Космический мусор

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды сегодня стоит очень остро, поскольку люди перестали беречь то, что является их домом – Землю. Более того человечество умудрилось засорить не только планету, но и все околоземное пространство.

Всего за полстолетия ближние и дальние окрестности нашей планеты превратились в помойку. По сравнению с земными свалками количество мусора очень мало, однако  и  это количество представляет серьезную  угрозу.

Что такое космический мусор? Это вышедшие из строя  спутники, ступени и разгонные блоки ракет-носителей, сброшенные баки топлива, пружины, болты, гайки и другие мелочи. Все это бороздит космические просторы со скоростью около 28 тысяч км/ч.  

Данные Управления ООН по вопросам космического пространства гласят, что «вокруг Земли вращается около 300 тысяч обломков мусора» [7]. США, Россия и Китай   - бесспорные лидеры загрязнения космического пространства.

К сожалению, пока не придумали эффективных  способов борьбы с мусором на орбите. И как бороться с  данным загрязнением?  Я - семиклассница,  жительница Земли -решила изучить данную проблему и попыталась  найти пути выхода из сложившейся ситуации.

Цель проекта: изучить литературу по данной теме, обобщить опыт ученых по

 данной проблеме  и рассмотреть  наиболее реальные  способы

 очистки космоса от мусора.

Задачи:         1. Доказать, что космический мусор – угроза безопасности

космических полетов.

          2. Рассмотреть способы  по уменьшению загрязненности и защите от  

              космического мусора.

          3. Рассмотреть  преимущества и недостатки  проектов готовых  

вступить в борьбу за чистоту околоземных орбит.

Космический мусор – угроза безопасности космических полетов.

К третьему тысячелетию человечество активно изучает и исследует космос. Число космических полетов растет, но они постоянно сталкиваются с рядом проблем. Одной из таких проблем – проблем экологии космоса, является вопрос об его загрязненности, объектами, так называемого космического мусора.  Космический мусор – все антропогенные объекты, которые находятся на околоземной орбите или возвращаются в атмосферу, включая фрагменты или части тех объектов, которые закончили свое активное существование. Чтобы уменьшить угрозу столкновений космические аппараты совершают маневры отклонения, а это – дополнительный расход топлива и ряд других сложностей.

По расчетным данным Международная космическая станция будет вынуждена дважды в год совершать маневры, уклоняясь от опасных объектов. Степень влияния загрязненности космического пространства на функционирование космических систем определяется четырьмя факторами: временем нахождения на орбите, районами по предположению, высотой орбиты, наклоном плоскости орбиты. Для примерного представления об объектах загрязнения космического пространства, разрабатывают математические модели его засоренности. Они описывают распределение загрязняющих объектов в пространстве, их движение и физические характеристики (размер, массу, плотность и др.)[1].

Разрабатываемые модели бывают двух видов: краткосрочные (период до 10 лет) и долгосрочные (до 100 лет). Модели засоренности принимают во внимание рост числа орбитальных объектов в результате запусков, маневрирование (засоренность, связана с включением ракетных двигателей твердого топлива), разрушение (взрывы и столкновения) т.д. Кроме того, целью долгосрочных моделирований является составление прогнозов количества объектов как функции времени. Тенденции, установленные на основе долгосрочных моделей, заключаются в следующем: Если космические полеты будут проходить также как и раньше, то в будущем загрязнение космического пространства ускориться из-за столкновений, связанных с увеличением массы на орбите.

Фрагменты мусора, образовавшиеся после взрывов, могут стать в ХХI веке (как и в данное время) одним из главных источников загрязнения. Фрагменты, образовавшиеся в результате столкновений, могут порождать следующие загрязнения, это приведет к росту загрязненности в геометрической прогрессии. Избежать этого можно путем уменьшения нагрузки на нижнюю околоземную орбиту. Также проблема состоит в возращении в атмосферу Земли космических объектов. За последние 40 лет их отмечено более 16000. В течение последних 5-ти лет примерно раз в неделю происходит попадание в атмосферу объекта с площадью поперечного сечения около 1м2[3].  Вхождение того или иного объекта в атмосферу связано не только с опасностью механического удара, но и с возможностью химического либо радиологического заражения окружающей среды.

Чем больше  запускается аппаратов в космос, тем менее пригодным для использования он становится. И действительно, по оценкам российских специалистов, в настоящее время в космосе находится более 10 тысяч летательных аппаратов и спутников Земли, при этом функционируют из них только 6%.  Космические аппараты выходят из строя с завидной регулярностью, а в результате плотность космического мусора на орбите ежегодно увеличивается на 4%. В настоящее время вокруг нашей планеты вращается около 70–150 тысяч объектов размером от 1 до 10 см, частиц же менее 1 см в диаметре – миллионы. И если на низких орбитах, примерно до 400 км, мусор притормаживает о верхние слои атмосферы и со временем падает на Землю, то на геостационарных орбитах он может вращаться бесконечно долго [2].
            Свой вклад в дело увеличения космического мусора вносят и разгонные блоки ракет, с помощью которых спутники выводятся на геостационарные орбиты. В их баках остается примерно 5–10% топлива, которое весьма летуче и легко превращается в пар, что нередко приводит к мощным взрывам. После нескольких лет пребывания в космосе отслужившие ступени ракет разлетаются на куски, разбрасывая вокруг себя «шрапнель» мелких осколков. За последние годы в околоземном пространстве было зафиксировано 182 подобных фейерверка. Только один недавний взрыв ступени индийской ракеты-носителя привел к образованию 300 крупных обломков и бесчисленного множества мелких, но не менее опасных объектов. В первую очередь от космического мусора страдают, конечно, объекты, находящиеся на орбите. Службы наземного наблюдения иногда фиксируют столкновения частиц космического мусора друг с другом, из-за чего их количество множится в геометрической прогрессии. Мелкие фракции представляют не меньшую опасность, чем крупные. Только представьте крупнокалиберную пулю, движущуюся со скоростью 8–10 км/с. При попадании подобной частицы в действующий космический аппарат сила соударения просто чудовищная. Ни один корабль не выдержит такого столкновения. Если же соударение произошло, облако обломков на орбите расползется по всем направлениям всего за пару недель, угрожая уничтожить и других соседей [8].
             И хотя вероятность вывода из строя орбитальных спутников космическим мусором все еще крайне мала, неприятные инциденты уже были, в том числе с пассажирскими космическими кораблями и орбитальными станциями. Первые жертвы уже были.
             В июле 1996 года на высоте примерно 660 км французский спутник столкнулся с фрагментом третьей ступени французской же ракеты Arian, запущенной много раньше. Относительная скорость во время столкновения составляла около 15 км/с, или около 50000 км/ч. Французские баллистики, прозевавшие на орбите приближение своего же крупного объекта, потом долго кусали локти, и было от чего. Происшествие не закончилось крупным международным скандалом только потому, что оба объекта имели французское происхождение. В 1983 году экипаж печально знаменитого шаттла Challenger обнаружил на лобовом стекле своего корабля небольшой след от соударения с посторонним предметом. Кратер был всего 2,5 мм в глубину и столько же в ширину, но заставил сильно поволноваться инженеров NASA. После приземления корабля специалисты тщательно осмотрели повреждения и пришли к выводу, что причиной соударения стала микрочастичка краски, отслоившаяся от какого-то другого космического аппарата. Пострадала от космического мусора и советская орбитальная станция «Салют-7», поверхность которой была буквально испещрена микроскопическими кратерами от соударения с частицами мусора. Чтобы предотвратить возможность подобных инцидентов в дальнейшем, станция «Мир» и пришедшая ей на смену МКС были оснащены экранами, защищавшими обитаемые модули от соударений с мелким мусором. Впрочем, и это не помогло. В июне 1999 года тогда еще необитаемая МКС имела все шансы столкнуться с обломком разгонного блока одной из ракет, уже долгие годы вращавшегося вокруг Земли. К счастью, специалистам российского Центра управления полетами (ЦУП) удалось своевременно скорректировать ее орбиту, и обломок пролетел мимо на расстоянии 6,5 км. В 2001 году МКС пришлось предпринимать специальный маневр, чтобы не столкнуться с семикилограммовым прибором, потерянным во время выхода в открытый космос американскими астронавтами [5]. С тех пор станция уворачивается от космического мусора с завидной регулярностью, несколько раз в год.

Космический мусор представляет опасность и для далеких от космоса землян, падая на их головы в прямом смысле этого слова. В 1978 году таежные области на севере Канады пострадали от падения советского спутника «Космос-594». Годом позже обломки американской космической станции Skylab рассыпались над пустынными районами Австралии.

В 1964 году в ходе неудачного запуска навигационного спутника США с ядерными источниками энергии на борту радиоактивные материалы рассеялись над акваторией Индийского океана. Всем памятна ситуация и со станцией «Мир», затопленной в Тихом океане. Тогда у десятков тысяч жителей островных государств случился форменный массовый психоз. Люди панически боялись, что «русская громадина» свалится им прямо на голову. А вот для жителей Алтайского края этот кошмар стал реальностью. Именно над этим регионом России пролегают траектории полета ракет, запускаемых с Байконура, и именно сюда валятся обломки первых ступеней с остатками высокотоксичного топлива.

Мероприятия по уменьшению загрязненности

 и защите от космического мусора.

         В настоящее время около 12% всего каталогизированного космического мусора составляют объекты, которые отделяются в процессе штатной процедуры запуска спутников на орбиту и дальнейшей их эксплуатации. В основном это крепежные детали, заглушки и т.д. Мероприятия по уменьшению загрязненности такими объектами принимать относительно нетрудно, как технически, так и экономически. В тоже время возможны ситуации, когда отделение деталей безвыходно, из-за технических причин.  В ходе полета может происходить неспециальное образование мелкого мусора: выбросы шлаков при работе двигателей на твердом топливе, отделение частиц краски вследствие эрозии, вытек теплоносителя и т.п. Необходимо принимать меры по уменьшению процесса образования мелкого мусора. Осколки, образовавшиеся в результате разрушения КА, составляют 43% состава орбитальных объектов и 85% космического мусора размером более 5см. Основной причиной разрушения космических аппаратов являются взрывы и столкновения. Анализ разрушения КА показал, что спуск с орбиты либо пассивация (выброс энергии) после реализации космическим аппаратом своей задачи позволяет предотвратить большую часть таких случаев.

 К числу эффективных мер можно отнести сжигание или продувание неиспользованного топлива, разрядку аккумуляторных батарей, освобождение жидкостей из-под давления. Вероятность случайного столкновения КА на околоземной орбите хотя и не значительна, но все-таки есть. Примером такого случая было столкновение осколка, образовавшегося в результате взрыва верхней ступени ракеты-носителя «Ариан», с действующим французским спутником CERISE, в результате была нарушена его работоспособность. Можно сказать, что увеличение числа и размеров спутников на орбите ведет к повышению вероятности столкновений. Что касается спутников, которые заканчивают свою программу, то значительному уменьшению вероятности столкновений будет влиять их перевод на нижнюю орбиту или контролированное возвращение в атмосферу[4].

С точки зрения на современный уровень засоренности околоземного пространства, следует применить концепции прямой и непрямой защиты. Защита от частиц размером 0,1-1 см может осуществляться за счет применения экранных конструкций. Защита от частиц размером более 1см может осуществляться за счет принятия специальных мер при проектировании КА, заключающихся в расположении жизненно важных систем в так называемых мертвых зонах относительно направления удара потоком мусора. Что касается экранных конструкций, то они бывают разного типа: это и простые одношаровые выносные экраны, размещающиеся перед корпусом аппарата, и сложные многошаровые конструкции из металла и керамики. Также ориентируя определенным образом космический корабль, космонавты могут использовать его в качестве экранной защиты. Такая практика уже применялась на орбитальной станции «Мир». Для кораблей «Шаттл» орбитальная ступень ориентируется ,таким образом, чтоб его хвостовая часть была повернута в направление движения. Работы в космосе происходят, таким образом, чтоб космонавты были защищены корпусом станции.

Одной из важнейших мер по уменьшению засоренности является информирования об опасностях, связанных с загрязненностью космического пространства и о многочисленных источниках образования космического мусора. Экономически оправданным является применения мер по уменьшению загрязнения на ранних стадиях конструирования КА. С использованием долгосрочных имитационных моделей космической среды ведется работа для оправдания эффективности разных сценариев и затрат связанных с их использованием. Исследования позволяют оценить, какое влияние оказывает разного рода практика в этой области. Также проблема столкновений и взрывов связана с неконтролируемыми запусками различных космических аппаратов. Для решения этой проблемы необходимо установить контроль за материалами, технологиями производства и запуска космических аппаратов. Во избежание столкновений КА, что является основой появления крупных частей мусора, целесообразно ввести прогнозируемые расчеты для установления безопасных стартовых окон, исключающих пересечение траектории полета КА с пилотируемыми кораблями, находящимися на орбите.

В короткосрочной перспективе наибольшую пользу может принести исключение случайных взрывов КА. Эффективной мерой предотвращения таких разрушений является пассивация аппаратов в конце программы полета.  В долгосрочной перспективе при отсутствии мероприятий по уменьшению засоренности из-за нагромождения объектов на орбите  может значительно возрасти опасность для проведения космических операций в области, как низкой, так и высокой околоземной орбиты. Мероприятия по снижению загрязненности и защиты космоса могут влиять на конструкции КА, их стоимость и эксплуатацию. Экономически выгоднее предвидеть и внедрить эти изменения на ранних этапах проектирования и производства КА и ракетоносителей. Хотелось бы добавить, что загрязненность космоса с каждым годом продолжает расти, в связи с этим растет риск столкновений причиняющих повреждения КА. Поскольку с помощью существующих технологий тяжело решить задачу улучшения состояния космической среды, разумным шагом по сохранению космического пространства для будущих поколений в настоящее время есть принятие мер по уменьшению загрязненности.

Впервые о масштабном загрязнении космоса ученые заговорили в 1980-х, когда концентрация мусора на орбите Земли достигла такой плотности, что баллистикам требовалось хорошенько поработать, чтобы безопасно разместить среди него тот или иной спутник. В последнее десятилетие ситуация только ухудшилась. «Количество мусора в околоземном пространстве столь велико, что это создает реальную опасность для работающих там автоматических станций. В ближайшем будущем сложности будут нарастать как снежный ком», – полагает старший научный сотрудник НИИ астрономии РАН Александр Багров. Основания для этого у него весьма серьезные.
Чтобы на космических дорогах не было аварий, необходимо выработать международные правила космического движения [6].

Правила космического движения.

Одним из первых реальных достижений в деле борьбы с космическим мусором стала выработка новых международных стандартов в отношении искусственных спутников Земли. Теперь на их борту должны присутствовать резервные запасы топлива, чтобы по истечении срока работы увести аппараты в специально отведенные районы околоземных орбит или направить к Земле. Желательно также оснащать спутники дополнительными системами управления, способными в случае поражения аппарата частицами мусора уводить его с рабочих орбит. Предполагается, что «кладбища спутников» будут располагаться на 200–300 км выше зоны геостационарных орбит.  Конечно, внедрение новых стандартов идет очень медленно, ведь они связаны с существенными затратами. Изменение в конструкции спутников влечет за собой дополнительные многомиллионные вложения, что нравится не всем аэрокосмическим корпорациям. Но без этих мер на данный момент просто не обойтись, и все это понимают.
Другой важный шаг – внесение в международные правила использования космоса требования оснащать разгонные блоки ракет системами слива топлива. Оказавшись в космосе, после завершения маневра управляющая электроника в обязательном порядке должна открыть клапаны и выбросить излишки горючего. К сожалению, и этого порой недостаточно. Из-за особенностей топлива и невозможности полностью выбросить его из резервуаров взрываются даже «опустошенные» баки. А значит, должны быть предприняты меры по совершенствованию конструкции космических ракет.

Как очистить космос от мусора

Для дальнейшего познания Вселенной очень важно развитие космонавтики. За минувшие полвека, как человек начал с помощью космических аппаратов исследовать космос, он окружил Землю поясом искусственных спутников и отходов, грозящих затормозить изучение космоса. Рассмотрим ряд проектов готовых  вступить в борьбу за чистоту околоземных орбит.

1. Машина-мусоросборщик с рукой-роботом

Космический корабль, оснащённый рукой-роботом, захватывает мусор клещами и помещает его в специальный отсек.

Для каких отходов может быть использован?

Для самых крупных: спутников, ступеней ракет.

Преимущества: Машина способна производить отбор: рука-робот позволяет подхватывать четко определенные предметы. Таким обра зом, можно будет посылать ее за самыми вредными, наиболее крупными или

взрывоопасными отходами.

Недостатки:          Руке-роботу трудно будет хватать кружа щиеся отходы. Встреча с одним из видов мусора, тем более с несколькими, в кос мосе обойдется очень дорого!

2. Движущаяся сеть

Американские учёные предложили ловить отходы с помощью сети. В космосе разворачивается нечто вроде рыболовной сети из полимерных материалов, достаточно прочных, чтобы избежать повреждений при столкновении с космической пылью. Такую сеть прикрепляют к небольшому спутнику, после этого она должна развернуться, поймать мусор и снова свернуться со своей добычей.

Для каких отходов?

Для самых крупных: спутников, ступеней ракет...

Преимущества: Структура, натягивающая сеть, сделана из надувных валиков. У нее небольшой вес - стоимость ее запуска в космос невелика. Она сможет собрать все отходы, даже те, что постоянно кружатся либо не поддаются захвату.

Недостатки:        Пойманные отходы придется доставлять на Землю на космическом корабле, что обойдется очень дорого.

2. Лазеры

Исследователи предложили стрелять по отходам из лазерных пушек, чтобы они разогрелись до такой степени, что превратились бы в газ. Такие пушки могут располагаться на Земле и направляться сверхчувствительными радарами, способными обнаруживать предметы диаметром в один сантиметр.

Для каких отходов? 

Величиной менее нескольких санти метров. Для более крупного мусора процесс оказался бы слишком экергозатратным.

Преимущества:  Мусор исчезает в атмосфере. Технология уничтожения предметов на очень малой высоте уже была опро бована.

Недостатки:        Система поглощает слишком много энергии, даже при уничтожении небольшого обломка. Некоторые материалы рискуют распасться на части под воздействием лазера и образовать новые мини-обломки! Метод, при использовании которо го выделяется большое количество энергии в окружающую среду, опа сен. В радиусе действия лазера тепло вое равновесие атмосферы было бы нарушено. Даже ее состав мог бы измениться: появилось бы множество заряженных частиц, что привело бы к непредвиденным последствиям.

3. Пластины из Аэрогеля

Аэрогель – это чрезвычайно пористый материал: он состоит из пустоты на 99%. Попадая в такое вещество, мельчайшие частицы заполняют пористую поверхность и оседают в пластине. Заполненные пластины возвращаются на Землю для утилизации.

Для каких отходов? 

Для пылинок диаметром в несколько деся тых долей миллиметра.

 Преимущества: Эта техника уже себя зарекомендовала. Зонд «Stardust» (звездная пыль - англ.) космического агентства НАСА использовал аэрогель в 2006 году для захвата метеорит ной пыли [9].

Недостатки:         Отходы величиной менее миллиметра наименее опасны: хотя они и разъедают поверхность действующих спутников, но значительного ущерба им не наносят. Для того, чтобы этот способ был рентабельным и позволял собирать большое количество мусора, нужно посылать в космос очень большие пластины. Но такие пластины не выдержат столкновение с крупными отхо дами, которые могут разорвать пластины на части. Не говоря о действующих спутниках - им пришлось бы уклоняться от встречи с этими космическими пришельцами.

Заключение.

Из приведённых примеров видно, что возможны разные методы сбора космического мусора, однако все они очень дорого стоят. К сожалению, на данный момент эффективных способов уничтожения космического мусора не существует. Пока они не появились,  надо всеми силами предотвращать дальнейшее загрязнение космоса, иначе в будущем из-за опасности встречи с космическим мусором его освоение превратится в очень рискованное мероприятие.
         Единственное, что пока могут предложить ученые, – тщательное картографирование космической свалки. Но и здесь все не так просто. «На сегодняшний день только два государства в мире способны эффективно отслеживать поведение космического мусора», – считает главный баллистик ЦУП Николай Иванов. Легко догадаться, что это Россия и США, которые, к слову сказать, являются и главными «загрязнителями» космоса. В России,  как и в Америке, существуют уникальные наземные комплексы, позволяющие обнаруживать на низких орбитах кусочки до нескольких сантиметров в диаметре, но необходимо также совместно разрабатывать меры по их нейтрализации. Было бы неплохо создать международную систему слежения, объединить каталоги объектов, разработать общую систему предупреждений о рисках столкновений, только в этом случае можно реально обезопасить полеты.

Чтобы на космических дорогах не было аварий, необходимо выработать международные правила космического движения  и необходимо совершенствовать конструкции спутников, космических кораблей и ракет, чтобы от них оставалось как можно меньше космического мусора.

Литература

            1. Гаврилов В. Космический мусор, обломки недавнего прошлого [Текст] / В. Гаврилов //  Популярная механика. -  М., июль 2006. – С. 3-7.

            2. Дмитриев А.Н., Шитов А. В. Пульс будущего [Текст] / А. Н. Шитов. -  Новосибирск: Манускрипт, 2003. - 140 с.
           3. Маринин Д.В., Космический мусор - угроза безопасности космических полетов [Текст]: [доклад] / Маринин  Д. В.  -  Аэрокосмический лицей на базе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е.Жуковского «ХАИ». – Хабаровск, 2006. – С. 1-4.
           4. Фрадкин В., Космический мусор - поддаётся ли решению эта проблема? [Текст] / В. Фрадкин // Наука и техника: Наука и космос. – М., май 2006. – С.  12-14.

            5. Космос и мы [Текст] // Юный эрудит. - М.: Эгмонт,  №11 (75), ноябрь 2008. – С 10-12.

        6. Космический мусор [Электронный ресурс] : словарь Википедия. – Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BC%D1%83%D1%81%D0%BE%D1%80.

7. Космический мусор [Электронный ресурс] : энциклопедия непознанного. – Режим доступа: http://www.senav.net/2008/04/22/kosmicheskijj_musor.html.

8.Техногенное воздействие на природные процессы Земли [Электронный ресурс] – Режим доступа:  http://pulse.webservis.ru/ANDmitriev/Books/TechOnNature/chapter2.html.

9.Мусор на околоземной орбите угрожает продолжению космических полетов [Электронный ресурс] : электронный журнал Познание. – Режим доступа:  http://xzoid.ru/publ/musor_na_okolozemnoj_orbite_ugrozhaet_prodolzheniju_kosmicheskikh_poletov_preduprezhdaet_nasa/14-1-0-394.