Орбиту МКС предложили поднять «хвостом» из магнитного кабеля и солнечных батарей: сработает ли это

МКС, как и все орбитальные объекты, постепенно теряет скорость из-за остаточной атмосферы на высоте 400 км. Инженеры предложили отсрочить сход МКС с орбиты, привязав к ней 15-километровый магнитный трос, оклеенный солнечными панелями.
Автор Hi-Tech Mail
трос для МКС
МКС собираются использовать до 2031 года, но срок службы станции может быть продлен благодаря тросу на солнечных батареяхИсточник: Unsplash

Орбита МКС медленно снижается. Хотя может показаться, что она постоянно находится в небе, орбитальная космическая лаборатория находится всего в 400 км над планетой. На такой высоте атмосфера предельно разрежена. Однако даже взаимодействие с единичными молекулами газа постепенно замедляет орбитальную скорость станции, уменьшает ее орбиту и, в конечном счете, притягивает ее к Земле. Если мы ничего не предпримем, остановить падение станет невозможно.

За 25-летний срок службы Международной космической станции на нее были доставлены сотни тонн ракетного топлива, что позволило осуществлять орбитальные маневры с использованием реактивных двигателей и предотвратить снижение орбиты. Но почему бы не поискать лучший способ — автономный, недорогой и не требующий постоянной дозаправки?

Новая статья Джованни Анезе, аспиранта Университета Падуи, и его команды, опубликованная в журнале Acta Astronautica, посвящена такой концепции. В ней используется новая идея под названием «Оголенный фотоэлектрический трос» (ОФТ, англ. Bare Photovoltaic Tether, BPT), которая основана на более старой идее электродинамического троса (ЭДТ), но имеет некоторые преимущества благодаря добавлению солнечных панелей по всей длине.

Основная идея, лежащая в основе ОФТ и ЭДТ в целом, заключается в том, чтобы поместить проводник в магнитное поле и использовать естественный земной магнетизм для создания движущей силы. Это отдаленно похоже на то, как ветер поднимает раскрытый зонтик — если бы зонтик был массивным проводящим стержнем, а ветер — естественным магнитным полем планеты.

ЭДТ и ОФТ
Схема силовой установки системы BPT tether на МКС. Фото: Acta Astronautica (2024). DOI: 10.1016/j.actaastro.2024.12.031Источник: https://phys.org/

Электродинамические тросы — не новая концепция. Впервые они были представлены в 1968 году Джузеппе Коломбо и Марио Гросси из Гарвардского центра астрофизики. Уже было совершено несколько демонстрационных полетов, таких как запуск TSS-1R на космическом шаттле «Атлантис» в 1996 году, который успешно отстегнул от шаттла трос длиной 10 км. В 1999 году на российской космической станции «Мир» был проведен еще один эксперимент под названием «Генератор плазменного двигателя», в ходе которого вместо использования электродвижущей силы для подтверждения работоспособности орбитальной станции энергия вырабатывалась непосредственно из самого троса.

Инженеры давно рассматривали возможность использования ЭДТ для выполнения функций по обслуживанию МКС. Однако технические особенности сделали это нецелесообразным. Чтобы получить нужное усилие, трос должен быть направлен строго вниз по направлению к Земле или вверх по направлению от планеты.

Независимо от того, в каком направлении направлен трос, для его работы все равно требуется питание. Без магнитного поля, создаваемого проходящим через него электрическим током, он будет действовать как дополнительное сопротивление, а не как импульс. Поэтому традиционный ЭДТ должен быть подключен к системе электроснабжения. Однако, если на МКС будет установлен ЭДТ наверху, он перекроет коридоры стыковки прибывающих с Земли космических аппаратов.

Это требует установки ЭДТ по направлению вниз. Хотя, как показали расчеты авторов, это действительно работает, но далеко не идеально. Направленные вниз тросы обычно используются при маневрах схода с орбиты, а не при разгоне по орбите.

Основное отличие устройства ОФТ от традиционного ЭДТ заключается в том, что его поверхность, по крайней мере частично, покрыта солнечными панелями. Если их будет достаточно, они смогут полностью обеспечить систему питанием, позволяя тросу, направленному вверх, работать без подключения к электросети МКС и сохраняя стыковочные узлы свободными для прибывающих космических аппаратов.

Анезе и его команда изучили различные варианты с точки зрения длины и покрытия солнечных панелей, не принимая во внимание вес троса, поскольку разница в весе между тросом и самой МКС составляла несколько порядков. Вычисления показали, что трос длиной 15 км, на 97% покрытый солнечными батареями, сможет противодействовать относительно небольшой силе, которая вызывает снижение орбиты МКС на 2 км в месяц.

15-километровый трос может показаться абсурдно длинным, но по космическим меркам расстояние является ничтожным.

Чтобы доказать свою точку зрения, авторы обратились к программному пакету под названием FLEXSIM, который позволил им смоделировать орбитальную динамику МКС, с прикрепленными к ней ОФТ различной длины. Выбранные ими тросы имели ширину 2,5 см, а эффективность солнечных панелей составляла всего 4,23%. При такой длине солнечных панелей система могла бы обеспечить 8,3 кВт энергии для всего троса, что было бы достаточно для стабильного ускорения движения МКС по орбите, препятствующего снижению.

Есть некоторые нюансы, связанные с влиянием солнечной активности на силы, способствующие ускорению движения по орбите, но в целом система, по крайней мере в теории, выглядит работоспособной. Однако в последнее время вокруг МКС много разговоров о конце ее срока службы, который может наступить уже в 2031 году.

МКС
МКС в лучах СолнцаИсточник: Unsplash

Хотя Международной космической станции еще предстоит плодотворно проработать несколько лет, она, скорее всего, не получит такой большой выгоды от системы ОФТ, как это было бы несколько десятилетий назад. Тем не менее, когда-нибудь на орбите, вероятно, будет произведена замена, и система, установленная с самого начала, могла бы принести пользу, сэкономив сотни тонн топлива на орбите в течение всего срока службы орбитальной станции.