«Есть такое твердое правило: встал поутру,
умылся, привел себя в порядок – и сразу же
приведи в порядок свою планету»
Антуан де Сент-Экзюпери
С момента запуска первого искусственного спутника прошло менее ста лет. Этого времени человечеству хватило, чтобы превратить орбиту планеты в огромную технологическую свалку. Космический мусор стал глобальной проблемой, способной помешать дальнейшему использованию околоземного пространства. Когда-то его станет так много, что мы больше не сможем запускать новые спутники. Покорение космоса — важнейшая задача, но космический мусор очень сильно её усложняет, а в перспективе он и вовсе может навсегда запереть человечество на родной планете, сделав полёты невозможными. Многие космонавты неодобрительно качают головами, глядя на свежие новости о засорении околоземного пространства, небезосновательно утверждая, что люди, замусорив Землю, теперь делают то же самое в космосе. Если в будущем инопланетяне захотят вступить в долгожданный контакт с жителями нашей планеты чтобы совершить посадку на её поверхность, им придется лавировать между огромным количеством мусора, скопившимся на околоземной орбите.
Глава I. О космическом мусоре.
Виды космического мусора принято делить на две группы, в зависимости от происхождения: искусственный и естественный. В данной работе мы рассмотрим космический мусор искусственного происхождения.
Космический мусор (искусственный) — это объекты искусственного происхождения, которые находятся на орбите, но не представляют никакой практической значимости. (4)
1. 1. Чем опасен космический мусор?
Во-первых, вращаясь вокруг Земли, космический мусор может достигать огромной скорости, превышающей скорость пули в 10 раз. Из-за чего даже столкновение с небольшим кусочком мусора может привести к серьёзным повреждениям космических аппаратов. Например, некоторые части космических объектов часто приходилось менять из-за повреждений от столкновений с искусственным мусором размером менее 1 мм. Однажды такой кусок железа размером с монету едва не столкнулся с МКС. В 2014 году МКС трижды приходилось менять орбиту, избегая столкновения с обломками. Каждая корректировка курса на станции сжигает много топлива, и стоит огромных денег.(5)
Во-вторых, космический мусор может упасть на Землю и таким образом вызывать разрушения какой-либо инфраструктуры и уносить человеческие жизни. Например, В 1997 году на жительницу США, штат Оклахома, упал небольшой кусок обшивки ракеты Delta-2. Она осталась жива, и даже стала знаменитостью на какое-то время.
В-третьих, в будущем из-за высокого количества и высокой плотности космического мусора, будет затруднён запуск космических аппаратов в космос или невозможен вообще. Кроме того, повышается вероятность столкновения частиц мусора между собой. Такой расклад вещей вызовет лишь его увеличение, а также падение метеоритным потоком космического мусора на поверхность нашей планеты. Такой эффект называется эффектом или синдромом Кесслера.
1. 2. Классификация
В книге Вениаминова С.С. и Червонова А. М. «Космический мусор ̶ угроза человечеству» приводится следующая классификация:
1. Мелкий космический мусор ̶ от 1 мм до 1 см
2. Средний космический мусор ̶ от 1 см до 10 см
3. Крупный космический мусор ̶ более 10 см
1. 3. Состав и распределение по околоземным орбитам космического мусора
По мнению Л. С. Новикова с начала освоения космоса на околоземные орбиты было выведено около 26 тыс. объектов. Из них приблизительно 17 тыс. уже прекратили существование вследствие торможения атмосферой, а 9 тыс. продолжают оставаться на орбите Земли. Из этого количества лишь 5-6% приходится на действующие космические аппараты (КА), остальные же объекты представляют собой неработающие космические аппараты (КА): последние ступени ракет-носителей, сбрасываемые защитные кожухи и т. п., а также фрагменты разрушившихся изделий.
Диаграмму см. в приложении.
Как пишет А. К. Мурзатов в книге «Физические основы экологии ОКП» космический мусор распространён в зоне наиболее заселенных орбит. Таких наиболее заселенных зон две: геостационарные орбиты на высотах около 40 тысяч км от Земли и орбиты на высотах 800–1000 км. Можно еще отметить зону пилотируемых полетов на высотах около 300 км и солнечно-синхронные орбиты. Геостационарная орбита наиболее плотно заселена объектами в количестве около 600. Ежегодно к ним прибавляется около 20–30 новых плюс значительное количество обломков как от вспомогательного оборудования, так и старых разрушившихся спутников. К ним по засоренности примыкают солнечно-синхронные орбиты.
1. 4. Поиск и отслеживание
«По подсчетам экспертов NASA , у нас над головой кружит 23 000 фрагментов космического мусора размером более десяти сантиметров, 500 000 — от одного до десяти сантиметров и 100 млн. — от одного миллиметра до сантиметра. Общая масса этой космической свалки превышает 8000 тонн. Все обломки диаметром крупнее 2 см отслеживаются», сообщает новостной сайт Forbes. Более мелкий космический мусор отследить проблематично. 10 января 2022 года компания «Российские космические системы» (РКС) сообщила, что ее специалисты для контроля околоземного космического пространства и наблюдения за искусственными объектами на орбите Земли предлагают использовать актуальные технологии фотоники и оригинальные способы наземной обработки оптической информации. Соответствующая система контроля космического мусора была разработана и запатентована РКС для решения одной из наиболее актуальных задач – очистки земной орбиты от отработавших свой срок искусственных спутников Земли, различных космических объектов и их фрагментов.
С помощью оптических сигналов и системы их обработки можно будет находить, распознавать, идентифицировать, измерять размеры и рассчитывать траекторию движения даже малоразмерных обломков космического мусора. Система сможет выявлять потенциальные угрозы для своевременной реакции и изменения траекторий движения, например, космических аппаратов или космических кораблей. Наблюдение за космическим мусором будут вести наземные оптические телескопы. (8)
Исследователи из НИТУ «МИСиС» из Москвы и Института ядерной физики в Калькутте предложили новый способ обнаружения космического мусора с помощью регистрации ионно-звуковых волн, возникающих в результате движения мусорных объектов в околоземной космической плазме на низкой орбите. Плазма состоит из заряженных частиц, и движение в ней заряженного мусора оказывает влияние, схожее с процессом на воде. В результате в плазме возникают так называемые ионно-звуковые волны, связанные с колебанием ионов. Они представляют собой распространение уплотнения в плазме. (7)
1. 5. Способы утилизации космического мусора
Ученые работают в трех направлениях по очистке орбиты от мусора: утилизация на месте; изменение траектории движения в сторону Земли с дальнейшим сгоранием в атмосфере; сбор с последующим вторичным использованием и переработкой деталей.
Один из проектов по очистке орбиты от космического мусора предлагает использование автоматизированного орбитального космического аппарата, который будет концентрировать солнечную энергию и сжигать мелкие обломки с помощью лазера. Другой предлагает «ловить» обломки с помощью особой сети, лёгкой, тонкой и сверхпрочной, после чего направлять их в земную атмосферу, чтобы они там сгорели.
Большинство ученых сходятся во мнении, что самый простой, эффективный и безопасный способ избавиться от космического мусора — это сжигать его в атмосфере Земли. С помощью механического щупа прототипного итальянского аппарата D-Sat схватив крупные обломки и бросив их в атмосферу, чтобы они сгорели от трения о воздух.
Для безопасности космических аппаратов инженеры ищут способы сталкивать мусор с орбиты на расстоянии. Такое решение предлагает, например, концепция спутника "Космический пастух", разработанная в Мадридском политехническом университете. Такой спутник будет тормозить, и перенаправлять космический мусор с помощью ионной лучевой пушки.
Некоторые проекты предлагают не уничтожать, а перерабатывать космический мусор. Например, на таком решении спроектирован Сборщик космического мусора (СКМ), придуманный в компании "Российские космические системы". Согласно концепции, он будет ловить мелкий мусор с помощью титановой сети и перерабатывать его в псевдожидкое топливо. (см. приложение №1)
Проекты некоторых аппаратов не предусматривают прямого управления человеком — такие спутники должны быть полностью автономны. К таким концепциям относятся, например, швейцарский ClearSpace или техасский Sling-Sat.
Несмотря на то, что невозможно на 100% защитить космические аппараты, и спутники, и МКС запрограммированы уворачиваться при обнаружении опасности. Так, например, NASA выделяет три уровня угрозы, которые присваиваются в зависимости от размера и скорости космического осколка — это может быть простое маневрирование (если размер мусора более 10 см) или использование специальных защитных экранов (если объекты меньше 1 см).
1. 6. Международное сотрудничество
Государства, международные организации и корпорации активно сотрудничают для решения проблемы засорения околоземного космического пространства (ОКП). Например, «Роскосмос» подписал в июле 2021 года соглашение с ЮАР, позволяющее разместить станцию поиска космического мусора на её территории. Это будет второй из четырех специализированных комплексов, который создают в рамках программы.
Комплекс будет выявлять объекты на низких, средних и высоких околоземных орбитах.
Станция оптико-электронного комплекса обнаружения и измерения параметров движения космического мусора займется определением угловых координат объектов и сверкой с данными, которые внесены в базу данных. Полученная информация будет передаваться в центр сбора и обработки данных.
Технически комплекс предназначен для автономного поиска и выявления объектов на высотах от 120 до 40 тысяч километров и способен обнаруживать космические объекты, которые имеют блеск до 18-й звездной величины.
Новая станция станет вторым из четырех специализированных комплексов, которые создают для анализа ситуации с космическим мусором. Последнее напрямую влияет на безопасность пусков.
Первую станцию открыли в апреле 2017 года в Бразилии, на территории обсерватории Пико-дос-Диас. (6)
Сегодня космические агентства России, США, Китая, Японии и Франции, а также Европейское космическое агентство (ЕSА) официально придерживаются принципов, которые кратко можно выразить так: «Мы больше не будем засорять космос». При ООН существует Межагентский координационный комитет по космическому мусору — своего рода площадка для координации усилий разных стран.
1. 7. Проблема космического мусора в произведениях искусства
Проблема космического мусора поднимается не только учеными-специалистами, но и показана в произведениях искусства. Например, в фильмах «Салют-7» и «Гравитация», мультфильме «Валли». В интернете есть множество агитационных картинок, посвящённых космическому мусору.
1. 8. Интересные факты из космоса
· В мае 2016 года при столкновении МКС, с частицей в пару миллиметров образовался след диаметром 7 мм. В марте 2021 года
космонавты выбросили с Международной космической станции (МКС) самый тяжёлый в истории мусор — платформу со старыми аккумуляторными батареями, которая весит 2,5 тонны. Для МКС ответ прост и понятен — нужно постараться избегать таких столкновений. Именно для этого в мире работает несколько систем контроля за космическим мусором, таких как российская Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве или американская Сеть космического наблюдения Соединенных Штатов. (6)
· Китайские инженеры создали ионный двигатель "карманного размера", который призван "продлить жизнь малых космических аппаратов и предотвратить их превращение в опасный космический мусор". Двигатель уже прошел испытания на орбите. (6)
· Основатели компании по поиску космического мусора Стив Возняк и Алекс Филдинг считают, что проект Privateer Space составит "космическую карту Google Maps", по которой затем смогут работать любые компании: и те, что планируют заниматься очисткой ближнего космоса, и те, что запускают космические корабли. Судя по всему, в скором времени ни одна ракета не сможет подняться в небо, не сверившись перед этим с картой пролета орбитальных обломков. (12)
· После семи лет хаотического движения в космосе четырех тонная ракета-носитель Falcon 9 упала на обратную сторону Луны. Это произошло 4 марта 2022 года. На борту мощной двухступенчатой ракеты находился - спутник метеорологического агентства (США). Но в какой-то момент возникла проблема со второй ступенью ракеты - она вышла из строя. Таким образом, вторая ступень ракеты осталась в космосе и, по наблюдениям астрономов, вышла на странную орбиту - на встречный курс с Луной. Эксперты предполагают, что четырехтонная махина упала на Луну со скоростью около 2,5 километров в секунду. (2)
· Точка Немо — это самая удаленная от суши место на Земле, также называемая океаническим полюсом недоступности. Ближайшая суша находиться в 2688 километрах от Точки Немо, а ближайшим населенным местом периодически становится МКС, орбита которой проходит над этим местом. Низкое содержание питательных веществ (круговорот в южной части Тихого океана блокирует попадание питательных веществ в этот район) и удаленность от прибрежных вод делают это место практически безжизненным, поэтому Точка Немо — идеальное место для захоронения космических аппаратов. Периодически этот район называют кладбищем космических кораблей. Некоторые русскоязычные источники называют этот район закрытым для судоходства. Ответственность за движение судов в этом регионе разделяют Чили и Новая Зеландия. За несколько дней до спуска космического аппарата, космические агентства предупреждают службы этих стран, которые в свою очередь доносят соответствующие предупреждения избегать этот район до летчиков и капитанов морских судов. (2)
· 15 декабря 2022 года произошла разгерметизация системы охлаждения "Союза МС-22", пристыковавшегося к МКС, после попадания микрометеорита. Экипаж из-за рисков решили вернуть на следующем корабле - "Союзе МС-23".Однако 11 февраля 2023 года аналогичная ситуация произошла с еще одним кораблем – грузовиком "Прогресс МС-21". Старт "Союза" решили отложить до выяснения причин. "Прогресс" отстыковали 18 февраля и затопили 19 февраля, космонавты дополнительно сфотографировали его, а в "Роскосмосе" пришли к выводу, что он также был поврежден в результате внешнего воздействия.Старт "Союза МС-23" был намечен на 24 февраля. Российские космонавты Сергей Прокопьев и Дмитрий Петелин, а также американский астронавт Фрэнк Рубио вернутся на нем на Землю в сентябре этого года. (11)
· 29 марта 2006 года российский спутник «Экспресс АМ11» столкнулся с космическим мусором. В результате столкновения, была разгерметизирована система терморегулирования, спутник, потерял ориентацию и начал неконтролируемое вращение. (2)
· Есть мизерный шанс пострадать от падения космического мусора на Землю. В 1997 году на жительницу США, штат Оклахома, упал небольшой кусок обшивки ракеты Delta-2. Она осталась жива, и даже стала знаменитостью на какое-то время. (9)
· В 1983 году крошечная песчинка диаметром всего в 0,2 мм столкнулась с иллюминатором шаттла «Челленджер». Иллюминатор треснул, но выдержал. (9)
· Первое столкновение, уничтожившее работающий спутник, произошло 10 февраля 2009 года. Российский вышедший из строя спутник "Космос-2251" столкнулся с американским Iridium 33. Массы аппаратов составляли 900 и 600 килограммов, их орбиты пересеклись под прямым углом, и в результате столкновения оба аппарата были полностью разрушены. При этом на орбите появилось примерно 600 осколков. (3)
· Худшее событие, связанное с космическим мусором, произошло 11 января 2007 года, когда китайские военные уничтожили метеорологический спутник Fengyun-1C при испытании противоспутниковой системы, в результате чего образовалось более 3000 фрагментов, или более 20 процентов всего космического мусора. В течение двух лет эти фрагменты разлетелись, образовав облако обломков, которое полностью окружило Землю. (3)
· Космические археологи теперь будут вести «раскопки» в космосе. Историки утверждают, что не нужно избавлять орбиту от обломков. В ближайшем будущем это может стать хорошей находкой для археологов. (13)
· На Китай, США и Россию приходится 93% всего космического мусора, в то время как остальные страны обеспечивают суммарно лишь оставшиеся 7%. (9)
· Одним из наиболее серьезных загрязнений околоземной орбиты стал американский проект «Вестфорд». В 1961–1963 годах при помощи трех ракет-носителей на орбиту были выведены 480 000 000 медных иголок. Американские военные предполагали создать искусственную ионосферу вокруг нашей планеты, чтобы обеспечить большую надежность для систем военной связи. Причем первые два запуска окончились неудачно, и лишь с третьего раза военным удалось «засеять» на орбите нашей планеты почти полмиллиарда небольших проволочных кусочков. (10)
Глава ΙΙ. Способы решения проблемы утилизации
2. 1. Аппараты утилизации космического мусора
В данной таблице представлены некоторые виды космических аппаратов для очистки орбиты Земли.
Название аппарата
Схема работы
1. Роботы
Присоединяют работающие солнечные батареи и антены к работающим спутникам, нуждающимся в ремонте, а отработавшие детали доставлять на Землю.
2.Корабль с ядерной энергоустановкой
Представляет собой буксир, оснащенный большим контейнером и системой утилизации для сжигания или отвода мусора на безопасные орбиты.
3.Космический уплотнитель
Нагревает отходы в течение 3,5 часов при температуре от 148 до 176 градусов по Цельсию. Происходит плавление, но не сжигание мусора. В результате его работы образуются диски диаметром 20 см. Эти диски можно использовать в качестве противорадиационного экрана для защиты членов экипажа.
4.Реактивный буксир
Спутниковый куб, захватывающий и уничтожающий мусор, сжигая в слоях атмосферы.
Вывод. В России придумали еще один способ борьбы с космическим мусором. Специалисты Самарского университета разработали модель буксира для уборки геостационарной орбиты. По словам ученых, буксир представляет собой тяжелый спутник — оптимальный вес порядка 100 тонн. Осуществлять расчистку орбиты он будет по принципу гравитационной ловушки. Один из вариантов работы буксира: собранный мусор он может накапливать вокруг себя, усиливая гравитационный захват. Европейское космическое агенство надеется развернуть технологию, которая сделает жизнь космонавтов чуть менее опасной с точки зрения работы с космическим мусором. Робот с дистанционным управлением по имени «Джастин» может проводить внекорабельную активность вместо космонавтов. Тем самым уменьшая шансы на столкновение людей с обломками. Робот – космонавт будет управляться из лаборатории ЕКА «Коламбус» с оператором на борту МКС с помощью экзоскелетной перчатки. Электронные датчики воспроизводят ощущение прикосновения, так что оператор будет чувствовать всё, к чему прикасается «Джастин».
2. 2. Мнения специалистов по данной экологической проблеме.
В данном проекте были заданы вопросы специалистам в области некоторых естественных наук по теме «Космический мусор» с целью выяснить какой вред космический мусор наносит окружающей среде и чем мелкий мусор более опасен, чем крупный.
Вопрос специалисту в области физики Федотовой Светлане Сергеевне
(предподаватель физики, ранее работавшая в гимназии №19).
Почему мелкий космический мусор, более опасен, чем крупный?
Ответ. Дело в том, что как действующие спутники, так и космический мусор движутся по низкой околоземной орбите со скоростью 7–8 км/с, то есть в несколько раз быстрее пули. При этом даже миллиметровый обломок металла превращается в убийственный снаряд.
Вопрос специалисту в области химии Иванцовой Галине Васильевне (предподаватель химии в КГУ и ДД(Ю)Т, кандидат химичеких наук).
Как влияет ракетное топливо на окружающую среду?
Ответ. За счет сжигания топлива разных видов на Земле в атмосферу сейчас ежегодно поступает более 20 млрд. т. углекислого газа и свыше 700 млн. т. других газообразных соединений и твердых частиц, в том числе около 150 млн. т. сернистого газа. Последний, соединяясь с атмосферной влагой, образует серную кислоту, что может приводить к выпадению так называемых кислотных дождей, отрицательно влияющих на растительный и животный мир Земли. Космические аппараты «Шатлл» и «Энергия» выбрасывали также хлор – один из главных разрушителей озона в верхней атмосфере.
Вопрос специалисту в области биологии Мелузовой Ларисе Валентиновне (предподаватель биологии и химии в гимназии № 31 и ДД(Ю)Т).
Чем опасен космический мусор для биосферы Земли?
Ответ. Неизбежное осаждение радиоактивных веществ из ближнего космоса в приземную атмосферу и далее на земную поверхность опасно для окружающей среды. Радиоактивное загрязнение поверхности Земли фиксируется при падении спутников с ядерными установками. В 1970 году после аварии на корабле «Аполлон-13» американские астронавты вынуждены были при возвращении на Землю сбросить лунный отсек с атомным реактором.
Залповый пуск нескольких ракет способствует усугублению глобальной проблемы – истощению озонового слоя Земли. А это негативно воздействует на биосферу, особенно на живые организмы, включая человека. По данным ВОЗ, уменьшение стратосферного слоя озона на 1% приводит к росту онкологических заболеваний на 6 %. В скором будущем возможны процессы мутации живых микроорганизмов.
2. 3. Мониторинг «Космический мусор».
Цель мониторинга: определение уровня знаний учащихся по данной теме.
Все вопросы к мониторингу составлены из раздела «Элементы космологии» дополнительной общеобразовательной (общеразвивающей) программы «Астрономическое общество «Персей». В опросе принимали участие учащиеся 9-11 классов гимназии №19.
Я провёл урок среди старшеклассников по теме космического мусора. После урока был проведён мониторинг для определения уровня знаний учащихся по теме «Космический мусор». Из 32 опрошенных 6 человек имеют низкий уровень знаний в данной области познания (от 3 до 5 правильных ответов), 15 человек имеет средний уровень общих знаний по этой теме (от 6 до 8 правильных ответов) и всего 11 человек показали высокий уровень знаний по данной теме (9-10 правильных ответов). См. диаграмму «Мониторинг «Космический мусор»
Таким образом, проведенный мною мониторинг позволил сделать вывод о том, что учащимся, принимавшим участие в опросе, небезразличны проблемы околоземного космического пространства и экологическая безопасность человечества. А значит в надежных руках будущее нашей планеты.
Вопросы к мониторингу.
1.Что такое космический мусор? (32 чел. ответили верно)
2.Что происходит при столкновении мусора в космосе? (23 чел. ответили верно)
3. Назовите три страны, оставившие на околоземной орбите больше космического мусора, чем другие державы. (22 чел. ответили верно)
4. Какой спутник, считается самым старым космическим мусором во Вселенной? (22 чел. ответили верно)
5. Известно, что самым большим космическим мусором до 2001 года считалась российская станция «Мир». Что пришлось сделать со станцией из-за регулярных технических сбоев? (18 чел. ответили верно)
6. Новые космические аварии могут спровоцировать цепную реакцию – столкновение частиц между собой, и в результате все пространство над Землей будет перекрыто тонким слоем мусора. Как иначе называют этот процесс? (24 чел. ответили верно)
7. Какую угрозу представляют космические обломки Земле и её жителям? (30 чел. ответили верно)
8.Один из вариантов очистки Вселенной от космического мусора разработали самарские ученые. Исследователи предлагают использовать активный спутник, который будет хватать посторонние объекты «гарпуном» или «сетью», разматывать трос и буксировать мусор в плотные слои земной атмосферы для уничтожения. Какой недостаток у данного способа? (15 чел. ответили верно)
9.Учёные, какой страны намерены заняться разработкой космического спутника, который сможет при помощи лазера уничтожать дрейфующие на околоземной орбите обломки от ступеней ракет и другой мусор. В чем особенность этого способа? (13 чел. ответили верно)
10. Как превратить космический мусор из большой проблемы в золотую жилу? (28 чел. ответили верно)
11. Назовите американский проект, ставший одним из наиболее серьезных загрязнений околоземной орбиты. (17 чел. ответили верно)
2. 4. Продукт проекта
В качестве продукта данного проекта было составлено методическое пособие с краткой информацией о космическом мусоре, которым можно пользоваться уроках астрономии и физики в качестве дополнительного материала.
Подводя итоги главе 2 необходимо подчеркнуть, что не мало учащихся 9-11 классов хорошо осведомлены о проблеме засорения околоземного космического пространства (ОКП). Также уже существуют проекты по очистке ОКП (околоземного космического пространства). Более широкая огласка проблемы и грамотность, которую помогут приобрести учителя и профессора, в вопросе засорения посодействует избавлению орбиты Земли от мусора.
Заключение
С момента первого запуска искусственного спутника Земли, человечество открыло для себя большое количество новых возможностей. Однако воздействие на околоземное космическое пространство (ОКП) не проходит бесследно. Запуск спутников, ракет – носителей, старение, взрывы и столкновение аппаратов и объектов приводит к образованию огромного количества мусора и оказывает химическое, механическое и другое воздействия. Всё это неизбежно влияет не только на ОКП, но и на атмосферу и всё живое на Земле. Таким образом, гипотезу я считаю доказанной. Для решения этих проблем необходимо улучшить системы наблюдения и контроля космических объектов любых размеров, перейти на другой вид топлива, чтобы избежать дальнейшего химического загрязнения, укрепить конструкции запускаемых аппаратов. Мое поколение знает о глобальной проблеме загрязнения космоса и, главное, оптимистически настроено на борьбу с ней. И я уверен, среди нас появится «светлая голова», чье изобретение решит раз и навсегда эту проблему.
