Космический мусор: чем он опасен для жителей Земли
Что такое космический мусор
Космический мусор представляет собой твердые отходы космической деятельности. Сюда относятся неработоспособные спутники, запущенные человеком за 60 лет освоения космоса, вторая и третья ступени ракета-носителя (первая обычно падает в Тихий океан), разгонные блоки и фрагменты спутников после взрыва или столкновений, например, фрагменты обшивки — так появляется космический мусор.
Ученые подсчитали, что сейчас в космосе находится почти 128 млн кусков космического мусора размером более 1 мм и 34 тыс. частиц размером более 10 см. Все, что меньше 1 мм подсчитать крайне трудно, некоторые ученые говорят о триллионах таких частиц. Около 3 тыс. спутников вышли из строя из-за мусора и сами превратились в космический мусор.
Астрономы могут отследить только крупные фрагменты, так как скорость частиц может доходить до 14 км/с (зависит от орбиты). Россия и США сейчас наблюдают за 23 тыс. космических объектов размером от 10 см, каталогизировано же и того меньше — 17 тыс. При этом 95% каталога космических объектов составляет космический мусор.
Проблемы и угрозы
Степень опасности космического мусора определяется в основном тремя факторами:
- как долго космический мусор находится на орбите;
- какова скорость движения;
- велика ли сложность утилизации космического мусора.
Главная проблема мусорного кризиса в космосе — выход из строя работающих спутников при столкновении с космическим мусором. Из-за больших скоростей опасность представляют даже частицы менее 1 см, они могут пробить противометеоритную защиту орбитальной станции. При столкновении с объектом более 10 см любой космический аппарат или станция гарантированно уничтожаются.
В мае 2016 года в Международную космическую станцию (МКС) влетела частица космического мусора размером в сотые доли миллиметра и оставила на МКС скол диаметром около 7 мм. Чтобы не допустить более разрушительных последствий МКС приходится регулярно менять свою орбиту, уворачиваясь от мусора.
Хоть мелкий мусор и не влечет за собой катастрофических последствий, однако его опасность заключается в гигантском объеме, неконтролируемом распределении в пространстве, огромной скорости и абсолютной непредсказуемости столкновений.
Сейчас около 99% потенциально опасных объектов вовсе не контролируется из-за их малых размеров и огромных скоростей.
Что такое синдром Кесслера и при чем он здесь
Ученые предполагают, что в какой-то момент мы больше не сможем выводить новые спутники на орбиты, так как они будут полностью заняты космическим мусором. Это может произойти из-за каскадного эффекта, который называется синдромом Кесслера:
стремительно растущий объем космического мусора будет производить другой мусор, а он, в свою очередь, по цепной реакции — новый мусор.
Общий характер каскадного эффекта такой же, как и у ядерной цепной реакции. Таким образом орбиты будут заняты, и человек больше не сможет запускать летательные аппараты по причине неконтролируемых столкновений.
Вероятность столкновений на любой орбите растет приблизительно пропорционально квадрату количества космических объектов. Есть ученые, которые считают, что каскадный эффект уже начался в некоторых орбитальных областях и для некоторых классов космического мусора (на высотах 900–1000 км и 1500 км).
Наиль Бахтигараев, старший научный сотрудник Института астрономии РАН:
«Где-то десять лет назад поднялся шум из-за эффекта Кесслера. Считалось, что он вот-вот начнется, но затем его отложили. Когда он все-таки начнется, зависит от уровня развития науки и технологий. Но даже если мы будем предпринимать технические мероприятия по уничтожению мусора, то этот момент все равно настанет. Сейчас мы лишь замедляем и отдаляем его»
10 февраля 2009 года на расстоянии 790 км над уровнем моря столкнулись два спутника: американский Iridium-33 и российский «Космос-2251». В результате летательные аппараты разлетелись на 600 осколков размером более 5 см и несколько тысяч более мелких.
Впрочем, на сегодняшний день столкновения работающих летательных аппаратов с космическим мусором на орбите происходят довольно редко благодаря работающим системам слежения. Существует другая проблема — взрывы старых спутников, на борту которых осталось топливо и отработанные аккумуляторы. Под различного рода воздействием они могут повреждать работающие спутники сильнее, чем обычные столкновения.
Утилизация космического мусора
Говорить о том, что космический мусор станет серьезной проблемой, начали еще в 1960-е годы, на заре освоения космоса. Но до сих пор не придумали реальной возможности массово удалять мусор с околоземных орбит. «Существуют программы по удалению космического мусора, но они единичные и не решают проблему. Удалить можно только крупный мусор, то есть более 20 см, с объектами менее 10 см возникают большие сложности», — говорит Бахтигараев из Института астрономии РАН.
Так как существующие технологии не способны избавить космос от мусора, то космические агентства начали уделять внимание профилактике. Для новых аппаратов предъявляют стандарты, например, на борту космических аппаратов закладывают ресурс, чтобы они могли уходить от столкновений с мусором. Также их снабжают броней, которая защищает космического мусора, но только от мелкого.
На сегодняшний день работающей технологией по утилизации космического мусора является увод старых спутников на соседние орбиты. Это можно сделать с помощью аппаратов-захватчиков, которые буксируют мусор на орбиты для захоронения. Также отработанные спутники могут сами уходить со своих мест на остатках топлива. Но массово эти методы не применяются.
Считается, что космический мусор не падает на Землю, но это не совсем так. Для отработанных крупных спутников и грузовых кораблей на Земле в Тихом океане существует свое кладбище, где их затапливают, так как они не сгорают в атмосфере. Это место расположено в южной части Тихого океана около точки Немо, самого удаленного от суши места на Земле. Над этим местом запрещено летать и проплывать кораблям. Так проблема космического мусора превращается в проблему земного мусора. С 1971 по 2016 года там захоронили минимум 260 аппаратов.
Сейчас перед астрофизиками стоит задача, как избавиться от мусора на геостационарной орбите или поясе Кларка. Она находится непосредственно над экватором Земли на расстоянии 35 786 км. Эта орбита очень привлекательна для запуска спутников, так как на ней летательные аппараты требуют меньше топлива и охватывают значительно больше поверхности Земли, чем на других орбитах. Однако количество точек стояния спутников на геостационарной орбите ограничено — их около 180. Помимо очистки геостационарной орбиты, важное значение имеет удаление космического мусора в окрестностях МКС, так как станция является дорогостоящей и очень уязвимой.
Космический мусор: карты и модели
Чтобы убедиться, что наша планета окружена мусором, не надо лететь в космос. Ученые смоделировали то, как выглядят околоземные орбиты. Один из таких сайтов — «Гид в мире космоса». Карта показывает соотношение работающих спутников к тем, которые уже стали мусором.
Видео от Европейского космического агентства демонстрирует, насколько много мусора находится вокруг Земли. В начале модель показывает обломки больше 1 м, а в самом конце — количество космических объектов от 1 мм:
Источник
Космический мусор: откуда берется и почему никуда не улетает
13.05.2019 Юрий Агарин Космос
Вокруг Земли со скоростью до 30 тыс. км/ч вращаются 1,25 млрд фрагментов космического мусора диаметром до 10 см.
Чем больше ракет и спутников запускают с Земли, тем выше вероятность, что скоро о покорении космоса придется забыть. Вокруг нашей планеты со скоростью до 30 тыс. км/ч вращается 1,25 млрд обломков и осколков. И с каждым годом их становится больше. Почему космический мусор может уничтожить космическую индустрию и что с этим делать.
Космический мусор: общая информация
Мусор на орбите – это совокупность нефункционирующих искусственных объектов и их фрагментов на околоземной орбите.
Спутник связи на орбите Земли
Самой используемой частью околоземного пространства являются диапазоны высот от 600 до 1 тыс. км – это так называемая низкая околоземная орбита (НОО).
На околоземная орбите находится самая большая часть космического мусора. Следующее скопление – геостационарная орбита, расположенная на высоте примерно 36 тыс. км над экваториальным поясом планеты. Третьей зоной «засорения» Вселенной являются солнечно-синхронные орбиты.
Объекты, попавшие в космос, не остаются там навсегда. На них воздействует космическое излучение, микрометеориты, другие фрагменты. Мусор постепенно теряет высоту и сгорает в плотных слоях атмосферы – каждые 10-11 лет перечень опасных обломков уменьшается на 200-300 пунктов.
Объем мусора на орбите
Определить точно, сколько нежелательных объектов летает на орбите, практически невозможно. Обломки постоянно сгорают в атмосфере, фрагментируются, космические аппараты регулярно выходят из строя, увеличивая количество мусора. Кроме того, отслеживать небольшие фрагменты сложно технически. Сегодня на орбите летает тысячи опасных объектов крупного размера и миллионы мелких фрагментов, а их общая масса составляет несколько тысяч тонн.
Согласно подсчетам Европейского космического агентства (на 2013 год), на орбите находились:
- 22 тыс. объектов более 10 см;
- 750 тыс. фрагментов более одного см;
- 160 млн частиц около 1 мм.
Похожие цифры были приведены в докладе, подготовленном учеными российского МГТУ им. Баумана в начале 2021 года.
Общая масса мусора в околоземном пространстве оценивается от 6 до 7,5 тыс. тонн.
Сколько на орбите космического мусора
Согласно недавнему исследованию NASA, крупные астероиды в последние 290 млн лет стали падать на Землю чаще, чем за предыдущие 700 млн лет. Но это всё равно происходит раз в миллион лет. Так что в американском космическом агентстве рекомендуют по этому поводу не беспокоиться.
Из-за чего беспокоиться стоит, так это из-за космического мусора, считают в госкорпорации «Роскосмос». Вместе с РАН в январе российское агентство начало работу над «национальной программой для исследования и создания методов противодействия угрозам из космоса». Главные угрозы — это кометы, астероиды и космический мусор. Именно он несет наибольший вред землянам, подчеркнули в компании.
В научно-исследовательском центре войск Воздушно-космических сил Минобороны России, подсчитали, что вокруг Земли вращается около 1,25 млрд частиц мелкого космического мусора размером от 1 мм до 10 см. Всё это — несгоревшие в атмосфере обломки спутников и космических кораблей.
Эта цифра — 1,25 млрд — приблизительная. Она получена исходя из закона сохранения массы с учетом того, что приблизительно 10% космических объектов сгорают в атмосфере.
У ARES, подразделения NASA, которое занимается проблемой космического мусора, оценки куда более скромные. По подсчетам американцев, вокруг Земли вращается 2,6 тыс. неработающих спутников, 10 тыс. объектов крупнее компьютерного монитора, 20 тыс. фрагментов мусора больше яблока, 500 тыс. — размером со стеклянный шарик и по крайней мере 100 млн фрагментов настолько мелких, что их невозможно засечь с Земли. Но это совершенно не значит, что в NASA относятся к проблеме с меньшей тревогой, чем в «Роскосмосе».
Основные источники засорения орбиты
Спутник-1 – первый в мире искусственный спутник Земли
В 1979 году американцы запустили первую программу по изучению космических аппаратов, находящихся в нерабочем состоянии. С тех пор это название «космический мусор» прикрепилось к рукотворным объектам, вращающимся вокруг Земли. Любопытна структура искусственных объектов, находящихся в непосредственной близости от нашей планеты:
- работающие аппараты – 6%;
- выведенные из эксплуатации КА – 22%;
- разгонные блоки и ступени РН – 17%;
- технологические элементы, отходы, сопутствующие запускам, фрагменты и обломки – 55%.
Мусор обладает неприятной особенностью: он способен воспроизводиться прямо на орбите. Крупные обломки фрагментируются и образуют миллионы мелких осколков.
Инженеры НАСА считают, что треть обломков на орбите – это следствие всего лишь 10 неудачных миссий.
Отработавшие спутники
Большинство космических аппаратов работает пять-десять лет, после чего их меняют на новые.
За пятьдесят лет было запущено более 6.5 тысяч спутников, из которых около 3.5 тысяч все еще вращается вокруг нашей планеты.
Сегодня сразу несколько компаний планируют покрыть планету доступным спутниковым интернетом. OneWeb для этого хочет вывести на НОО около 700 аппаратов, а SpaceX – более 12 тысяч.
Система спутников Starlink
Подобные проекты способны не только увеличить количество орбитального мусора, но и создают опасность столкновений работающих аппаратов. В начале сентября 2021 года европейский метеоспутник ADM-Aeolus чудом избежал столкновения с аппаратом Starlink от SpaceX.
Еще одной проблемой могут стать кубсаты – малые или сверхмалые спутники, ставшие особенно популярными в последнее десятилетие. Они немного весят и дешево стоят, поэтому их забрасывают на орбиту в виде дополнительного груза десятками штук. При этом они имеют малый срок жизни и практически неуправляемы.
Спутник формата CubeSat
Утилизация отработавших свой срок космических аппаратов происходит путем их спускания в атмосферу или вывода на орбиты захоронения. Крупные объекты затапливают в несудоходных районах Мирового океана. Для транспортировки аппарата на «мусорную» орбиту необходимо дополнительное горючее, а стоимость вывода в космос каждого лишнего килограмма – десятки тысячи долларов. А платить лишние деньги никто не хочет.
Проект «Вестфорд»
Одним из самых крупных единоразовых засорений космоса стал американский проект «Вестфорд», реализованный в начале 60-х годов. Военные хотели создать искусственную ионосферу для обеспечения надежной связи. Для этого на орбиту отправили почти половину миллиарда тонких медных иголок. Иглы работали всего несколько недель, после чего разлетелись, превратившись в мусор. Большая их часть быстро сгорела в атмосфере, но более 40 скоплений до сих пор кружит на орбите.
Ракетные блоки
На килограмм массы, выведенной в космос, приходится примерно пять килограмм дополнительной.
Последние ступени ракет-носителей возвращаются на Землю, а вот разгонные блоки остаются за пределами атмосферы. Обычно в них остается небольшое количество топлива (5-10%). Поэтому блоки часто взрываются, образуя сотни мелких осколков.
Отстыковка твердотопливных ракетных ускорителей
Другие источники
Космический мусор имеет разное происхождение. Есть вещи и инструменты, потерянные космонавтами. Значительная доля небольших частиц – это несгоревшие остатки твердого ракетного топлива и капли жидкого металла из ядерных установок. Еще одним источником являются испытания противоспутникового оружия: в 2007 году с помощью ракеты Китай сбил свой аппарат «Фэнъюнь-1C».
Куда девается космический мусор?
С низкой околоземной орбиты любой крупный объект спускается в атмосферу, где сгорает быстро и полностью — нам на голову даже пепел не падает.
А вот с маленькими кусочками дело обстоит сложнее. Несколько организаций США и России надежно отслеживают лишь космические аппараты и фрагменты мусора крупнее 10 см. Объекты с размерами от 1 до 10 см практически не поддаются счету.
С геостационарной орбиты устаревшие или прекратившие нормально функционировать спутники задвигают подальше, на высоту около 40 тысяч километров, чтобы освободить место для новых претендентов.
Так, за геостационаром, появилась орбита захоронения, где «умершие» спутники будут по инерции летать еще сотни лет.
Опасность космического мусора
Долгое время проблема засорения пространства вокруг нашей планеты казалась исключительно теоретической. Всерьез заниматься мусором в космосе стали только в 80-е годы прошлого столетия.
Угроза для работающих спутников
Наибольшую опасность обломки спутников и ракет представляют для работающих аппаратов. В космосе нет силы трения, и тела движутся по орбите планеты с огромной и постоянной скоростью.
Даже маленький осколок способен повредить большой аппарат, уничтожить спутник или убить космонавта.
Наихудший сценарий развития событий в конце 70-х годов описал американский инженер Дональд Кесслер. Согласно ему, бесконтрольное увеличение числа аппаратов в космосе может привести к каскадному эффекту. Взрыв или разрушение одного из них породит тысячи осколков, которые ударят по соседним объектам. Они, в свою очередь, станут источником новых обломков.
Пока вероятность столкновений не слишком высока, но неприятные инциденты уже случались:
- В 1996 году ИСЗ CERISE столкнулся с частью бака РН «Ариан-5».
- В 2006 году после столкновения из строя был выведен российский аппарат «Экспресс-АМ11».
- В 2009 году спутник Iridium налетел на неработающий российский ИСЗ «Космос-2251».
Повреждения от столкновений с мусорными частицами получали пилотируемые корабли. В 1983 году после возвращения шаттла Challenger в его иллюминаторе был обнаружен след от удара микрочастицы краски. В 1999 году МКС уклонилась от старого разгонного блока.
Угроза для Земли
Космический мусор опасен и для обитателей планеты, хотя угроза эта не слишком велика. Она может быть реальной в том случае, если на борту есть радиоактивные материалы:
- В 1964 году в атмосфере взорвался американский спутник с ядерной установкой.
- В 1976 году советский военный аппарат с ядерным реактором упал в северной части Канады.
По информации НАСА, каждый год несколько крупных фрагментов КА достигают поверхности Земли.
Проблема мусора на околоземном пространстве способна закрыть для человечества космос.
Если проблему не решить, то скопление мертвой техники сделает полеты невозможными. Человечеству придется забыть об использовании спутников – мы можем оказаться без связи, телевидения, прогнозов погоды и других полезных вещей.
Страны-рекордсмены по загрязнению космоса
До 2006 года неизменными рекордсменами являлись Российская Федерация Соединенные Штаты Америки. Затем присоединилась Поднебесная. В Китае проводился запуск противоспутниковой ракеты зимой 2006 года. После испытаний каталог пополнился на 2200 пунктов космического мусора.
Страны – источники загрязнения космоса:
- Россия – 32% от общего количества.
- Китай – 31%.
- США – 29%
- Другие страны – 8%.
С 1957 года человечеством отправлено «в полет» около 7000 тонн мусора.
Поиск и наблюдение за космическим мусором
Отслеживанием опасных космических объектов занимаются многие организации: NASA, EKA, обсерватории крупнейших университетов. Для этого используются радиолокационные станции и мощные телескопы, включая знаменитый «Хаббл».
В каталоге американской военной системы US Space Surveillance Network 23 тыс. объектов.
Изучается мусор и в космосе: в конце прошлого столетия на орбите работали спутники LDEF и EURECA.
В России для отслеживания и контроля небесных объектов используется военная система СПРН и сеть «гражданских» станций наблюдения. Существует центр предупреждения об опасных ситуациях в космосе (АСПОС), который располагает 36 телескопами. Они могут обнаружить объекты на высотах до 50 тыс. км. В каталоге системы СПРН 15,8 тыс. объектов.
Чем опасен космический мусор
По предварительным расчетам через 20-30 лет полностью засорится околоземная среда.
В чем опасность:
- Прекращение пилотируемых и непилотируемых полетов. Даже частицы диаметром 1 мм представляют большую угрозу. Скорость движения ее – до 7,2 км/сек. К примеру, в 1983 году мельчайшая частица после соприкосновения с «Шаттлом» оставила на его иллюминаторе серьезное повреждение.
- Падение на Землю. Не все детали сгорают по пути на нашу планету. Крупные и мелкие части падают на населенные пункты, производственные объекты, коммуникации. Отмечены случаи ранения людей мелкими частицами из космоса.
- С 1965 года на орбиту начали запускать аппараты, оснащенные ядерными реакторами. 15 спутников без связи с Землей остались на околоземной орбите и считаются космическими отходами. Упало на поверхность планеты 9 радиоактивных объектов.
- Засорение пустот Вселенной.
Мусор – серьезная проблема для околоземной орбиты. На МКС уже не один раз поднималась тревога по поводу пролетавших рядом огромных его скоплений.
Основные методы защиты космических аппаратов
Отследить траекторию мелкой мусорной частицы практически невозможно. Но от нее можно защититься с помощью специального экрана. Сегодня используются многослойные конструкции, состоящие из алюминия, керамики и полиамидных волокон. Более тяжелые фрагменты можно засечь с помощью телескопов или радаров, но от них аппаратам приходится уклоняться.
Международная космическая станция
У Международной космической станции есть условный защитный периметр: 1,5х50х50 км. Если траектория объекта проходит через него, то МКС выполняет маневр уклонения.
При высокой вероятности столкновения экипаж переводится в грузовой корабль, чтобы в случае аварии экстренно эвакуироваться.
Способы решения проблемы
Все существующие и перспективные пути решения проблемы космического мусора вокруг Земли можно разделить на две большие группы: профилактика и уборка.
К профилактическим мерам относят:
- снижение веса запускаемых аппаратов;
- усиление защиты;
- увеличение срока эксплуатации;
- обязательная утилизация КА;
- повышение маневренности.
Такие решения способны замедлить дальнейшее «замусоривание» пространства, но они не уберут объекты, уже находящиеся там. Сегодня проверенных и надежных средств борьбы с орбитальным мусором не существует. Ниже приведены проекты, над которыми работают ученые.
Лазеры
По замыслу инженеров, лазерный луч будет буквально испарять опасные объекты. Сейчас российские ученые ведут работы над созданием подобной системы для защиты МКС.
Гарпун и невод
Идея в том, чтобы захватывать нефункционирующие аппараты с помощью сверхпрочной сети или гарпунить их, а затем отправлять в плотные слои атмосферы. В начале 2021 года она была успешно испытана – британский аппарат RemoveDEBRIS сумел захватить фрагмент спутника.
Воздушные шары для мусора
Данный проект называется GOLD System. Большой и тонкий воздушный шар должен оборачивать фрагменты мусора, увеличивая их аэродинамическое сопротивление.
Буксир с солнечным парусом
Исследовательский центр Surrey Space Centre работает над космической системой уборки мусора с солнечным парусом. Аппарат HybridSail с помощью троса будет цеплять фрагменты, разворачивать парус и уводить их с орбиты.
Вольфрамовый веник на орбите
Идею придумал ученый Гурудас Гангули из США. Он предложил распылить на высоте 1,1 тыс. км облако из частиц вольфрама. По его расчетам, такой тяжелый и плотный металл будет медленно опускаться к Земле, попутно тормозя мелкие фрагменты мусора. Гангули полагает, что пыль не будет вредить работающим аппаратам. Для реализации проекта потребуется 20-25 лет.
Реактивный буксир-самоубийца
Для уборки орбитального мусора предлагают использовать аппараты-буксиры, заталкивающие опасные объекты в атмосферу. Предполагается, что при этом они и сами будут сходить с орбиты.
Источник