В околоземном пространстве насчитывается более 14 000 единиц космического мусора, включая мелкие детали, такие как гайки и болты, а также фрагменты ракет и вышедшие из строя спутники. Это создает значительную угрозу для функционирующих спутников и Международной космической станции, которым периодически необходимо выполнять маневры для избежания столкновения с обломками, движущимися на сверхзвуковых скоростях.
Предлагаемые решения по очистке околоземного пространства обычно включают в себя использование космических аппаратов, оснащенных роботизированными манипуляторами, сетями или тросами для улавливания космического мусора. Однако, поскольку многие обломки движутся непредсказуемо, подобные подходы сопряжены с определенными рисками.
Безопаснее использовать бесконтактный способ, например, воздействие выхлопом ионного двигателя на космический мусор. Это позволит постепенно, но надежно снижать его скорость до тех пор, пока он не упадет в атмосферу и не сгорит. Обычные ионные двигатели разрабатываются для ускорения космических аппаратов. Направление выхлопа на мусор привело бы к отталкиванию самого аппарата.
Японский ученый Кадзунори Такахаси из университета Тохоку предложил инновационное решение этой задачи. Вместо традиционного сопла, его разработка использует два сопла, расположенных в противоположных направлениях. Тяга, создаваемая каждым соплом, взаимно компенсируется, что позволяет аппарату оставаться неподвижным, при этом воздействуя на мусор. Такахаси назвал свою систему «двунаправленным плазменным электродным двигателем без электродов». Для работы используется аргон, что, по мнению Такахаси, обеспечивает «похожую на ксеноновую эффективность, но с более низкой себестоимостью».
Газ поступает в камеру, где катод, расположенный с одной стороны, генерирует поток электронов. Эти электроны притягиваются к положительно заряженной разрядной стенке. В процессе взаимодействия с газом электроны вызывают его ионизацию. Получившаяся плазма, состоящая из ионизированного газа, обладает электрическим зарядом и под воздействием электромагнитных полей может быть направлена и ускорена через сопло двигателя, что приводит к образованию тяги.
Ионные двигатели обладают изначально небольшой тягой по сравнению с химическими ракетами, однако она постепенно увеличивается. Для удаления с орбиты обломка размером 1 метр и массой 1 тонну менее чем за 100 дней необходима непрерывная тяга в 30 мН. Этот показатель превышает тягу ионного двигателя, используемого японским космическим агентством JAXA на аппарате «Хаябуса-2» (10 мН при мощности 300–500 Вт). Чтобы повысить мощность своей системы, Такахаси применил «магнитный касп», который позволяет удерживать больше плазмы от разрядной стенки и направлять её в сопло. В ходе лабораторных испытаний система Такахаси продемонстрировала тягу в 25 мН, что в три раза больше, чем в предыдущих экспериментах.
Двигатель Такахаши, обладающий возможностью работы в двух направлениях, разработан для ликвидации крупных обломков, которые создают наибольшую угрозу возникновения «синдрома Кесслера» – цепной реакции столкновений, способной сделать обширные области околоземной орбиты непригодными для эксплуатации. Эта технология может оказать значительное влияние на решение проблемы космического мусора и обеспечить продолжение безопасного использования околоземного пространства.