чем опасен космический мусор
Что такое космический мусор и 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:
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:
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.
Читайте «Хайтек» в
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:
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 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.
Чем опасен космический мусор и как его уничтожают
По разным оценкам, количество космического мусора на орбите Земли варьируется от 220 до 300 тысяч объектов. При этом, объекты, размером в поперечнике более 1 см, составляют от 20 до 33% (от 60 тыс. до 100 тыс) всего космического мусора. Только представьте, какой эффект может оказать «астрономическая пуля» на пролетающий мимо космический корабль. Конечно, в масштабах нашей орбиты это кажется несущественным, но по мнению ученых, после 2055, в результате взаимного саморазрушения уже имеющегося на орбите мусора, проблема космического мусора станет серьезным препятствием для дальнейшего освоения космоса. Теперь подробнее об этом и других возможных последствиях.
Суть проблемы
Угроза физического столкновения
За всё время программы шаттлов, на них было обнаружено порядка 170 следов на иллюминаторах от столкновения, к счастью с микрочастицами (0,2 мм в диаметре). Около 70 иллюминаторов пошли под замену. На изображении слева кратер диаметром 2.5 мм от частицы краски.
Французская ракета Arian. Источник — ESA
Столкновение Космос-2251 и Iridium 33. Источник — vermarushabh.blogspot.com
Для контроля мусора космическими агентствами ведутся соответствующие реестры, отслеживающие относительно крупные (от нескольких сантиметров) объекты. Так, например. основываясь на имеющихся данных, МКС несколько раз в год корректирует своё положение на орбите, дабы избежать столкновения.
Синдром Кесслера
Помимо угрозы физического уничтожения, космический мусор может являться причиной полной непригодности ближнего космоса для практического использования. Данную теорию описывает так называемый синдром Кесслера, описанный консультантом НАСА Дональдом Кесслером в 1978 году. Суть данной теории заключается в «эффекте домино». По мере увеличения количества объектов на орбите увеличивается и количество потенциальных источников мусора. Столкновение двух крупных объектов приведет к появлению большого количества новых, более мелких объектов. В свою очередь, каждый из них может столкнуться с другим объектом. Таким образом возникает «цепная реакция», ведущая к появлению всё новых и новых обломков. По итогу, при достаточно большом количестве столкновений, количество образовавшегося мусора на орбите сделает невозможным её использование.
Однако на низких орбитах взаимодействие с атмосферой постепенно уменьшает количество мусора, и это подводит нас к следующей угрозе.
Падение космического мусора на Землю
Объекты, находящиеся на низкой орбите, еще находятся под влиянием атмосферы земли и постепенно замедляются, в результате через какое-то время начинают снижаться и входить в более плотные слои атмосферы. Многие объекты сгорают в атмосфере, но есть и те, что достигают поверхности планеты. Так, по данным НАСА, почти ежегодно отдельные фрагменты космических аппаратов достигают поверхности Земли.
Кладбище космических кораблей
Точка Немо — это самая удаленная от суши место на Земле, также называемая океаническим полюсом недоступности. Полюс недоступности — это место, которое наиболее сложно достигнуть из-за её удалённости, обычно от береговой линии. Ближайшая суша находиться в 2688 километрах от Точки Немо, а ближайшим населенным местом периодически становится МКС, орбита которой проходит над этим местом. Низкое содержание питательных веществ (круговорот в южной части Тихого океана блокирует попадание питательных веществ в этот район) и удаленность от прибрежных вод делают это место практически безжизненным, поэтому Точка Немо — идеальное место для захоронения космических аппаратов. Периодически этот район называют кладбищем космических кораблей. Некоторые русскоязычные источники называют этот район закрытым для судоходства, но судя по отсутствию нормативных документов и регламента процедуры захоронения (о которой чуть ниже) данный запрет носит рекомендательный характер. Ответственность за движение судов в этом регионе разделяют Чили и Новая Зеландия. За несколько дней до спуска космического аппарата, космические агентства предупреждают службы этих стран, которые в свою очередь доносят соответствующие предупреждения избегать этот район до летчиков и капитанов морских судов.
Похороны космического аппарата
Как и при любой другой космической операции, захоронение космического аппарата требует соответствующей подготовки. После проведения необходимых расчетов и предупреждения местных властей, аппарат, достигнув необходимого местоположения, начинает торможение. Как упоминалось выше, небольшие и компактные спутники, как правило, не достигают поверхности земли и сгорают за счет трения. Поверхности воды же достигают различные тугоплавкие конструкции. Так, например, данный участок используется российским Центром управления полетов для утилизации космических беспилотных грузовиков серии «Прогресс». Кстати, в результате захоронения части космического аппарата могут разлетаться на большой площади. Так, например, останки станции «Мир», затопленной в 2001 году, разлетелись на участок протяженностью 3000 километров. Подобная особенность несколько раз становилась причиной ЧП. В 1979 году часть американской станции «Скайлэб» упала на территории Австралии, в 1991 году обломки станции «Салют-7» упали на территории Аргентины. Также в 1997 году недогоревшая часть ракеты упала на женщину в Оклахоме. К счастью, все эти случаи произошли без жертв. Сейчас, ежегодно на кладбище космических кораблей свой последний приют находят несколько десятков кораблей, которые находясь на орбите являются источником большей угрозы.
Орбита захоронения
Помимо наземного кладбища также существует орбита, на которую отправляют уже отработавшие космические аппараты для уменьшения вероятности столкновения с ещё работающими. Существует две официальных орбит захоронения: для космических аппаратов, располагавшихся на геостационарной орбите, и для аппаратов для военных разведывательных спутников с ядерной энергетической установкой.
Геостационарная орбита — это орбита, расположенная над экватором земли, находясь на которой, искусственный спутник имеет такую же угловую скорость, как и Земля, т.е. находится всегда над одним и тем же местом на Земле. Эта орбита используется для размещения коммуникационных, телетрансляционных спутников и находиться на высоте 35786 километров над уровнем моря. После отработки, спутник примерно на 200 км (для каждого спутника расстояние рассчитывается индивидуально).
Увеличение количества искусственных спутников Земли. Источник — Европейское космическое агентство.
Другая орбита захоронения находится на высоте от 600 до 1000 километров. На эту орбиту отправляют военные спутники с ядерной энергетической установкой. Ориентировочно, эти спутники будут находится на орбите порядка 2 тысяч лет, после чего гравитация Земли притянет их.
Пути решения
В целом, поиск путей решения этой проблемы ничем не отличается от решения проблемы творческого беспорядка у вас на столе, только масштаб у первой слегка побольше. Имеется два пути — создавать меньше мусора или убирать старый.
Снижение создаваемого мусора
Как говорится, «Чисто не там где убирают, а там где не мусорят!». Собственно, в этом и суть. К основным направлением снижения создаваемого мусора относят следующие меры:
Как видно, первые два пункта пересекаются с общими направлениями развития космонавтики. Последний пункт же вносит некоторые коррективы в построение ракет. Как грамотно организовать утилизацию отработавших частей? Одно из развивающихся направлений — использование материалов, позволяющих ракетам-носителям вывести аппарат на орбиту, а затем сгореть в атмосфере. Т.е. такой материал должен выдерживать все взлетные нагрузки, и при этом не должен быть супер тугоплавким, чтобы за счет трения сгореть в атмосфере. Звучит как некоторый парадокс. На данный момент таких материалов в ракетостроении нет.
Второй способ — это возвращение частей КА на Землю. Самый очевидные примеры — это многоразовые ступени SpaceX и программа Space Shuttle.
Утилизация уже имеющегося мусора
В отличие от проектируемых с замыслом утилизации аппаратов, мусор на орбите сам себя утилизировать не может. Все текущие проекты «по уборке» космического мусора находятся либо в разработке либо в виде идеи. Было озвучено множество идей, которые можно классифицировать следующим образом:
Российский сборщик космического мусора, перерабатывающий космический мусор в топливо. Источник — russianspacesystems.ru
Облачные серверы от Маклауд быстрые, безопасные и не генерируют космический мусор.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!