Как околоземная орбита превращается в помойку

Экологические решения в конструкции современных космических аппаратов

Проблема космического мусора обещает принять совершенно особый характер с запуском Международной космической станции (МКС), которая станет самым большим объектом, когда-либо собранным в космосе. Вряд ли ее работа в среде с огромным количеством космического мусора может быть комфортной и безопасной. В МКС орбита должна была быть изменена уже дважды столкновения избежать с летящими осколками.       

Поэтому при проектировании таких объектов, как МКС, проводится исчерпывающий анализ защиты. Каждая часть космической станции изучается отдельно, в зависимости от того, насколько она уязвима для удара. Защита построена с использованием самых современных материалов. Устанавливаются специальные защитные экраны, увеличивающие вес станции и ее стоимость. Подобные методы используются и на космических кораблях.      

Но, как известно, избавиться от загрязнения окружающей среды намного сложнее, чем предотвратить загрязнение. Сдерживание этого процесса требует безотлагательной работы и принятия особых мер всеми государствами, участвующими в освоении космоса. Уже трижды представители этих стран собирались на специальные форумы, посвященные проблемам космического мусора. Возникают вопросы, связанные с опасностью для Земли возвращаемых объектов, а также с тем, как уменьшить количество мусора и обезопасить космос.   

А поскольку его очистка в настоящее время невозможна ни технически, ни экономически, то все совместные усилия должны быть направлены на уменьшение количества мусора. Для этого необходимо: не допустить самопроизвольных взрывов в космосе, то есть избавиться от остатков топлива при остановке космического корабля, а также сократить время пребывания отработавших объектов до 25 лет.  

Запретить преднамеренное разрушение космических объектов на орбите, иногда осуществляемое для предотвращения падения крупных несгоревших частей космического объекта в населенные районы планеты. Вывести отработанные спутники с населенных орбит на более высокие и менее используемые орбиты, другими словами, создать «кладбище космических отходов». Этот процесс очень проблематичен и связан с тем, что изменение орбиты спутников требует определенных (до 15% массы объекта), что влечет за собой дополнительные затраты в размере 20 тысяч долларов за каждый килограмм. Например, если спутник весит 1000 кг, то его снятие с орбиты обойдется в 2 миллиона долларов.   

Дело осложняется тем, что в последнее время значительная часть космических запусков приходится на коммерческие запуски из Европы и России, и частные компании вряд ли пойдут на такие расходы. Более того, они не несут никакой ответственности за ограничение космического мусора. 

Некоторые компании запускают целые группы спутников на низкие орбиты, не беспокоясь о возможных столкновениях между ними.

Государственные космические агентства постоянно используют множество возможных методов и средств очистки околоземного космоса от мусора. Ведь сейчас известно, что на околоземной орбите находится более 2000 крупных пассивных объектов, а еще больше мелких. 

Рассматриваются варианты использования, с одной стороны, «космических челноков» для захвата и транспортировки крупных объектов, а с другой стороны, космических лазеров для уничтожения более мелких.

Если удастся обнаружить на высоте 2000 километров объект размером с теннисный мяч и направить на него лазерный луч, это будет большим успехом. В любом случае это очень дорогое удовольствие. Есть конкретные проекты. Например, «Орион» разрабатывается с 1970 года. Его суть заключается в использовании мощного лазера, способного обнаруживать и испарять мелкие обломки или отклонять их орбиту, убирая их с пути космического корабля. Такую «лазерную метлу» планируется использовать для расчистки орбиты МКС. Он будет стоить около 200 миллионов долларов и прослужит более двух лет.         

Так что будем надеяться, что благодаря совместным усилиям ведущих космических держав проблема космического мусора будет успешно решена, а безопасность юмористических полетов будет неуклонно повышаться.

Космические чистильщики

То, что орбита нуждается в срочной очистке, признают уже все. Даже если человечество прекратит все космические запуски, количество мусора на орбите всё равно будет расти — за счёт столкновений между уже запущенными аппаратами. Выход только один: хорошенько убрать за собой.

Пока это удаётся только в фантастике. В романе «Фонтаны рая» Артура Кларка строительство грандиозного космического лифта потребовало от человечества основательной чистки орбиты. Поскольку люди достигли больших успехов в покорении космоса, это не становится большой проблемой — с помощью лазеров инженеры быстро устраняют препятствия. В процессе чистки мусорщики даже делают несколько археологических открытий и находят старый космический корабль.

В известном аниме Planetes («Странники») в каждой компании, которая работает в космосе, должен быть отдел по расчистке мусора. Именно этой весьма опасной и не слишком престижной работой занимаются главные герои сериала.

Но это всё фантастика, вымысел — а что насчёт реальности?

Герои «Странников» чистят орбиту от мусора. И относятся к ним как к мусорщикам.

Объекты, находящиеся на низких орбитах (до 400 километров), через несколько лет сгорают в атмосфере. И если бы весь мусор находился именно там, не было бы особой проблемы — природа бы сама убирала за нами. Но беда в том, что большая часть мусора находится гораздо выше. Осколки могут висеть там столетия, тысячелетия, а на геостационарной орбите — и миллионы лет.

Различные организации по борьбе с космическим мусором создавались как при правительствах космических держав, так и на международном уровне, но особого прогресса их работа не принесла. Сейчас проблемой мусора занимается Комитет по использованию космического пространства в мирных целях при ООН, а также Координационный комитет по космическому мусору, созданный несколькими национальными космическими агентствами.

Рассматривают различные методы борьбы с загрязнением орбиты. Одни предлагают усиливать защиту космических аппаратов от ударов мелких частиц, другие — тщательнее контролировать запуски, третьи — закладывать на спутники дополнительное топливо, чтобы их можно было свести с орбиты. Эти меры могут замедлить засорение космоса или спасти корабли, но всё же не решают проблемы. Единственный способ разобраться с космическим мусором — удалить обломки с орбиты.

Помимо стрельбы с орбиты, существует идея наземного лазера, который будет корректировать орбиты космических объектов, заставляя их падать на Землю и сгорать в атмосфере.

Например, можно создать гигантскую сферу из сверхлёгкого пористого материала (аэрогеля), которая будет принимать на себя удары мелких частиц мусора и ловить их или, по крайней мере, замедлять. Или большую электродинамическую сеть, которая будет замедлять куски мусора, из-за чего они гораздо быстрее будут падать на Землю, сгорая в атмосфере. Или космического охотника, который будет захватывать обломки с помощью сетей или гарпуна. Не исключено также использование лазеров для сжигания мусора, однако тут придётся обойти международные соглашения, запрещающие вывод оружия на орбиту.

Плохая новость в том, что все эти технологии существуют лишь на бумаге. Но процесс все же понемногу сдвигается с мёртвой точки. Уже в ближайшие годы пройдут первые эксперименты по отработке некоторых из упомянутых технологий. Лишь бы за это время человечество не загадило орбиту окончательно.

Сеть для сбора космолома. Кадр из документального фильма «Космический мусор» (2012).

Как вся эта пыль и гарь влияет на воздух, которым дышим?

Да, наш с вами воздух загрязняется и захламляется маленькими частицами пепла, пыли, другими продуктами горения космических аппаратов. Но не так сильно, как от выбросов земных машин и заводов.

Вот только один пример. Суммарная масса воздуха в атмосфере — 5Х10¹⁵ тонн. Масса орбитальной станции “ Мир”, самого крупного из космических аппаратов когда-либо вошедших в атмосферу, и сгоревших в ней (2001 год) — 105 тонн. То есть все капельки и пылинки, оставшиеся от орбитальной станции, ничто по сравнению с величиной атмосферы.

Теперь посмотрим на выбросы промышленности. По данным Росстата, наименьший суммарный выброс за период наблюдений с 1992 года пришелся на 1999 год. И он составил 18,5 млн тонн.

То есть только над нашей страной за один год в воздух попало в 176190 раз больше грязи, чем разнесло над всем земным шаром, пока «Мир» горел в атмосфере.

Космическая пена-паутина, магниты для мусора и электрогарпуны

Следующий логичный шаг после наблюдения — уборка. Правда, впервые техногенный космический мусор на низкой околоземной орбите был пойман только в 2019 году британским спутником RemoveDebris с помощью продвинутых гарпуна и сети.

RemoveDebris ловит обломок спутника на орбите

Успехи в этом направлении также делает японская компания Astroscale — в марте их новый спутник ELSA-d был запущен на орбиту. В ближайшие месяцы он начнет борьбу с мусором: с помощью мощного магнита будет хватать другие спутники и сбрасывать их на более низкую орбиту, где они будут сгорать при входе в атмосферу. Правда, пока что ELSA-d умеет захватывать только спутники с совместимыми стыковочными пластинами (сейчас они установлены на спутниках OneWeb). 

В беседе с RB.RU Элисон Хауэлетт, специалист по связям с общественностью Astroscale, отметила, что компания планирует еще несколько миссий. Ближайшая, по мониторингу разгонного блока ракеты, начнется в течение пары лет в сотрудничестве с японским агентством аэрокосмических исследований JAXA. Кроме того, отделения компании в США и Израиле работают над превентивными мерами — продлением срока службы спутников на геостационарной орбите.

Довольно близко к реализации проекта сбора мусора приблизилось и ESA — спонсируемый им швейцарский проект ClearSpace разрабатывает аппарат, который в 2025 году должен захватить манипуляторами старый адаптер полезной нагрузки, оставшийся на орбите от европейской ракеты Vega, и свести его в атмосферу Земли для уничтожения.

Перспективный проект есть и у ученых «Российских космических систем», но пока он реализован только на бумаге. Сотрудник холдинга, инженер-исследователь Мария Баркова, еще в 2012 году изобрела концепцию орбитального мусороуничтожителя. По задумке, для ловли мусора используется специальная титановая сеть: фрагменты улова дробятся внутри, затем с помощью химической реакции перерабатываются в жидкое состояние и используются в  качестве реактивного топлива. Такой цикл позволит чистильщику работать до 10 лет.

Другой громкий российский проект — StartRocket. Они планируют уменьшить количество космомусора с помощью собственной пенной липкой ловушки. В теории это выглядит так: несколько малых самоуправляемых спутников захватывают фрагменты космического мусора и спускают их с орбиты с помощью клейкой пены на основе полимеров, после чего мусор сгорает в атмосфере. В настоящее время StartRocket проводит серию экспериментов, а первый орбитальный тест запланирован на 2023 год. Параллельно стартап работает над использованием солнечного света для показа рекламы из космоса.

Аппарат Startrocket

Это только часть проектов по космической уборке — большое количество идей остаются нереализованными или ждут финансирования. Но способов противодействия космическому мусору разработано действительно много: от распространенных вроде дробления крупных фрагментов и увода с орбиты, до оригинальных вроде сбивания лазером и переработки в топливо. 

Читайте по теме: «Если мы будем мешать астрономам работать, пусть сделают перерыв»

Как подчеркнул Владилен Ситников, основатель StartRocket, все концепции можно разделить на два основных формата: ударный (например, гарпун, лазер и т.д.) и захватный (магниты, пена, манипуляторы, сетки и т.д.). По словам Марии Барковой, причина разнообразия в том, что какой-то один способ противодействия для всех типов космического мусора использовать невозможно. Например, мелкий космический мусор (менее 5 мм) не получится поймать сетью, а крупный космический мусор (более 10 см) бесполезно останавливать газом. 

На вопрос об экологичности методов борьбы с космическим балластом Владилен Ситников указал, что максимально безопасен тот способ, который не приведет к дальнейшему размножению мусора: «Физический контакт на орбите, тем более металлических объектов, рискует спровоцировать появление новых фрагментов. Скажем, лазерный луч или захват клешней порождает обломки более мелкой фракции. Тогда как пена, например, не обладает значимой массой, а значит и разрушительной силой, плюс со временем самостоятельно исчезает под действием космической радиации».

Источники и причины образования мусора в космосе. Историческая важность мусора для потомков

• обломки спутников, остающиеся после взрыва;
• разгонные блоки, ступени ракет;
• части покрытий объектов, запущенных в космос (остаются при взрыве и столкновении с космическими телами);
• радиоактивные материалы, изделия, находящиеся на борту летательных аппаратов;
• геостационарные объекты.

Фрагменты отработанных аппаратов

Кто виноват в засорении космоса

С момента, когда люди начали осваивать космическое пространство (с 1957 г.), было запущено более 15 тыс. аппаратов разного назначения. Это общее количество техники, которая отправлялась на протяжении всего периода вплоть до последних дней разными странами. Причем источником являются преимущественно сверхдержавы:

• Китай – 40%;
• США – 27,5%;
• Россия – 25,5%.

Остальные страны продуцируют намного меньше утиля – до 7%. Кроме того, существуют разные мнения. Например, в 2014 г. проводилась примерная оценка количества мусора в космическом пространстве. С учетом полученных результатов первые места распределились иначе:

• Россия – 39,7%;
• США – 28,9%;
• Китай – 22,8%.

При этом источниками засорения околоземного пространства могут быть и прочие государства. В этой схеме они также занимают последние позиции. Количество производимых ими отходов не превышает 8,6% на всех.

Запуск китайской космической ракеты

Крупные источники засорения за всю историю освоения

Опасность космического мусора заключается в том, что он может образоваться уже на орбите. Причина – нарушение процессов в основных узлах летательного аппарата, механическое повреждение при столкновении. Как раз этот фактор сыграл свою роль при образовании мусора из наиболее крупных источников:

• взрыв китайского спутника (2007 г.);
• столкновение 2 объектов (2009 г.);
• запуск ракеты на территории Индии (2003 г.).

В первом случае образовалось 150 тыс. осколков, во втором – 200 тыс. Намного меньше частиц осталось при запуске индийского объекта – 300 ед. Но они были увесистые. Кроме того, эти части материалов высвободились на сравнительно небольшой высоте – 800 км.

Взрыв спутника

Космический мусор

Спутники, проработавшие на высоте 1000 км, могут продолжать свое существование многие сотни лет, и чем выше их орбита, тем дольше «жизнь» этого мертвого груза. Однако со временем они разрушаются, пополняя облако обломков, скопившееся вокруг нашей планеты. Самые старые из таких останков — обломки второго американского спутника, запущенного еще в 1958 году.  

Астронавты, теряющие во время выхода в открытый космос такие прозаические предметы, как перчатки, отвертки и даже кинокамеры, также способствуют увеличению гигантской свалки. Мешки для мусора, использованные при работе станции «Мир», также кружатся в этом вихре. Даже краска самолетов, разрушенных в суровых условиях космоса, способна создавать космические «песчинки», которые носятся вокруг Земли и «сжигают» все, что попадается на пути.  

Одна из причин таких взрывов — небольшое количество топлива остается в топливных баках космических аппаратов после окончания их эксплуатации.

Топливные баки со временем изнашиваются, и иногда они прорываются с любыми осколками космического мусора, при этом самовоспламеняющиеся порохы, перемешиваясь, взрываются. С 1961 года, когда было зафиксировано первое космическое разрушение объекта, более 130 из них взорвались на орбитах. 

Откуда появляется космический мусор

Мусор в космосе отслеживается и регистрируется. Этим занимаются многие страны. США и Россия имеют наиболее полные данные, так как обе страны в 60-е XX века создали военную систему, которая предупреждала о ракетном нападении. В дальнейшем отделились организации, занимающиеся наблюдением за мусором.

Наблюдение за загрязнением космоса ведется 2 способами – радиолокационным, оптическим.

Существует космическое и антропогенное загрязнение.

Первый тип возникает непосредственно в околоземном пространстве. К нему относятся:

• астероиды;
• кометы.

Что входит во второй список:

• спутники с утерянной связью, они не осуществляют работу;
• последние ступени ракет;
• обшивка искусственных спутников Земли;
• мелкие осколки (1-10 см).

Существуют специальные каталоги, в которых причислен весь мусор размером более 10 см. Если спутники, их утерянные детали, ступени имеют вес от 150 кг до 7 тонн и их легче обнаружить, то осколки, детали менее 100 мм довольно трудно обнаружить и зарегистрировать.

Количество мусора в каталогах дается приблизительно, так как США и Россия часто маскируют свои спутники под мусор. Примерное количество целых устаревших спутников на околоземном пространстве – 1900 шт. Количество мелких деталей – 19000 шт.

Откуда берётся мусор

Живи мы во вселенной «Звёздных войн», всё было бы ясно. Разбитые космические корабли и части истребителей — обычное дело в далёкой галактике. Можно представить, как после очередного крупного сражения все работники, не занятые на строительстве очередной Звезды смерти, отправляются на рутинную расчистку космического пространства. Да ещё на чём свет стоит костерят Империю и Повстанцев, за которыми им приходится убирать.

В нашей же галактике космический хлам появляется куда более банальными путями. Вывод на орбиту любого спутника сопровождается образованием массы технологического мусора: в околоземное пространство попадают предметы вроде взрывных болтов, временного крепежа, элементов защитного покрытия.

Кроме того, в космосе остаются набравшие первую космическую скорость ступени ракет и разгонные блоки. В их баках часто есть неотработанное топливо, которое весьма летуче и легко превращается в пар, что иногда приводит к мощным взрывам. Не раз бывали случаи, когда после нескольких лет пребывания в космосе использованные ступени ракет неожиданно взрывались, разбрасывая вокруг себя шрапнель из мелких осколков. За последние годы в околоземном пространстве было отмечено порядка двухсот подобных взрывов. Только один взрыв ступени индийской ракеты стал причиной образования сразу 300 крупных обломков.

Человечество мусорит не только на орбите родной планеты. Как вы думаете, что сделал Нил Армстронг, когда впервые открыл двери лунного модуля? Он выбросил из кабины пакет с мусором. Лишь затем он спустился на лунную поверхность и произнёс свою знаменитую фразу.

«Маленький шаг для человека…» — «Ты мусор вынес?!» — «Да! Так, на чём я остановился…»

А есть ещё и мелкие объекты. Во время работы твёрдотопливного двигателя из его сопла выбрасывается множество пылевидных частиц размерами до 10 мкм. Ещё один вид микроскопического мусора — кусочки краски и защитного покрытия, отвалившиеся от обшивки земной техники. И с каждым годом ситуация усугубляется: чем больше стран и компаний осваивают космос, тем больше мусора остаётся на орбите. За последние годы произошло два резонансных инцидента, связанных с загрязнением космоса.

Первым стало печально известное испытание китайской противоспутниковой ракеты в 2007 году. СССР и США испытывали подобное оружие и раньше, но тогда обломков было куда меньше, и они быстро сгорали в атмосфере — ведь цели находились на относительно небольшой высоте. Китайцы же уничтожили спутник, который находится на полярной орбите высотой более 800 километров. В результате в окрестностях Земли появилось свыше двух тысяч обломков и, по некоторым данным, до 150 000 мелких частиц. 97% процентов этого мусора всё ещё на орбите и будет висеть над планетой не одну сотню лет.

Кстати, год спустя США уничтожили неисправный спутник-шпион USA-193, на борту которого оставалось около полутонны ядовитого топлива. Однако спутник находился на низкой орбите, и большинство осколков сгорело в атмосфере.

Кольца Сатурна состоят из камней, пыли и льда. Кольца Земли будут состоять из утерянных болтов и обломков спутников.

Вторым инцидентом стало столкновение выведенного из эксплуатации в 1995 году спутника «Космос-2251» и действующего спутника Iridium 33, которое произошло 10 февраля 2009 года. Это первый в истории случай, когда столкнулись два космических аппарата. В результате образовалось 2000 обломков — и это только крупные, которые удалось отследить.

Только два этих инцидента более чем на треть увеличили число обломков на орбите. Сейчас количество мусора растёт весьма быстро (примерно на 5% в год), и новые масштабные столкновения неизбежны.

Способы разрешения проблемы космического мусора

В 2017 году была созвана специальная Европейская конференция, целью которой было обсуждение проблемы большого количества мусора на орбите. На конференции собралось более 300 ученых, представляющих позиции разных стран. Они установили наиболее эффективные способы устранения космического мусора. По итогу проведенного заседания было обнаружено 750 000 обломков с диаметром больше 1 см. и 166 млн. объектов более мелкого размера.

Все уже существующие и пока только разрабатываемые способы устранения мусора можно разделить на две разных категории: профилактика и уборка.

К профилактическим мерам относят:

• снижение веса выводимых в космос аппаратов;
• усиление их защитных свойств;
• увеличение длительности срока эксплуатации;
• обязательная утилизация КА;
• повышение показателей управляемости и маневренности.

Защитные лазеры

Конструкторы рассчитывают, что подобные технологии позволят в прямом смысле испарять космический мусор. Сейчас в России учёные разрабатывают эту технологию для защиты МКС.

Использование гарпунной системы

Задумка заключается в том, что нерабочий мусор будет захватываться и отводиться в плотные слои атмосферы, а после утилизироваться. В начале 2019 года технология была успешно испытана – британский аппарат Remove DEBRIS смог подобным образом загарпунить часть спутника.

Использование воздушных шаров

Данную систему назвали Gold system. По задумке, космический мусор будет обволакивать надёжный и большой шар, который позволит увеличить аэродинамическое сопротивление объекта.

Буксировка на солнечном парусе

Исследовательский центр Surrey Space Centre разрабатывает технологию уборки космического мусора с помощью буксировки на специальном транспорте. Аппарат HybridSail с помощью специального троса будет стыковаться с мусорными объектами, а после разворачивать парус и увозить от орбиты.

Использование вольфрамового «веника»

Идею придумал ученый Гурудас Гангули из США. Он разработал идею распыления вольфрама на высоте 1.1 тыс. км. Согласно его расчетом, тяжёлый вольфрам будет медленно опускаться к поверхности Земли, тормозя на своем пути мелкий мусор, не нанося ущерба исправным аппаратам. Воплощение такой идеи займет не менее 20 лет.

Использование буксира

Для уборки космического мусора предлагается использовать специальные аппараты-буксировщики, которые будут вместе с собой увозить от орбиты мусорные объекты.

Орбитальная переработка

Идея состоит в переработке мусора на орбите. Спутники и другие вышедшие из строя объекты содержат много драгоценных металлов и полезных элементов.

Список литературы

1. Журнал «Вокруг света» октябрь 2004 г.
2. Журнал «Вокруг света» январь 2003 г.
3. «Основы общей экологии» НМ . Мамедов Suravegina I.T ., Glazachov SN . М. «Устойчивый мир» 2001 г.          
4. Детская энциклопедия Познаваю мир «Экология» А.Е. Чижевского. М., « Астрель » 2002 г.    

Посмотрите похожие темы рефератов возможно они вам могут быть полезны:

• Реферат на тему: Бизнес план кафе
• Реферат на тему: Полимеры в нашей жизни
• Реферат на тему: Спорт
• Реферат на тему: Водное поло
• Реферат на тему: Кожа
• Реферат на тему: Прыжки
• Реферат на тему: Классическая музыка
• Реферат на тему: Перестройка
• Реферат на тему: Качество жизни населения в различных странах и регионах мира
• Реферат на тему: Жанна Д’Арк

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.