Космический мусор: откуда берется и почему никуда не улетает
За годы освоения космоса там скопилось много бесполезных предметов. Выпускница МГТУ им. Баумана по специальности «моделирование космических комплексов» Анна Ложкина объясняет происхождение этого мусора, откуда он берется и почему не падает нам на голову, рассказывает, что можно сделать для поддержания чистоты космического пространства.
Какие объекты вращаются вокруг нашей планеты?
В первую очередь это техника, запущенная людьми.
По низкой околоземной орбите, высотой от 160 до 2000 километров, двигаются аппараты дистанционного зондирования, межпланетная космическая станция (МКС).
На более удаленной, геостационарной орбите, ее высота примерно 36 тысяч километров над поверхностью планеты, “зависают” спутники прямого вещания телевизионных программ и различных систем связи.
На самом деле спутники двигаются с очень большой линейной и угловой скоростью, успевая за вращением Земли, поэтому каждый находится над своей точкой планеты — как бы висят над ней.
Помимо этого на орбитах находится различный “космический мусор”.
Откуда берется в космосе мусор, если там никто не живет?
Как и на Земле, в космосе мусор — дело рук человеческих. Это отработанные ступени ракет-носителей, обломки столкнувшихся или взорвавшихся спутников.
Количество аппаратов, отправленных в космическое пространство с 1957 года по настоящее время, перевалило за 15 тысяч. На низких орбитах уже становится тесно.
Часть техники устаревает — у некоторых аппаратов заканчивается топливо, у других выходит из строя оборудование. Такие спутники уже не поддаются управлению, а только отслеживанию.
Столкновение даже небольших объектов, движущихся с орбитальными скоростями под углом друг к другу, приводит к их значительному разрушению. Так жвачка, залетевшая на орбиту МКС, может пробить оболочку станции и погубить весь экипаж.
Подобный эффект — рост количества мусора на низкой околоземной орбите в результате столкновения объектов, называется синдромом Кесслера и потенциально может привести в будущем к полной невозможности использования космического пространства при запусках с Земли.
А как дела высоко-высоко, там, на геостационарной орбите? Она тоже густо заселена, места там стоят дорого и на них даже есть лист ожидания. Поэтому, как только подходит к концу срок эксплуатации аппарата, его выводят с геостационара, а на освободившуюся позицию летит следующий спутник.
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.
А что происходит с космическими кораблями?
Корабли, на которых люди отправлялись в космос, возвращаются на Землю, где доживают свой век в музеях или научных центрах.
Мусор, образующийся в процессе жизнедеятельности обитателей международной космической станции, точно в космос не попадет. Он тщательно собирается, грузится на транспортный корабль — тот, что привозит им все необходимое, и отправляется по направлению к Земле. Этот корабль на обратном пути почти полностью сгорает в атмосфере или затапливается в Тихом океане.
Мусор, как издержки запуска космических аппаратов
Сообщение по радио или с экранов телевидения о том, что “отделение первой ступени прошло в штатном режиме» звучит привычно для современного человека. По дороге к запланированной орбите ракета-носитель теряет и другие, ставшие ненужными, детали.
На 1 кг запущенной массы приходится минимум 5 кг вспомогательной. Что с ними происходит?
Баки первой ступени сразу “отлавливают” на Земле специально обученные люди. Вторая ступень и обтекатели тоже падают на Землю, но разлетаются намного дальше и найти их сложнее.
А вот разгонные блоки, которые используются при переходе с опорной орбиты на конечную, там наверху и остаются. Со временем они потихоньку сползают вниз, входят в атмосферу, где и сгорают.
В общем, все превращается в пыль и рассеивается в атмосфере. Разве что очень-очень большие и прочные куски долетают до нас. В 2001 году долетел кусок от станции МИР и упал в океан.
Утилизация космических аппаратов
Получается, что способы утилизации космических аппаратов — это топить в океане, запустить подальше, сжечь в атмосфере … Такой полностью безотходный метод.
Детали, найденные на Земле спасателями, перерабатывают или повторно используют.
К сожалению, переработать пока можно не все. Вытекший из упавшего двигателя гидразин отравит почву и воду далеко и надолго.
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.
Что можно сделать для уменьшения количества мусора в космосе
В последние годы перед человечеством остро встали проблемы поддержания чистоты космического пространства.
Есть несколько направлений, по которым ведутся исследования:
- Развитие микроспутниковой отрасли. Уже созданы спутники-коробочки — кубсаты и таблетсаты. При их запуске достигается существенная экономия на выводе, требуется меньше топлива, меньше лишнего попадает на орбиту. Правда, как догнать такой комочек, если что-то пойдет не так, пока неясно.
- Увеличение продолжительности жизни аппаратов. Первые спутники были рассчитаны на 5 лет, современные аппараты — на 15 лет.
- Повторное использование деталей. Самый большой прорыв в этом направление — возвратные ракеты-носители, над которыми уже работает Илон Маск.
Еще очень важно разобраться с тем, какие спутники действительно необходимы, более ответственно относиться к выбору запускаемых аппаратов.
В отдаленном будущем, надеемся, появятся пылесосы или другие приспособления, которые позволят делать косметическую и даже генеральную уборку космического пространства.
Мало ли что можно придумать, если поразмыслить, если задаться целью, сохранить чистый космос для будущих поколений.
Источник
Космический мусор собирается в «астероиды» и может угрожать Земле. Как с ним бороться?
NASA предупредило о приближении к Земле «астероида», состоящего из космического мусора. Рассказываем, из чего он состоит, насколько опасен и как мы собираемся бороться с проблемой космического мусора.
Что такое космический мусор?
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 являются опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые.
В некоторых случаях крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) 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 населенные пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации.
Проблема засорения околоземного космического пространства «космическим мусором» как чисто теоретическая возникла по существу сразу после запусков первых искусственных спутников Земли в конце 50-х годов.
Официальный статус на международном уровне она получила после доклада Генерального секретаря ООН под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду» 10 декабря 1993 года.
Из чего он состоит?
В настоящее время в районе низких околоземных орбит (НОО) вплоть до высот около 2 000 км находится, по разным оценкам, порядка 220 тыс. (300 тыс. по данным Управления ООН по вопросам космического пространства, октябрь 2009) техногенных объектов общей массой до 5 000 тонн.
На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число подобных объектов поперечником более 1 см достаточно неопределенно и может достигать 60–100 тыс.
Лишь небольшая их часть (порядка 10%) была обнаружена, отслеживается и внесена в каталоги с помощью наземных радиолокационных и оптических средств. Например, на 2013 год каталог Стратегического командования США содержал 16 600 объектов (в основном размером более 10 см), большая часть которых была создана СССР, США и Китаем.
Российский каталог, ГИАЦ АСПОС ОКП (ЦНИИмаш), содержал в августе 2014 года 15,8 тыс. объектов космического мусора, а всего на околоземных орбитах находилось более 17,1 тыс. объектов (включая действующие спутники), столкновение с любым из которых приведет к полному разрушению КА.
Около 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 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.
Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего используются для работы космических аппаратов. Это НОО, геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО).
Чем опасен космический мусор?
Крупные объекты, находящиеся на низких околоземных орбитах, постепенно замедляются и через какое-то время входят в атмосферу. Некоторые их фрагменты достигают поверхности планеты. Небольшие объекты космического мусора попадают в плотные слои атмосферы практически ежедневно, более крупные — несколько раз в месяц. По данным Nicholas Johnson (НАСА), почти ежегодно отдельные фрагменты спутников или ракет достигают поверхности.
13 ноября 2015 года произошло падение одного из фрагментов ракеты, ранее участвовавшей в лунной программе. Фрагмент размером 1–2 м и плотностью 0,1 г/см³ вошел в атмосферу в районе Индийского океана примерно в 60 км от побережья Шри-Ланки.
По некоторым мнениям, это был первый зафиксированный случай возвращения на Землю космического мусора с высокой эллиптической орбиты, апогей которой примерно в 2 раза превышает расстояние от Луны до Земли. Объект WT1190F 13 ноября вошел в атмосферу Земли, где благополучно сгорел.
По словам ученых, к Земле движется небесное тело, имеющее земное происхождение. Ученые национального космического ведомства США отмечают, что небесное тело искусственного происхождения приблизится к Земле на расстояние, равное 10% дистанции от Земли до Луны. Об этом стало известно в начале февраля 2021 года.
Национальное аэрокосмическое агентство США признало в «астероиде» обломок ракеты-носителя Centaur миссии Surveyor 2. Космический мусор стал искусственным спутником нашей планеты, попав в ловушку гравитации. Ученые, проведя моделирование, выяснили, что обломок ракеты в скором времени покинет орбиту Земли, совершив экстремально близкое приближение.
Стоит отметить, что искусственный астероид достаточно давно летает в космосе, так как Surveyor 2 был запущен в 1966 году. Ученым еще предстоит выяснить, действительно ли это так.
Методы уборки и уничтожения космического мусора
Эффективных практических мер по уничтожению космического мусора на орбитах более 600 км (где не сказывается очищающий эффект от торможения об атмосферу) на настоящем уровне технического развития человечества пока не разработано.
Также рассматривались проекты спутников, испаряющих обломки мощным лазерным лучом или меняющих их орбиту ионными пучками, которые должны тормозить обломки для их входа в атмосферу с частичным или полным сгоранием в ней или, в случае аппаратов на геостационарной орбите, уводить их на орбиту захоронения, или наземные лазеры (Laser broom), либо аппарат, который будет собирать мусор для его дальнейшей переработки.
Вместе с тем актуальность задачи обеспечения безопасности космических полетов в условиях техногенного загрязнения околоземного космического пространства (ОКП) и снижения опасности для объектов на Земле при неконтролируемом вхождении космических объектов в плотные слои атмосферы и их падении на Землю стремительно растет.
Международное сотрудничество по решению проблемы «космического мусора» развивается по следующим приоритетным направлениям:
- Экологический мониторинг ОКП, включая область геостационарной орбиты (ГСО): наблюдение за «космическим мусором» и ведение каталога объектов «космического мусора».
- Математическое моделирование «космического мусора» и создание международных информационных систем для прогноза засоренности ОКП и ее опасности для космических полетов, а также информационного сопровождения событий опасного сближения КО и их неконтролируемого входа в плотные слои атмосферы.
- Разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия высокоскоростных частиц «космического мусора».
- Разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности ОКП.
Поиск и отслеживание космического мусора
Существует множество инструментов контроля околоземных орбит с целью поиска объектов на ней. Их можно разделить на радиолокационные и оптические.
Обнаружение орбитальных объектов может быть также дополнительной функцией универсальных инструментов исследования космического пространства или оборонных систем. Существует ряд специализированных инструментов.
В СССР и США были созданы мощные инструменты отслеживания космического пространства. Также ряд специализированных инструментов существует в Европе и других странах.
Работает ряд национальных программ отслеживания околоземных объектов и борьбы с космическим мусором. Для координации их деятельности создано Inter-Agency Space Debris Coordination Committee.
Небольшое, но потенциально полезное нововведение могло бы помочь очистить небо от космического мусора: оно позволит крошечным спутникам дешево и легко самоуничтожиться в конце своей миссии.
В технологии используется новое топливо — йод — в электрическом двигателе, который контролирует высоту спутника над Землей. Йод дешевле и использует более простые технологии, чем традиционные виды топлива. В отличие от многих традиционных ракетных топлив, йод нетоксичен и остается твердым при комнатной температуре и давлении. Это упрощает и удешевляет работу на Земле.
При нагревании он превращается в газ, не проходя через жидкую фазу, что делает его идеальным для простой двигательной установки. Кроме того, он плотнее традиционного топлива, поэтому на борту спутника занимает меньшие объемы.
Российские ученые предложили очистить низкую околоземную орбиту Земли с помощью космического корабля. На его борту предусмотрены особые модули с двигателями.
Эти модули будут прикрепляться к объектам космического мусора и отодвигать их. Что касается геостационарной орбиты, предпочтительным способом ее очистки был бы буксирующий космический корабль, считают ученые.
Его задача — транспортировать объекты космического мусора на «орбиту уничтожения» (высотой в 600 км, где объекты постепенно уничтожаются от торможения об атмосферу).
Космический корабль-сборщик, предложенный командой для очистки околоземных орбит, имеет длину 11,5 м, диаметр 3 м и вес чуть более 4 тонн. Такой коллектор может нести от 8 до 12 модулей с двигателями на борту.
Для перемещения ступеней легкового корабля потребуется от 50 до 70 кг топлива, для перевозки ступени «Зенит-2» массой 9 тонн — около 350. Общий вес такого сборщика на старте составит от 8 до 12 тонн.
Современные ускорители могут легко вывести такой груз на любую орбиту высотой до 1000 км. После того, как в коллекторе закончатся модули, он присоединится к последней ступени бустера, переместится с ним в верхний слой атмосферы и сгорит.
- Японский стартап для очистки мусора
Японский стартап планирует запуск устройств, которые с марта 2021 года будут находить и устранять космический мусор. Если все пройдет успешно, то они отправят полноценную миссию.
Японский стартап Astroscale отправил свой космический аппарат ELSA-d на космодром Байконур в Казахстане. Там инженеры интегрируют его с ракетой «Союз», запуск которого запланирован на март 2021 года.
В компании отметили, что это важнейший полет для них, поскольку это первая демонстрация технологий компании по борьбе с мусором — одной из важнейших проблем в области обеспечения устойчивости космической деятельности.
Малоразмерное устройство продемонстрирует ключевые технологии: прицеливание, которое поможет определять местонахождение мусора с помощью датчика прицеливания на основе GPS.
Эти данные будут использоваться так называемым «сервисным» спутником, который может перехватить кусок космического мусора.
Источник