В Institute of Space Systems при University of Stuttgart плавят фрагменты спутников в плазменных аэродинамических трубах, чтобы понять, как горящий космический мусор ведёт себя в верхней атмосфере. Fabian Hufgard, Dominic Künstler и Clemens Müller — аспиранты, которые бьют тревогу: пепел от сгоревших аппаратов способен ускорять разрушение озонового слоя и менять тепловой баланс атмосферы, а правила безопасного сведения с орбиты пора ужесточать.
Сейчас, по данным ESA, вокруг Земли летает около 18 000 действующих и отключённых спутников. SpaceX и Blue Origin планируют запустить сотни тысяч аппаратов, включая гигантские орбитальные дата-центры. Китай нацелен на 140 пусков в этом году и тоже проектирует собственные мегагруппировки. Три и более крупных спутника или отработанные ступени сгорают в атмосфере ежедневно, но настоящий поток только набирает силу: если аппараты продолжат менять раз в пять лет, в обозримом будущем испарятся десятки тысяч тонн металла.
Главная проблема — алюминий. В отличие от космических камней, которые состоят в основном из кремния и небольших примесей никеля и железа, спутники сделаны из алюминиевых сплавов и титана. При сгорании алюминий превращается в оксид алюминия — частицы, которые провоцируют распад озона и отражают солнечный свет. Выброс происходит на высотах от 60 до 80 километров, куда не долетают ни самолёты, ни зонды, а циркуляция воздуха там очень слабая, поэтому загрязнители висят долго.
Симулировать полное сгорание в трубе пока не получается: никто не умеет одновременно давать скорость 8 км/с и выдерживать её достаточно долго. В Штутгарте разгоняют плазму до 3 км/с и добавляют тепло электрической дугой между вольфрамовым катодом и медным анодом. Мощность достигает 6 мегаватт при токе 2000 ампер, плазма разогревается до 5000–8000 °C, стенки непрерывно охлаждают водой. Во время демонстрации для IEEE Spectrum команда расплавила 100-граммовый цилиндр из aluminum alloy 7075 с добавками цинка, хрома и магния. Алюминий стёк крупными каплями через шесть с половиной минут, когда температура поднялась до 600 °C. Но дальше капли падают на охлаждаемое ложе и застывают, а в реальном полёте они продолжали бы реагировать с воздухом, полностью испаряясь до газа и металлической пыли. Сейчас пытаются воспроизвести поздние стадии: вдувают порошковые алюминиевые сплавы в плазменный поток, чтобы получить такие же спектры, какие регистрируют самолёты при наблюдении настоящих входов в атмосферу, — линии атомарного алюминия и монооксида алюминия.
Интерес подогрел инцидент марта 2024 года, когда обломок паллеты с батареями, сброшенной с International Space Station, пробил крышу дома во Флориде. NASA утверждало, что паллета из жаропрочного никелевого сплава Inconel сгорит полностью. После этого группа испытала похожий цилиндр из Inconel в трубе — он не расплавился даже при экстремальном тепловом потоке. «Какую траекторию ни возьми, эта деталь не разрушилась бы», — говорит Clemens Müller. Сегодня в Европе требуют, чтобы вероятность выживания фрагмента была не выше 1 к 10 000. Но если на орбите 10 000 спутников, то один почти наверняка долетит до земли — значит, правила надо ужесточать. SpaceX заявляет, что Starlink сгорает полностью, но исследователи сомневаются: баки и маховики из титана вполне могут пережить спуск.
Пока неясно, что именно образуется из алюминия в верхних слоях — агрессивный оксид алюминия или менее опасный гидроксид алюминия. Künstler подчёркивает, что критически важно выяснить состав частиц, и нынешние эксперименты — только первый шаг.