коэффициенты принимают следующие значения: a = 2,80, b = 0,018, c = 0,36 [23]. На рис. 11 представлена зависимость потери энергии от скорости пучка. Из анализа графика можно сделать вывод, что при энергии пучка 300 кэВ потери энергии будут составлять около 5 эВ/см, т. е. пучок полностью рассеется на расстоянии 600 м. Это означает, что для более эффективного процесса очистки околоземного пространства от космического мусора техногенного происхождения наше устройство должно переходить с орбиты на орбиту.

Также, как видно из приведенных на рис. 7 зависимостей, характерное время утилизации для выбранной массы лежит в диапазоне от 1,5 часа до 7 минут при изменении энергии потока от 10 до 100 кэВ, а учитывая линейную зависимость времени  от M и L (см. выражение (3)), можно сделать заключение, что даже при увеличении этих параметров на порядок время утилизации будет иметь приемлемый порядок, соизмеримый с другими методами очистки околоземного пространства от объектов космического мусора. В заключение следует также отметить, что потенциально обсуждаемый подход также может быть применен в борьбе с астероидной опасностью, когда создаваемый поток частиц будет направлен с низких
орбит в открытый космос, откуда движутся астероиды.