Начнем с понятия космического мусора.
Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые.
В некоторых случаях, крупные или содержащиеся на космических аппаратах опасные материалы - объекты космического мусора, могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.
Это могут быть:
1. Отработавшие ступени ракет-носителей
2. Неисправные спутники
3. Фрагменты разрушенных аппаратов
4. Инструменты и другие предметы, утерянные космонавтами
Размеры этих объектов варьируются от микроскопических частиц краски до крупных обломков размером в несколько метров.
1.2 История возникновения проблемы космического мусора
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.
Первый искусственный спутник Земли был запущен в космос 4 октября 1957 года. С того времени было совершено более 4600 запусков, в результате которых у Земли появилось около 6000 спутников, при этом подавляющее большинство из них было выведено на геостационарныеоколоземные орбиты. Несмотря на такое большое количество запущенных спутников, реально сегодня их эксплуатируется не больше тысячи. Но где же находятся остальные?
Космический мусор в масштабном количестве впервые появился 29 июня 1961 года, через 77 минут после выхода на орбиту ступени американской космической ракеты-носителя весом около 750 кг. Более 200 её фрагментов разлетелись по орбитам высотой от 300 до 2200 км.
А сегодня на околоземных орбитах отслеживаются уже тонны фрагментов разнообразных разрушений в огромных количествах: размером от 10-15 сантиметров и больше - около 15 тысяч, сантиметровых, недоступных для постоянного контроля - несколько сот тысяч, а частичек миллиметрового размера - миллионы.
Причины разрушения спутников самые разные – самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии, столкновения.
Бывает, что и отработанные ступени ракет-носителей, которые по идее сразу должны падать на Землю в расчетное место после того, как выполнят свою задачу, годами летают вокруг Земли.
Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце пятидесятых годов.
Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 г., где особо отмечено, что проблема имеет международный, глобальный характер: нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны.
Основные этапы космической эры и ее загрязнения:
1. 1957 год: Запуск первого искусственного спутника Земли, Спутник-1, положил начало освоению космоса, но одновременно и образованию первого объекта космического мусора (после завершения миссии)
2. 1960-е годы: Активное развитие космических программ привело к запуску множества спутников и ракет-носителей. Отработанные ступени и неисправные аппараты начали скапливаться на орбите.
3. 1970-е годы: Появление первых свидетельств столкновений объектов в космосе. Осознание проблемы космического мусора начинает расти.
4. 1980-е годы: Разработка первых программ по мониторингу космического мусора.
5. 1990-е годы: Начало активного обсуждения проблемы на международном уровне. Разработка первых концепций по борьбе с космическим мусором.
6. 2000-е годы: Проблема усугубляется из-за увеличения количества запусков и нескольких крупных столкновений объектов в космосе (например, столкновение спутников Iridium 33 и Космос-2251 в 2009 году).
7. 2010-е годы - настоящее время: Продолжается работа над технологиями мониторинга и удаления космического мусора.
1.3 Причины образования космического мусора
Основная причина появления космического мусора – это человеческая деятельность в космосе. С начала космической эры мы оставили множество следов на орбите Земли, многие из которых превратились в опасные обломки.
Рассмотрим основные источники космического мусора:
1. Отработавшие ступени ракет-носителей: После вывода полезной нагрузки на орбиту, ступени ракет остаются в космосе и становятся мусором.
2. Неисправные спутники: Спутники могут выходить из строя по разным причинам (технические неполадки, истощение ресурса и т.д.), превращаясь в неконтролируемые объекты.
3. Фрагменты разрушенных аппаратов: Столкновения объектов в космосе, взрывы топливных баков и другие инциденты приводят к образованию множества обломков.
4. Инструменты и другие предметы, утерянные космонавтами: Во время выходов в открытый космос, инструменты и другие предметы могут быть утеряны и остаться на орбите.
Дополнительные факторы, влияющие на количество космического мусора:
1. Отсутствие международных норм и правил по утилизации космических аппаратов. Это приводит к тому, что многие спутники и ракеты остаются на орбите после завершения миссии.
2. Технические сложности и высокая стоимостьудаления космического мусора. Разработка и реализация эффективных методов очистки орбиты – сложная и дорогостоящая задача.
Рано или поздно любой объект в результате трения об остатки атмосферы затормозится, начнет падать на Землю и сгорит в верхних слоях атмосферы, но в зависимости от размера объекта и высоты орбиты срок существования отходов может составлять от нескольких месяцев до сотни лет.
Сейчас, когда в год осуществляются многие десятки запусков, околоземное пространство замусорено так, что это уже создает проблемы.
В настоящее время по разным оценкам в районе низких околоземных орбит вплоть до высот около 2000 км находится до 5000 тонн техногенных объектов.
На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода (поперечником более 1 см) достаточно неопределенно и может достигать 60 000 − 100 000. Из них только порядка 10 % (около 8600 объектов) обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами, из них только 6 % отслеживаемых объектов — действующие. Около 22 % объектов прекратили функционирование, 17 % представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, и около 55 % — отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации. Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким наклонением, плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с.
Вследствие огромного запаса кинетической энергии столкновение любого из этих объектов с действующим космическим летательным аппаратом может повредить его или даже вывести из строя. Примером может послужить первый случай столкновения искусственных спутников: Космос-2251 и Iridium 33, произошедший 10 февраля 2009 года. В результате оба спутника полностью разрушились, образовав свыше 600 обломков.
Эффективных мер защиты от объектов космического мусора размером более 1 см в поперечнике практически нет.
Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов.
Отчет НАСА выделил основных загрязнителей космоса.
На первом месте - Россия (совместно со странами СНГ), которой принадлежит свыше 5000 аппаратов и различных обломков.
США заняли второе место (4550 объектов).
Тройку лидеров замыкает Китай.
Космический мусор представляет серьезную угрозу для космических полетов, как пилотируемых, так и беспилотных.
1.4 Опасности, которые представляет за собой космический мусор
Космический мусор представляет серьезную угрозу для космических полетов, как пилотируемых, так и беспилотных.
Основные опасности:
1. Столкновения: Даже небольшие объекты, движущиеся с огромными скоростями, могут нанести критический ущерб космическим кораблям и спутникам.
2. Повреждение оборудования: Обломки могут повредить солнечные батареи, оптические приборы, системы связи и другие важные компоненты космических аппаратов.
3. Риск для жизни космонавтов: В случае столкновения с крупным объектом, экипаж космического корабля может быть подвергнут смертельной опасности.
4. Ограничение возможностей маневрирования: Для избежания столкновений, космическим аппаратам приходится совершать маневры уклонения, что расходует топливо и сокращает срок службы аппарата.
5. Увеличение стоимости миссий: Необходимость учитывать риск столкновения с космическим мусором приводит к усложнению и удорожанию космических миссий.
6. В течение последних 5-ти лет примерно раз в неделю происходит попадание в атмосферу объекта с площадью поперечного сечения около 1м2. Вхождение того или иного объекта в атмосферу связано не только с опасностью механического удара, но и с возможностью химического либо радиологического заражения окружающей среды.
Примеры влияния космического мусора:
• В 2013 году российский спутник "Блиц" был поврежден обломком китайского метеоспутника, запущенного в 2007 году.
• Во время выхода в открытый космос американский астронавт Джеймс Восс потерял подставку для закрепления ног на корпусе станции. Металлический предмет размером 15x30 см и весом около 7 кг улетел в пространство, но спустя несколько дней вернулся. Астронавтам пришлось включать двигатели, чтобы избежать столкновения.
• В 2009 году столкновение спутников Iridium 33 и Космос-2251 привело к образованию тысяч новых обломков..
Влияние космического мусора на космические полеты будет только усиливаться с ростом количества объектов на орбите. Для обеспечения безопасности будущих миссий необходимо разработать эффективные методы борьбы с этой проблемой.
Существующие и перспективные методы борьбы:
1. Лазер
Новое решение предложено китайскими учеными под руководством Цюань Вэня, исследователя из Инженерного университета ВВС Китая. В своей работе ученые провели численное моделирование, чтобы выяснить, способны ли орбитальные станции, оснащенные мощными пульсирующими лазерными установками, разрушить с их помощью другие спутники.
Планируется, что подобные станции смогут облучать обломки спутников размером более десяти сантиметров в течение двух минут со скоростью 20 импульсов в секунду. С помощью этого метода ученые надеются либо ускорять сход крупных обломков с орбиты, либо отклонять их с курса во избежание разрушительных столкновений. При этом ученые предполагают, что максимальное расстояние, на которое могут эффективно бить такие лазеры, не должно превышать двухсот километров.
2. Орбита захоронения
Для очистки космоса исследователи предлагают оборудовать отслужившие спутники и другие объекты небольшим двигателем для их вывода на орбиту, находящуюся на расстоянии более 35 тысяч километров от земли - орбиту захоронения. Объекты могут продолжать там свой полет и не возвращаются на прежнее «место проживания». Но здесь появляется проблема: для вывода спутника на эту орбиту необходимо дополнительное топливо, а это дорого. И еще надо учитывать тот момент, что под действием солнечной радиации и других эффектов орбита может меняться: как убежать от Земли, так и, наоборот, приблизиться, хотя и медленно. Орбита захоронения является решением только для относительно крупных объектов космического мусора.
3. Использование спутников
Продолжительность жизни спутников может быть продлена за счет обслуживания в космосе. В роли заправочных станций могут выступать такие системы, как DEOS - спутник-ремонтник, о возможном использовании которого дискутируют сейчас эксперты. При помощи манипулятора спутник DEOS должен захватывать дефектные спутники, и либо ремонтировать их, либо отгружать в более глубокие слои атмосферы, где они сгорают
4. Вольфрамовая пыль
Недавно ученые США предложили избавиться от мусора с помощью вольфрамовой пыли, рассеянной вокруг Земли в виде оболочки толщиной до 30 км. При этом облако вольфрамовой пыли должно будет тормозить мелкие обломки, очищая от них околоземное пространство.
5. Сети
Американская компания Star Tech по заказу исследовательского управления военного ведомства работает над системой, при помощи которой космический мусор отлавливается чем-то вроде сети. Вариантов использования сетей несколько. Можно создать большую электродинамическую сеть, которая будет замедлять куски мусора, из-за чего они гораздо быстрее будут падать на Землю, сгорая в атмосфере. Или сделать гигантскую сферу из сверхлёгкого пористого материала (аэрогеля), которая будет принимать на себя удары мелких частиц мусора и ловить их или, по крайней мере, замедлять.
6. Сгорание в космосе
Еще один способ избавления от космического мусора - направить опасные объекты в сторону Земли. На высоте от 600 до 800 километров над поверхностью Земли сопротивление воздуха увеличивается настолько, что продолжительность пребывания объектов на орбите значительно снижается. При входе в атмосферу их скорость снижается, и в результате они сгорают. Новые правила использования космоса будут предусматривать наличие на борту каждого искусственного спутника резервные запасы топлива, позволяющие по истечении срока его годности направить спутник к Земле или перевести его в специально отведенные для этого районы околоземных орбит. Кроме этого, разгонные блоки ракет обязаны снабжаться системами слива топлива, во избежание их последующего взрыва. Однако атмосфера Земли не всегда пригодна для сжигания мусора. Если обломки довольно большие, нет гарантии, что они полностью сгорят в атмосфере и не обрушатся на землю.
7. Мониторинг и предупреждение:
1) Создание глобальной системы слежения за космическим мусором.
2) Разработка методов прогнозирования столкновений.
3) Предупреждение владельцев космических аппаратов о потенциальных угрозах.
Проблемы и перспективы методов:
1) Технические сложности: Разработка и реализация методов удаления мусора – сложная и дорогостоящая задача.
2) Международное сотрудничество: Для эффективной борьбы с космическим мусором необходимо сотрудничество всех космических держав.
3) Правовые аспекты: Необходимо разработать международные нормы и правила по утилизации космических аппаратов и удалению мусора.
Несмотря на сложности, разработка и применение методов борьбы с космическим мусором – важная задача для обеспечения безопасности будущих космических миссий и устойчивого развития космической деятельности.
Автор: Х. Кристина