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
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Проекты орбитального управляемого солнца-отражателя: от России до Китая
Уже в ноябре этого года Илон Маск запустит на низкую околоземную орбиту Орбитальный отражатель, который жители разных стран смогут наблюдать в небе невооружённым взглядом. Возможно, этот проект дал вдохновение властям южнокитайского города Чэнду, которые в 2020 году планируют запустить собственный «отражатель». Только их спутник имеет конкретное практическое назначение. Он зависнет над конкретным городом и будет бросать на Землю пятно солнечного света диаметром 10−80 километров. Таким образом, стационарный космический отражатель станет заменой ночному уличному освещению, на которое уходит немалая часть городского бюджета. Возможно, спутник даже обойдётся дешевле.
Чэнду — город с населением 11,05 млн человек, это один из крупнейших городов в Китае по численности населения. Можно представить, что на освещение городских улиц в тёмное время суток уходит немалая сумма, так что спутник вполне могут рассматривать как возможность сэкономить.
Согласно Википедии, площадь города Чэнду составляет 12 390 км², что соответствует окружности с диаметром примерно 125 км. То есть даже при максимальном желании собственный спутник-отражатель не осветит всю территорию города целиком. Очевидно, предполагается освещать только центр.
People’s Daily пишет, что идею запуска собственной «искусственной Луны» озвучил Ву Чуньфэн (Wu Chunfeng), председатель Научно-исследовательского института аэрокосмических наук и технологий систем микроэлектроники в Чэнду (Chengdu Aerospace Science and Technology Microelectronics System Research Institute) в выступлении на конференции по всеобщим национальным инновациям и предпринимательской активности.
Спутник освещения сконструирован так, чтобы дополнить или даже заменить естественную Луну ночью. Яркость «искусственной Луны» предусмотрена в восемь раз больше, чем реальной. Она будет достаточно яркой, чтобы заменить уличные фонари освещения.
При общем диаметре от 10 до 80 километров точные границы светового пятна можно будет регулировать в пределах нескольких десятков метров, сдвигая его в ту или другую сторону в случае необходимости.
Китайские инженеры говорят, что идею искусственной Луны позаимствовали вовсе не у Илона Маска, а у некоего французского художника, который представлял себе подвешенное над землей ожерелье из зеркал, которое может круглый год отражать солнечный свет, освещая улицы Парижа.
Тестирование спутника освещения началось несколько лет назад, а теперь технология, наконец, созрела для коммерческого использования, сказал Ву Чуньфэн.
Идея вполне разумная, хотя некоторые скептики выражают обеспокоенность по поводу того, что постоянно присутствующий в небе отражённый свет может оказывать неблагоприятное воздействие на повседневную жизнь некоторых животных и астрономические наблюдения. Но нужно понимать, что жители мегаполисов и так живут в условиях постоянного освещения и шума, который не прекращается круглые сутки, так что для них такие условия проживания вполне привычны. «Искусственная Луна» не привносит здесь ничего нового, просто способ освещения несколько изменяется.
Директор Института оптики Аэрокосмической школы Харбинского технологического института Кан Вейминь (Kang Weimin) добавил, что свет со спутника будет не очень ярким, а скорее похож на освещение в сумерках, так что он не должен повлиять на нормальную активность животных или биоритмы людей.
Зеркала в норвежском Рьюкане
Эта идея чем-то напоминает проект в норвежском городе Рьюкан, где зеркала в горах отслеживают направление на Солнце и постоянно отражают свет на центральную городскую площадь.
А вообще, ещё в 90-е годы впервые в мире солнечный отражатель запустили на орбиту российские специалисты в рамках программы космических экспериментов «Знамя». К сожалению, эта многообещающая интересная программа была закрыта. Роскосмос прекратил её после неудачи эксперимента «Знамя 2.5»: 4 февраля 1999 г. в начале раскрытия оболочка зеркала зацепилась за антенну. Космический корабль «Прогресс М-40» спустили с орбиты и затопили в океане.
Орбитальные отражатели России
Наша страна велика и широка, что есть, то есть. Вот только далеко не малая ее часть находится в северных и полярных районах нашей планеты, которые не очень комфортны для проживания человека. Человека как вида, появившегося и сформировавшегося намного южнее.
Как говорят жители, проживающие в этих районах, особенно тяжело переносится не столько тяжелый климат и лютый холод этих мест, сколько темнота и психологический прессинг полярной ночи. Ночи, которая длится до нескольких месяцев кряду.
Советскими ученными было предложено решение этой проблемы. И вот, что получилось!
Программа космических экспериментов «Знамя» — серия экспериментов по работе космическими зеркалами, то есть специальными отражателями, которые отражают солнечный свет и освещают земную поверхность.
Декларируемая цель была создать “искусственное Солнце” – это освещение ограниченных по размерам территорий (порядка 20 кв.км, т.е. масштаба города). Целевой потребитель: полярные районы , цель – имитация естественной смены дня и ночи и зоны ЧС, там планировалось на время работ создавать круглосуточное освещение.
Земля непрерывно получает около 2×10 14 кВт солнечной энергии. Человек для своих потребностей осваивает все новые и новые источники энергии, но достигнутый им на сегодняшний день уровень ее потребления составляет лишь 0,005% приходящей от Солнца. Ближайшее же к Земле космическое пространство пропускает через себя несоизмеримо большее количество энергии. Так, в границах 4-часовой круговой орбиты (высотой 6400 км) эта величина втрое, а в пределах геостационарной орбиты в 45 раз превышает величину энергии, падающей на Землю.
Идеи о том, как использовать эту энергию, появлялись еще до начала космической эры, а с развитием ракетной и космической техники эти проекты стали разрабатываться с уже гораздо большей степенью детальности.
Практические попытки утилизации бесполезно убегающих гигаватт начались с появлением первых солнечных батарей на борту космических аппаратов. Однако эффективность такого преобразования солнечной энергии очень низка, даже если она преобразуется на самом КА и не передается на Землю. Например, солнечные батареи станции «Мир» мощностью 10 кВт окупят энергетические затраты на их запуск только через 100 лет работы! Очевидно, что нужны другие, с энергетической точки зрения более эффективные конструкции.
Принципиально наиболее эффективной будет непосредственная, без промежуточного преобразования, передача световой энергии на Землю. С помощью космических рефлекторов (КР) она будет направляться в нужную область земного шара в заданный момент времени. Она может использоваться непосредственно (для освещения, фотосинтеза и т. п.) или преобразовываться в другие виды (электрическую, тепловую).
В зависимости от стоящей задачи могут потребоваться различные уровни освещенности. Наименьшие требования предъявляются к системам подсветки для создания общего невысокого уровня освещенности в темное время суток, поэтому такая задача кажется наиболее очевидной и простой в реализации и именно с нее логично начать всю практическую работу с тем, чтобы, во-первых, освоить новую технологию, а во-вторых, получить первые наглядные результаты. Какими же должны быть КР для решения подобной задачи? Исследования позволили рассчитать размеры космических отражателей в зависимости от их высоты над Землей и расчетного уровня освещенности.
Если технологические задачи будут решены, то реальными становятся три направления работ:
- создание одиночного рефлектора;
- объединение рефлекторов в систему, обеспечивающую освещение районов, расположенных вдоль выбранных трасс;
- конечная цель программы — развертывание глобальной системы КР.
Успешное выполнение эксперимента «Знамя» стало первым шагом к реализации этой программы. Вторым может стать новый проект «Третье светило».
Освещение из космоса –”Третье светило”
Свет из космоса: Эту программу предложили еще в рамках проекта Колумбус-500, когда обнаружили, что солнечный парус – это почти идеальный рефлектор. Намного раньше идею использовать космические зеркала для освещения Земли выдвинули корифеи космонавтики Ф.Цандер и Г.Оберт. К.Эрике блестяще разработал этот принцип в своих трудах.
Систему космического освещения можно сконфигурировать, используя солнечный корабль в качестве основного компонента. Система будет состоять из нескольких группировок космических рефлекторов. Каждая группировка может обслуживать целый ряд больших и средних городов. Особенно эффективным представляется использовать рефлекторы для освещения заполярных и субполярных районов в зимний период полярных ночей. Эта система может оказаться незаменимой при ликвидации последствий катастроф, стихийных бедствий или наводнений.
Следующие основные параметры представляются в настоящее время подходящим для ближайшего будущего:
- Диаметр рефлектора 200 м,
- Высота круговой орбиты 1.5 – 4.5 км,
- Диаметр светового пятна 15-45 км,
- Яркость отраженного света 10-100 лунетт,
- Число отражателей в экспериментальной группировке – 12,
- Группировка может в среднем освещать 5 городов.
Оценка окупаемости. Предварительные оценки, основанные на сокращении расходов по освещению больших городов, показывают, что вводимая в эксплуатацию система космического освещения может окупиться в течение 3-5 лет. Расходы могут также покрываться за счет использования системы для оказания помощи при стихийных бедствиях и катастрофах.
По своей конструкции орбитальные отражатели могут быть трёх видов: надувные, отражатели с жёстким стержневым каркасом или развертывающиеся бескаркасные. При запуске первых спутников Земли уже были попытки использования легких надувных оболочек, но они оказались крайне непрочными. Любое столкновение даже с мельчайшей частицей естественного или техногенного происхождения может привести к потере герметичности, а значит, и к разрушению конструкции. Каркасные отражатели гораздо лучше подходят для освещения Земли, но они имеют очень большой вес и их сложно монтировать на орбите.
Отечественные разработчики пошли по иному пути. Они использовали плёночные бескаркасные быстрораскрываемые отражатели. Основным материалом для них стала лёгкая и прочная пластиковая плёнка, покрытая алюминием (майлар) толщиной всего в 4 нанометра. Она настолько тонкая, что вес одного её квадратного метра составляет всего 5 граммов (для сравнения, газетный лист такой же площади весит более 40 граммов). Но как «натянуть» ее в космосе, как заставить сохранять нужное положение в пространстве? Конструкторы нашли оригинальное решение этой проблемы. Они сумели использовать природные силы инерции. Зеркало развертывается за счёт центробежных сил, эта идея оказалась особенно удачной для условий безвоздушного пространства и невесомости.
Отражатель состоит из восьми отдельных пленочных секторов, намотанных на барабан. По расчетам, для устойчивого и достаточно быстрого развёртывания плёнки за счёт центробежных сил скорость вращения барабана должна составлять не более 1,5 радиан в секунду. В развернутом положении секторы должны образовать 25-метровое кольцо, вращающееся вокруг продольной оси вместе со спутником.
Эксперимент «Знамя-2» должен был подтвердить идею, которая была высказана еще в 20-х годах Ф.А. Цандером, о передаче с помощью плоских космических отражателей энергии Солнца на Землю. Для эффективного использования отражателей их площадь должна быть до 10 000 м 2 . Поэтому разработчики эксперимента столкнулись с проблемой, как при таких площадях минимизировать массу отражателя и обеспечить успешное автоматическое его раскрытие из транспортного положения.На тот момент развития техники этим условиям лучше всего удовлетворили отражатели, выполненные из полимерной металлизированной пленки, развертывание которых происходило бы за счет центробежных сил, создаваемых путем вращения отражателя вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.Эксперимент проводился с использованием агрегата раскрытия солнечного отражателя, установленного на ТГК «Прогресс М-15», запуск которого к ОК «Мир» состоялся 27.10.1992 г. Ряд областей земной поверхности был закрыт густым облачным покровом, что затруднило проведение эксперимента. Все же анализ информации, которая была передана на Землю, позволил сделать выводы о правильности принятых технических решениях и перспективности направления использования солнечного паруса для решения задач ретрансляции энергии.
Освещение из космоса, выполненное впервые в мировой практике, осуществили в предрассветные часы над Западной Европой. Световое пятно, отраженное рефлектором, размером около 5 километров скользило по Земле со скоростью около 8 км/сек от районов южной Франции через Чехословакию, Германию, Польшу и растворилось в лучах восходящего солнца над Белоруссией. В то утро погода не благоприятствовала эксперименту, Европа оказалась покрытой почти сплошной облачностью. Тем не менее, многие люди из разных районов сообщили о вспышке света из космоса. Метеорологи из альпийской станции в Германии также прислали сообщение, хотя уровень освещенности оказался лишь на уровне одной полной луны (лунетты). Два витка спустя, после того как эксперимент был по существу закончен, отстреленный отражатель хорошо наблюдался над Канадой, где стояла ясная погода. На канадское телевидение пришло очень много сообщений, очевидцы даже присылали любительские фотографии.
Средства массовой информации широко освещали эксперимент в феврале 1993 года. Позднее видеоклипы демонстрировались многими телевизионными компаниями во всем мире. В целом эксперимент Знамя-2 оказался очень успешным, он продемонстрировал реальность и возможности новой космической техники.
Знамя-2,5 явился промежуточным этапом научной программы. Так же как эксперимент “Знамя-2”, он проводился на базе ОК “Мир”, отражатель устанавливался на корабле “Прогресс М-40”.
Запуск состоялся на грузовом корабле “Прогресс М-40” 26 октября 1998 года. Развертывание самого отражателя состоялось 4 февраля 1999 г. сразу после расстыковки корабля. Запланированная продолжительность эксперимента – 24 часа. За это время ОС “Мир” и ТГК “Прогресс М” должны были совершить 16 оборотов вокруг Земли и облететь все ее континенты. Эксперимент был досрочно прекращен из-за ошибки в автоматической программе управления кораблем, поэтому команда на открытие антенны не была блокирована. В результате, полотнище отражателя зацепилось за открытую антенну..
Результаты проведения эксперимента Хотя главная задача по подсветке заданных областей земной поверхности не была выполнена, в полете грузового корабля «Прогресс М-40» получены ценные результаты, которые могут быть использованы в дальнейшей программе экспериментов «Знамя» и в других проектах.
“Знамя-3” является принципиальным этапом всей экспериментальной программы. По-прежнему он базируется на возможностях грузового корабля “Прогресс”, но требует его значительной модернизации. В конструкцию грузового отсека корабля необходимо встроить рефлектор существенно большего размера (60-70 метров). Дополнительно необходимо разработать и внедрить на борт новый принцип и аппаратуру управления ориентацией корабля. Это даст возможность ориентировать корабль с гораздо большим моментом инерции без расходования топлива реактивных двигателей.
Основной целью эксперимента является проверка в полете новой концепции построения системы. Специалисты “Консорциума “Космическая Регата” также работают над созданием цельного (не разделенного на секторы) отражателя.
Срок реализации этого проекта не ясен.
Продолжение исследований по программе “Знамя”, а тем более успешное претворение ее в жизнь, позволило бы остановить отток людей из перспективных и богатых полезными ископаемыми северных и приполярных районов нашей страны, что даст немедленный экономический эффект, который многократно окупит средства, вложенные в эту программу.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Источник