Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Физика»Содержание №5/2006
К проблеме космического мусора

Т.МАКАРОВА (ученица 11-го класса),
школа № 26, г. Улан-Удэ, Республика Бурятия.
Руководитель Е.М.САВЕЛЬЕВА

К проблеме космического мусора

Ученический научно-исследовательский проект. 11-й класс

  • В апреле 2001 г. в Дармштадт (Германия) съехались специалисты из четырнадцати стран Европы, входящих в ЕКА Европейское космическое агентство). Именно здесь штаб-квартира ESOC (European Space Operations Centre) – Европейского центра космических операций. Оказалось, что дело не только в том, что мы знаем и видим, но и в том, чего мы не знаем и видеть не можем. Во время работы разгонных блоков на твёрдом топливе образуется огромное количество (до 50 и более квадриллионов, т.е. 1015) не видимых простым глазом частиц, которые составляют до 40% массы топлива. Каждая из них, ударив в космический аппарат, может сделать крошечный кратер или даже пробить отверстие диаметром 10–300 мкм. Более крупные частицы образуются при отслаивании краски теплозащитного покрытия. Через иллюминатор орбитальной станции невозможно определить истинные размеры этих горящих в лучах солнца пылинок. Перечислить всё, что летает в космосе, невозможно: крышечка от объектива Алексея Леонова, теплоизоляционная перчатка Эдварда Уайта, отвёртка и десяток винтиков с «Челленджера».

Солнечная батарея станции «Мир» получила значительные повреждения от космического мусора

Солнечная батарея станции «Мир» получила значительные повреждения от космического мусора. Октябрь 1997 г. (Фото NASA. http://www.membrana.ru/gallery/cosmos)

Сравнивать засорение Земли и космоса можно только до определённых пределов. Есть мусор, который как бы самоуничтожается: пищевые отходы на Земле и низколетящие спутники в космосе. Есть и долгоживущий мусор: некоторые синтетические материалы на Земле и геостационарные объекты в космосе. Но проблема становится зловещей, когда узнаёшь, что космический мусор в отличие от земного может «размножаться».

Компьютерное изображение Земли с космическим мусором вокруг неё

Компьютерное изображение Земли с космическим мусором вокруг неё http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/

Поскольку все эти пылинки, частицы, кусочки и мёртвые спутники летят с сумасшедшими скоростями, то при ударе они способны натворить много бед. При скорости 10 км/с частица диаметром 0,5 мм пробивает многослойный скафандр. На такой скорости осколки прошивают алюминиевые листы в 10 раз толще их диаметра. Но самое главное – почти невидимый рукотворный метеорит выбивает из мишени буквально облако частиц, в 200–1000 раз превосходящее его по массе. Таким образом, происходит нечто, напоминающее цепную реакцию: мусор лавинообразно размножается!

Пока нас спасает то, что соударения не столь часты и скорости не столь велики, потому что все космические корабли во всех странах запускаются с запада на восток. Таким образом, вся эта круговерть идёт в одном направлении, и встречных соударений нет. Однако есть реальная угроза, что процесс загрязнения космоса станет лавинообразным и уже необратимым. Специалисты утверждают, что в этом случае человечеству будет закрыт путь в космос на несколько сотен лет.

В Техническом университете в г. Дельфте (Нидерланды) считают, что надо принять специальное международное законодательство, ограничивающее загрязнение космоса. Конструкторам надо подумать, как предотвратить саморазрушения и взрывы на наиболее «густонаселённых» орбитах. Вполне возможно, что в недалёком будущем придётся стартовать «космическим дворникам», которые будут либо спускать весь этот мусор на более низкие орбиты, либо, наоборот, отправлять его на более высокие для «захоронения» на многие годы. Последний вариант не нравится, поскольку мы просто перекладываем решение проблем на потомков. Кроме того, чтобы перевести спутник на 100 м повыше, надо затратить сколько энергии, сколько требуется орбитальной станции на месяц работы.

Для предотвращения засорения космического пространства необходима программа, предусматривающая разработку правовых основ регулирования количества объектов искусственного происхождения в околоземном пространстве.

  • Техническая часть программы, по-видимому, должна состоять из трёх разделов. В первый целесообразно включить работы по уточнению современного состояния и прогнозу дальнейшего засорения космоса с оценкой опасности столкновения пилотируемых и автоматических аппаратов (КА) с космическим мусором. Для расширения каталогов регистрируемых фрагментов «космического мусора» должны быть предусмотрены исследования по совершенствованию средств обнаружения, слежения и контроля за космическими объектами, а также методов измерений, обработки результатов и управления данными с использованием новейших ЭВМ.

Ограниченные возможности слежения за малоразмерными фрагментами приводят к необходимости моделирования столкновений и разрушений космических объектов на орбите, являющихся основными источниками образования мелких осколков. В основу такого моделирования могут быть положены аналитические методы и эксперименты на современных наземных установках, способных обеспечить разгон мелких фрагментов до скоростей, близких к реальным скоростям столкновений. Результаты исследований должны использоваться в разработке теории и инженерных методов расчёта разрушений различных типов конструкций от соударения с фрагментами «космического мусора».

Другим источником данных для оценки количества мелких осколков на орбите и подтверждения результатов моделирования могут быть космические наблюдения. В настоящее время изучение уровня техногенного засорения космоса наряду с метеорной обстановкой производится по результатам воздействия микрочастиц на конструкцию орбитальной станции и транспортных кораблей с помощью съёмных и возвращаемых на землю кассет с образцами конструкционных материалов; внешнего осмотра иллюминаторов и металлических поверхностей станции спускаемого аппарата кораблей «Союз».

Эффективное измерение характеристик микрочастиц в космосе можно проводить с помощью малых специальных спутников, выводимых в качестве полезной дополнительной нагрузки вместе с серийным КА. Это существенно расширит область исследований по метеорнотехногенному процессу околоземного космоса и снизит затраты. Регистрация факта соударения метеорной либо техногенной частицы осуществляется при пробоях секций надувной оболочки спутника, представляющих собой плёночные датчики конденсаторного типа. Масса и скорость этих частиц определяется с помощью ионного датчика. Информация, получаемая с бортовой научной аппаратуры, регистрируется после первичной обработки и передаётся на Землю при нахождении спутника в зоне радиовидимости.

Второй раздел программы должен быть посвящён предотвращению засорения космоса фрагментами ракетно-космической техники. В этом плане весьма перспективным представляется создание уникальных космических платформ, каждая из которых сможет заменить несколько специализированных спутников. Другим важным направлением является увеличение ресурса или срока активного существования КА. Накопленный к настоящему времени мировой опыт успешной эксплуатации ряда КА в течение 10 и более лет является в этом отношении обнадёживающим. В условиях широкого международного сотрудничества использование таких спутников-платформ длительного функционирования на космической орбите позволит избежать ненужного дублирования в решении прикладных задач и сократить общее число космических полётов. К снижению уровня засорения околоземных орбит могут привести также конструкторские доработки, направленные на уменьшение числа или полное устранение штатных отделяющихся элементов на последних ступенях ракетоносителей, разгонных блоках и КА. Стравливание топлива и газов можно организовать таким образом, чтобы ступень получала тормозной импульс, сокращающий время пребывания её на орбите. Сократить увеличение числа осколков в космосе можно, исключив самопроизвольные и преднамеренные взрывы КА на орбите и уводя некоторых из них с орбиты.

Третий раздел программы – это исследование способов и средств очистки околоземного пространства от космического мусора. Из 7 тысяч отслеживаемых орбитальных фрагментов 21% составляют неработающие КА и 14% – отработавшие верхние ступени ракет-носителей и разгонные блоки. Это означает, что на околоземных орбитах находится около 2500 пассивных объектов больших размеров и массы, являющихся потенциальными источниками образования по меньшей мере десятков и сотен тысяч новых осколков. В связи с этим вполне обоснованным представляется желание удалить их из космоса. в качестве средств поиска и захвата пассивных космических объектов могут рассматриваться многоразовые орбитальные корабли типа «Буран» и «Шаттл» и межорбитальные буксиры, оснащённые роботами-манипуляторами. Возвращение объектов на Землю возможно в грузовом отсеке орбитального корабля или путём автономного спуска в заданный район после торможения с помощью буксира.

Более сложной задачей представляется организация сбора и удаления из космоса мелких частиц космического мусора. На сегодняшний день известен ряд проектов решения этой задачи: образование на пути мелких осколков большого пенного шара для поглощения кинетической энергии частиц, после чего они теряют высоту и входят в плотные слои атмосферы (но при этом могут тормозиться и функционирующие КА); облучение мелких фрагментов лазером или нейтральными частицами с целью ускорения их схода с орбиты.

Решение глобальной проблемы «космического мусора» затрагивает интересы всех стран, участвующих в освоении космоса, и возможно только в рамках тесного международного сотрудничества.

  • Международное сотрудничество должно базироваться на определённых основополагающих принципах:

1. Разработка правовых норм и положений должна быть направлена не столько на ограничительные меры по использованию ракетно-космической техники, сколько на её совершенствование с целью предотвращения дальнейшего засорения космоса.

2. Оснащение каждого объекта, выводимого на орбиту, средствами, обеспечивающими его увод в плотные слои атмосферы или перевод на орбиты «захоронения», установленные международным соглашением. Полное исключение возможности взрыва объекта на орбите.

3. Систематический обмен информацией между странами, эксплуатирующими ракетно-космическую технику, по всем вопросам, связанным с засорением космоса, в том числе:

– по проектным, конструкторским, технологическим решениям и эксплуатационным мерам, принимаемым в целях уменьшения засорения космоса;

– по фактическому и прогнозируемому состоянию орбит на основании данных слежения и результатов моделирования;

– по результатам исследований о воздействии орбитальных осколков на КА и средствам защиты КА от воздействия осколков.

4. Координация усилий международного сообщества в области уменьшения засорения околоземного пространства через Комитет ООН по мирному использованию космоса.

Заключение

Собрав огромное количество информации из книг и интернета, проанализировав и обобщив её, мы <...> предлагаем:

– обеспечить достаточное финансирование (создание специальных служб, повышение квалификации кадров и т.д.);

– создать научный центр, способный установить связи с другими странами;

– разработать законодательную и нормативно-правовую базы, в частности, международный устав по использованию космического пространства;

– продолжить разработку здоровьесберегающих технологий утилизации космического мусора;

– привлечь специалистов смежных профессий (медиков, экологов) для научного обоснования международного устава;

– начать можно с очевидных проектов – создания гелиевых облаков, которые могли бы под своей массой опускать скопления мелких осколков в атмосферу, мощных лазерных установок для уничтожения более крупных осколков; можно использовать специальные машины с людьми на борту, которые могли бы выходить в открытый космос для уборки остатков пищи, выбрасывающихся в открытый космос с КА; ракет-носителей с магнитной установкой на борту для удаления металлических осколков.

Интересные факты

  • За 40 лет, прошедших со дня запуска первого искусственного спутника Земли, люди запустили в космос тысячи объектов. Сегодня их отслеживается около 8500, причём 95% – это самый настоящий мусор, металлический лом: отработавшие свой век спутники и различные детали последних ступеней ракет-носителей. Нередко они взрываются. Впервые это произошло в 1961 г., когда в результате взрыва ракеты «Эблестер» образовалось более 280 осколков. Через 30 лет взрыв спутника «Нимбус-6» породил облако из 400 обломков на высотах 800–4000 км. Во время вывода на орбиту спутника «Космос-1603» 5 сентября 1992 г. взорвался блок нашей ракеты «Протон». На высотах 700–1100 км возникло облако из 62 осколков, которые можно было разглядеть с Земли. Через несколько недель на 100 кусков разлетелся блок, который вывел в космос спутник «Горизонт-17». И таких взрывов было уже около 130.

Примерно каждую неделю какой-нибудь отработавший свой срок спутник, постепенно тормозя в верхних слоях атмосферы, виток за витком зарывается в неё и сгорает без какого-либо вреда для обитателей планеты. В этом смысле образцово ведут себя спутники-шпионы – они летают на низких орбитах, поэтому тормозят быстро и редко живут на орбите больше двух недель. Не столь опасны и те остатки, которые не успевают сгореть и долетают до поверхности. Во всяком случае за 40 лет рукотворные железки, упавшие с космической выси, никому вреда не принесли.

Но вся беда в том, что сгорает и падает, увы, не всё. Те объекты, которые кружат вокруг Земли на высоте примерно 600 км, существуют 25–30 лет, на высотах около 1000 км – уже два тысячелетия, а ещё выше – практически вечно. Сегодня наиболее засорённым считается пояс от 200 до 2000 км, где летает около 2–3 тыс. т космического мусора. Много мусора скопилось и на так называемой геостационарной орбите (спутники на ней теоретически как бы висят над какой-то одной точкой земной поверхности), т.е. на высоте 30–40 тыс. км, где только с помощью оптики можно разглядеть около 700 разных «железок». Эта орбита заселяется особенно интенсивно.

Первыми, кто начал говорить о космическом мусоре, были не экологи, а военные из ПВО, которые просто устали отслеживать все эти «железки», и поэтому службы контроля космического пространства вынуждены обрабатывать до 50 000 наблюдений в день.

19 марта 1985 г. учёные Шамберской обсерватории (Канада) сообщили об уникальной звёздной вспышке в созвездии Персея. Потом оказалось, что это сверкнул в солнечных лучах один из наших уже мёртвых, потерявших ориентацию «Космосов». Ещё 10 лет назад в объективе профессионального телескопа каждые 48 мин появлялся какой-нибудь дрейфующий осколок. А когда астрономы узнали о существовании космического мавзолея, в котором будет летать прах 10 небедных людей, возмущению их не было границ.

27 декабря 1995 г. американский спутник-разведчик «Кихоа» прошёл на расстоянии 3 км от нашей орбитальной станции «Мир», на расстоянии, в масштабах космоса, ничтожном. Подобное столкновение могло привести к катастрофе. Столкновение с обломком менее 1 мм при скорости 10 км/с будет подобно взрыву ручной гранаты. По расчётам, именно таких осколков в космосе летает более 100 000!

В июле 1983 г. на внешнем стекле одного из иллюминаторов «Мира» была обнаружена выемка диаметром 4 мм. Такая же ямка, но уже диаметром 2,5 мм, была обнаружена на лобовом стекле одного из «Шаттлов» – это следы ударов крохотной частички диаметром всего 0,2 мм. На деталях конструкции, снятых с одного из спутников, который работал на орбите 4,5 г., обнаружено около 2 тыс. отверстий и микрократеров. Подобные кратеры обнаружили американцы, дрейфуя мимо солнечных батарей нашего «Мира». За последние 5 лет зафиксировано 124 опасных сближения с объектами, уже видимыми с Земли, т.е. размером более 10 мм.

Под Москвой, на «Медвежьих озёрах», модернизируется 64-метровая антенна, которая будет следить за всеми кувырканиями мусора как раз в районе геостационарных орбит, которые в ближайшее время будут осваивать особенно интенсивно: в 2005 г. на этих орбитах работают уже около тысячи спутников. Подобные наблюдения уже ведутся Зеленчукской оптической станцией.

В России разработана бортовая аппаратура для космических аппаратов на основе пьезоэлектрических, плёночных и других датчиков, которая будет фиксировать удары частиц массой от долей грамма при скоростях от единиц до десятков километров в секунду. Но датчики лишь сообщают об ударах, а как от них защититься? Разработана экранная защита модулей МКС. Выяснилось, что при сравнительно небольших массах (10–20 кг) можно создать систему срочного определения места пробоя.

  • В 1995 г. приказом генерального директора Российского космического агентства Ю.Н.Коптева образован и работает Проблемный совет № 6, который как раз и занимается вопросами экологической безопасности, а также всеми вопросами, связанными с космическим мусором. А в июле 2000 г. вступил в силу стандарт «Росавиакосмоса», который так и называется – «Общие требования по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства».

  • Учёные Института медико-биологических проблем пытаются разработать способы уничтожения мусора с помощью микробов на борту корабля. Раньше вёдра с отходами с «Салютов» просто спускали в открытый космос, потом поняли – орбиты захламлять опасно. Теперь мусор собирают и заталкивают в «Прогресс» – и он сгорает в атмосфере.

А теперь учёные подумали: почему не заставить микробы расщеплять отходы? У нас уже разрабатывается технология утилизации космического мусора. Газ метан, выделяемый при «работе» бактерий, может стать компонентом ракетного топлива. В НПО «Энергомаш» разрабатывают модификации двигателя для коррекции орбиты, работающего как раз на «микробном газе».

  • Помимо космического мусора появились космические аэрозоли (космозоли) – часть космического мусора, измельчённого в воздухе. Ионосферные пары и космозоли являются примером непреднамеренного воздействия на свойства верхних слоёв атмосферы, вызванного запуском и эксплуатацией КА. Следует признать, что, несмотря на некоторые предложения, мы ещё далеки от практических методов решения этих вопросов. Но если для передачи радиосигнала с определёнными характеристиками возникает необходимость уменьшить на его пути концентрацию электронов или создать «решётку» космозолей, то этот опыт пригодится.

  • А в это время на Земле космический мусор в основном выпадает, в частности, на Алтае – в высокогорных Улаганском и Турочанском районах. Один из полигонов захватывает дальние неорбитальные территории Хакасии и Тувы. Это скалы, горы, горные тундры, покрытые снегами вершины – средняя высота более 2000 м. Военных, устроивших полигоны, «зелёные» обвиняют не только в загрязнении этих земель ракетным «железом», но и в отравлении природы и людей гептилом – не до конца выгоревшим высокотоксичным ракетным топливом, на котором летают «Протоны». Известно, что гептил в чистом виде – чистый яд. Но каков в действительности риск для жителей Алтая попасть под «гептиловый ливень»? Широкомасштабные работы по оценке экологического состояния районов падения ракет начались в 1990 г. В основном исследования проводятся Российским научным центром прикладной химии, МГУ и Институтом биофизики с привлечением специалистов Военно-космических сил, Российских космических агентств.

  • В нашей школе 11.12.2002 г. среди учеников 11-го класса (25 человек) была проведены беседа на тему «Космический мусор».

– Считаете ли вы, что при запуске и стартах ракет происходят загрязнения воздуха? (Все однозначно ответили: «Да».)

– Что, по вашему мнению, представляет «космический мусор»? (В целом ребята дали правильную картину: космический мусор – остатки ракет, ступени, осколки ракет-носителей, детали костюмов космонавтов и т.д.)

– Представляете ли вы возможным предотвратить загрязнение в космосе? Если да, то как? (Были как реальные идеи, так и необдуманные. Одни писали, что необходимо создать корабль-уборщик, запускать меньше ракет или не запускать вовсе. Другие предлагали создание новых техногенных ракет, которые не создавали бы таких проблем; предлагали создать новый вид топлива, который был бы экологически чистым. Ещё были предложения о создании ракет, которые могли бы чистить и убирать за собой или все отходы перерабатывать на Земле. И последним было предложение создать ракету, где находилось бы машинное устройство, собирающее осколки и другие металлические предметы. Половина учеников совершенно не представляли, как предотвратить загрязнение космоса.

_____________________________

Работа удостоена диплома II cтепени на IV региональной НПК «Современные проблемы медицины, биологии, химии, экологии» учащихся Сибири и Дальнего Востока (2004 г.) Редакция лишь поправила грамматические ошибки и сократила выводы.

.  .