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: весь ли ближайший космос уже загажен?
Мусор – глобальная проблема человечества. Арктика, океаны и даже вершина Эвереста страдают от огромного количества мусора – просто потому, что уборка стоит очень дорого. Когда Земля оказалась вся загажена, люди с упорством принялись делать то же самое и на орбите. И можно быть уверенным, что при освоении Солнечной системы сценарий сильно не поменяется.
Что мы понимаем под космическим мусором? Это все искусственные объекты, а также их обломки, которые находятся на орбите, но уже не представляют никакой ценности – либо вследствие истечения срока службы, либо из-за поломок. Этот мусор представляет довольно серьезную опасность для действующих космических объектов, а также и для земной поверхности (в случае неполного сгорания в атмосфере при сходе с орбиты).
Проблема космического мусора возникла далеко не вчера. Теоретически первым космическим мусором являлся первый спутник Земли, запущенный в 1957 году и переставший работать через три недели. Сегодня же на разных орбитах находится, по предварительным оценкам, до 300 тысяч объектов , а их общий вес достигает 5000 тонн . И только 6% этих объектов – действующие, а остальные являются мусором. Из стран наибольшее вклад в засорение космического пространства вносят США, Россия и Китай.
И если вы считаете, что в фильме «Гравитация» сюжет нереален (когда космический мусор привел экипаж к катастрофическим последствиям), то вот вам пример. В 2009 году произошло первое в истории столкновение спутников – российского военного «Космос-2251» и международного «Иридиум 33».
В результате столкновения оба спутника разрушились. И вместо двух объектов по орбите на высокой скорости стали бесконтрольно летать свыше 600 обломков, представляющих угрозу другим космическим аппаратам. И к сожалению, какой-либо защиты от обломков больше сантиметровой величины пока не существует.
Можно ли как-то бороться с космическим мусором? Сегодня различные международные организации пытаются это делать. По крайней мере, проводится постоянный мониторинг и учет всех объектов, находящихся вокруг Земли. Но экономически оправданных методов очистки космического пространства пока не существует. То есть, пока очистка околоземной орбиты происходит естественным путем – постепенным снижением объектов и их сгоранием в атмосфере. К сожалению, это происходит медленней, чем в космос запускаются новые спутники и корабли.
Что произойдет, если в космосе начнут функционировать системы глобального интернета типа OneWeb и Starlink с их тысячами спутников – сложно предположить. Ясно одно – пока не выработано никаких механизмов очистки околоземного пространства, и проблема космического мусора в ближайшие годы решена, увы, не будет.
Источник
Космический мусор: вокруг Земли летают тысячи опасных объектов
В пятницу, 1 марта 2019 года, первые шесть британских спутников системы глобального интернета OneWeb были успешно выведены на расчетную орбиту при помощи российской ракеты «Союз» с разгонным блоком «Фрегат», запущенной с космодрома Европейского космического агентства Куру во французской Гвиане. Всего же предполагается создать группировку из более чем 700 космических аппаратов. Это достаточно много — ведь по состоянию на лето 2018 года, всего вокруг Земли летал 1071 только рабочих спутников, без учета «орбитальных мертвецов». А тут сразу 700 дополнительных. «Известия» выясняли, не приведет ли это к замусориванию космического пространства и не усилит ли опасность столкновения на околоземной орбите.
Современная ситуация
Вокруг нашей планеты, на орбите находится огромное количество частиц космических аппаратов и ступеней ракет. Уже сейчас они представляют угрозу для орбитальных станций. Например, в мае 2016 года очень маленький осколок, размером всего в десятые или даже сотые доли миллиметра, оставил на стекле Международной космической станции скол диаметром около семи мм.
Международная космическая станция
Всему виной огромная скорость Международной космической станции, преодолевающей на орбите более 7,7 км в секунду. На таких скоростях при столкновении опасны объекты практически любого размера.
Если МКС столкнется с всего лишь с 10-сантиметровым фрагментом мусора, это уже, скорее всего, станет фатальным для международной орбитальной программы.
Сколько же уже осколков различного размера находится на низкой околоземной орбите? По расчетам Европейского космического агентства, более 29 000 частиц более 10 см. Каждая из них при столкновении гарантированно уничтожит любой космический аппарат или орбитальную станцию. Практически все такие куски мусора учитываются, и за ними ведется самое пристальное наблюдение с Земли. Кстати, в эту категорию вошли и отработавшие свое спутники и ступени ракет-носителей, использованных при выводе космических аппаратов.
К слову, советский первый спутник ПС-1 сошел с орбиты и сгорел в плотных слоях атмосферы уже спустя 92 дня после запуска. Первый американский спутник «Эксплорер», запущенный спустя несколько месяцев, провисел на орбите до 1970 года. А вот американский спутник «Авангард-1», начавший работу в марте 1958 года, до сих пор находится в космосе за счет своей высокой эллиптической орбиты (от 650 до 3800 км от Земли). По подсчетам ученых, он будет находиться там еще несколько сотен или даже тысяч лет. Вполне возможно, одной из первых миссий по очистке земной орбиты станет попытка забрать «Авангард-1» с орбиты и доставить его в музей.
Частиц от одного до 10 см гораздо больше. Европейские ученые оценивают их количество примерно в 670 000 единиц. Звучит ужасно, но на самом деле всё не так и плохо. Если все эти куски мусора равномерно распределить по поверхности Земли, то получится, что на один кусок придется примерно 76 кв. км площади. Соответственно в Москве, в пределах МКАД, будет лежать 11–12 кусочков размерами от одного до 10 см. А космос гораздо больше.
Следить за частицами такого размера с Земли пока нереально — нет требуемых технологий и сил. Но каждая из них при столкновении способна разрушить спутник и нанести очень серьезные повреждения Международной космической станции.
Но кроме таких больших частиц, есть и гораздо меньшие, но от того не менее опасные. Частиц размером от 1 мм до 1 см более 17 миллионов, и все они имеют искусственное происхождение. Такие частицы могут при неудачном столкновении вырубить космический аппарат и даже пробить противометеоритную защиту орбитальной станции. Пробоину можно будет заделать, но это всё еще очень и очень опасно.
Чей мусор
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.
Проволочные иголочки были очень тонкими, они имели в длину всего 1,78 см при толщине около 20 мкм. На изготовление полумиллиарда таких проволочек потребовалось всего около 20 кг меди. В результате третьего, успешного запуска вокруг Земли на высоте 3500 км было образовано кольцо, своеобразный «бублик» толщиной около 30 км.
Объект из музея проекта «Вестфорд»
Каждая проволочка в этом «бублике» работала как дипольная антенна. Уже на четвертый день после запуска американские военные провели сеанс связи между военными базами в Калифорнии и Массачусетсе. Космическая искусственная ионосфера обеспечивала прием и передачу данных на скорости около 20 килобит в секунду, что примерно равно мощности модема в 1990-х годах.
Однако уже спустя несколько недель иголочки стали разлетаться друг от друга, и качество связи стало падать. Во многом из-за этого от проекта отказались и закрыли. По словам военных, большинство правильно направленных кусков проволоки в течение 10 лет вернулись на Землю и сгорели в плотных слоях атмосферы. Однако точных данных, сколько вернулось, а сколько остается на орбите, нет.
Таким образом человечество устроило одно из самых серьезных загрязнений орбитального пространства. К счастью, большинство из них сбились в отдельные скопления, за которыми ведется наблюдение с Земли. В настоящее время насчитывается 46 таких скоплений, но технологий, чтобы убрать их с орбиты, тоже пока нет.
Стоит отметить, что американцам удалось убедить много стран в безопасности этого проекта. Советский Союз выступал против, но сделать было уже ничего нельзя.
Всё больше и больше
Американский эксперимент хотя бы был единичным случаем. А вот космические аппараты человечество продолжает запускать с завидной регулярностью, причем в последние годы количество спутников начало стремительно увеличиваться, хоть их размеры и уменьшились. Хуже всего, что запуски производятся в достаточно узких рамках нескольких удобных человечеству орбит. Поэтому космические аппараты сосредоточены в относительно небольших частях пространства.
«Космос-2251» — российский военный спутник связи типа «Стрела-2М», который вышел из управления и 10 февраля 2009 года столкнулся с рабочим американским спутником Iridium-33
В 1978 году научный консультант NASA Дональд Кесслер, глядя на стремительно увеличивающееся количество космических аппаратов на орбите, сделал один очень неприятный для человечества прогноз. Он предположил, что в какой-то момент спутников на орбите станет так много, что начнут случаться неконтролируемые столкновения, которые приведут к эффекту домино. Что он имел в виду? За счет огромных скоростей спутники на орбите при столкновении образуют огромное количество осколков, разлетающихся в разные стороны. При этом часть этих осколков может найти себе следующую «жертву» и. дальше, дальше, дальше, дальше.
И да, первое столкновение на орбите уже случилось в 2009 году. Главным действующим лицом стал «Космос-2251» — российский военный спутник связи типа «Стрела-2М». Он был запущен в 1993 году и проработал на орбите всего пару лет. Затем его система маневрирования вышла из строя, военные попереживали, но ничего не смогли поделать, списали его и забыли.
А спутник полетел дальше по космосу искать себе друзей. И 10 февраля 2009 года, на высоте около 790 км над уровнем моря, он встретился с рабочим американским спутником Iridium-33 (на Западе бытует версия, что «Космос-2251» был вполне рабочим боевым аппаратом, но применение противоспутникового оружия в 2009 году кажется маловероятным. — Прим. ред.).
Результатом такой встречи стали примерно 600 осколков размером более пяти сантиметров и несколько тысяч более мелких. Предсказанного Кесслером эффекта домино, к счастью, не произошло — очевидно, спутников на орбите для такого процесса всё еще недостаточно. Однако образовавшееся облако осколков повышает шансы на повторение ситуации. И чем дальше, тем больше будет подобных столкновений, просто по закону больших чисел.
Спутники постепенно выходят из строя (всего на орбите более 2000 нерабочих аппаратов), их никто не убирает, и уже недалек тот час, когда всё происходящее станет просто огромной проблемой для всей мировой космонавтики.
Глубокая обеспокоенность
Понятно, что данная ситуация беспокоит практически все занимающиеся запусками космических аппаратов страны. На конференциях и круглых столах, посвященных проблемам мировой космонавтики, эта тема всплывает постоянно. Но вот тратить серьезные деньги на решение проблемы пока никто не собирается. Именно поэтому большинство современных проектов по созданию космических аппаратов для орбитальной уборки либо так и находятся на стадии проектов, либо тянут не более чем на студенческие разработки. Увы, но на деле пока ни одна мировая держава не начала всерьез бороться с проблемой орбитального мусора.
А кто же из стран внес наибольший вклад в замусоривание орбиты Земли? На первом месте по количеству космического мусора находятся США. Совсем немного от них отстает Россия (3961 против 3999 крупных объектов), но по общему количеству объектов на земной орбите (с учетом ступеней ракет и действующих спутников) Россия удерживает первое место (6515 у России и 6211 у США). На третьем месте по количеству мусора находится Китай (3475 объектов).
Максимум, что было сделано, — организовано наблюдение за космическими аппаратами и серьезными кусками мусора на орбите.
У каждой страны ведется свой каталог, учитывающий наиболее заметные проблемы загрязнения. Например, есть российский каталог АСПОС ОКП (автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве), ведущийся главным информационно-аналитическим центром ЦНИИМаш. По состоянию на 2014 год в нем содержалась информация уже о более чем 15,8 тыс. единиц объектов космического мусора. Также наблюдения за мусором на орбите ведут и Соединенные Штаты Америки.
Модель аппарата CleanSpace One
А что же с очисткой орбиты? Какие космические аппараты уже готовы к уборке? Пока никакие. Ближе всего, как это ни странно, к запуску своего космического уборщика Швейцария. Казалось бы, у этой страны всего один спутник на орбите, да и тот уже не работает. Но, как сказал швейцарский премьер-министр, «Швейцария очень любит чистоту». А потому уже в ближайшее время должен быть запущен на орбиту аппарат ClеanSpace One, основной задачей которого станет уборка швейцарского неработающего спутника.
К сожалению, аппарат одноразовый, а потому на ситуацию с мусором существенного влияния это не окажет.
У США есть достаточное количество идей и разработок для уборки космического мусора, но пока ни одна из них не превратилась в реальный космический аппарат. Среди вариантов и идей есть, например, специальная мелкоячеистая сеть, накидываемая на скопления космического мусора, чтобы затем направить его в сторону Земли. Иногда достаточно просто двинуть объект по направлению к поверхности планеты, а дальше всё дело сделает сила притяжения.
Есть вариант уборки мусора с орбиты при помощи лазера. Предполагается, что лазерный импульс, испаряя часть объекта, заставит его сдвинуться с места, что сильно уменьшит общее время пребывания мусора на орбите. Этот проект называется Laser Broom («Лазерная метла»), но и он в настоящее время не ушел дальше разработок.
Совсем недавно, в феврале 2019 года, британский зонд RemoveDebris впервые провел испытания орбитального гарпуна. Находясь на орбите, зонд успешно выстрелил гарпуном в мишень (впрочем, не найденную там же в космосе, а привезенную «с собой» и вынесенную на штанге на 1,5 м), пробил обломок, а затем смог его притянуть с помощью троса. Затем аппарат отправится потихоньку к Земле, а затем сгорит в плотных слоях атмосферы. Это, конечно, тоже серьезное продвижение вперед, но до настоящей уборки на орбите еще очень и очень далеко. Пока человечество радуют такие одиночные успехи, огромное количество обломков продолжает висеть в космосе.
Так что же со спутниками OneWeb, сильно ли они загрязнят орбиту? На самом деле не очень.
По сравнению с той проблемой, что в настоящее время уже «висит» над нашими головами, еще 700 спутников, тем более с достаточно длительным сроком активной службы, погоды не сделают. Более того, такой массовый вывод космических аппаратов — это скорее показатель технических возможностей современной космонавтики, а значит, и вывода будущих «космических уборщиков».
Пока же мы можем следить за выводом всё новых спутников и ждать, когда же вся планета будет покрыта доступом в сеть интернет. Осталось совсем недолго, а мусор, даже космический, пока подождет.
Источник