Экология космоса. Космический мусор

Научно-исследовательский проект

Тема:

«Экология космоса. Космический мусор»

Выполнил: Пачин Тихон,

Руководитель проекта:

к.г.н. Иванова Е.Ю.

Королев 2012 год

Содержание

Аннотация

Введение

1. История вопроса

2. Классификация, объемы и области накопления космического мусора

3. Космический мусор - угроза техническому прогрессу человечества

4. Вклад государств Мира в накопление космического мусора

5. Предложения учёных разных стран по решению проблемы космического мусора

6. Авторские разработки по сбору и утилизации космического мусора

Заключение

Список использованной литературы

Аннотация

Представленный научно-исследовательский проект посвящен одной из глобальных, на сегодняшний день, проблем человечества - скоплению космического мусора в околоземном пространстве нашей планеты. Данная проблема, однозначно, нуждается в научно-исследовательских разработках и предложениях по очистке засоренных областей Космоса.

В данной работе рассматриваются вопросы, связные с:

хронологическими рамками проблемы возникновения и накопления космического мусора, механизмами образования и источниками поступления инородных объектов в космос, предложениями и разработками государств Мира, касающихся наблюдения, сбора и утилизации «космического хлама».

Наряду с вышеперечисленными вопросами, рассматриваемыми в данной работе, в качестве предлагаемого пути решения имеющейся проблемы, представлена разработка функциональной модели космического сборщика мусора (КСМ). Эта часть работы заслуживает особого внимания, поскольку является ключевой в данной конкретной работе.

Нужно сказать, что разработка представлена достаточно детально:

дается схема космического корабля, описание схемы, рассматривается принцип работы мусоросборщика. Однако, понятно, что существует масса не учтенных специфических деталей и погрешностей, которыми руководствуются разработчики и естествоиспытатели и, которыми автор проекта, в силу своего возраста и уровня образования, пока не владеет.

Именно поэтому в данной работе речь идет о модели космического мусоросборщика и, основным показателем, которым автор руководствовался при «разработке» КМС, является функциональность как отдельных отсеков, так и корабля в целом.

Данная разработка функциональной модели КСМ, при определенной технической доработке, может рассматриваться в качестве возможного практического пути решения проблемы сбора и утилизации космического мусора в околоземном пространстве планеты.

Введение

Актуальность темы проекта заключается в том, что мусор, который имеет место в околоземном пространстве и продолжающий там накапливаться, препятствует поступлению солнечных лучей и исследованию космоса. Эта тема на данный момент одна из самых горячих во всём мире.

За относительно короткое время «свидетельство» освоения космоса представляет собой двухслойный пояс мусора, окружающий планету Земля и составляющий, по разным оценкам, от 13 до 15 тысяч объектов общей массой более 6 тысяч тонн, что впоследствии может негативно сказаться на развитии и полноценном функционировании нашего общего дома.

Впервые о масштабном загрязнении космоса ученые заговорили в 1980-х, когда концентрация мусора на орбите Земли достигла такой плотности, что баллистикам требовалось хорошенько поработать, чтобы безопасно разместить среди него тот или иной спутник. В последнее десятилетие ситуация только ухудшилась. Количество мусора в околоземном пространстве столь велико, что это создает реальную опасность для работающих там автоматических станций. По ближайшим прогнозам, в будущем сложности будут нарастать как снежный ком. Основания для этого весьма серьезные.

Цель проекта - разработать практический путь решения проблемы сбора и уничтожения космического мусора.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обзор и систематизация современных научных материалов по теме исследования;

2. Исследование причин образования и объёмов поступления элементов космического мусора в околоземное пространство;

3. Анализ существующих предложений по решению данной проблемы;

4. Предложение практического пути решения проблемы в виде разработки авторского проекта Космического Мусоросборщика (КМ).

С помощью комплексной обработки фактического материала (сбор и анализ данных информационных источников: текстовых, статистических, графических) были:

- систематизированы данные по проблеме местонахождения и объемов разномасштабных объектов космического мусора в околоземном пространстве;

- составлены сводные таблицы: «Число объектов искусственного происхождения на околоземной орбите, отслеживаемых средствами контроля космического пространства», «Количество объектов искусственного происхождения на орбите по странам», а также «Сводная таблица предложений государств Мира по решению проблемы космического мусора»;

- выполнены проектные разработки функциональной модели космического сборщика мусора.

Данная разработка функциональной модели КСМ, при определенной технической доработке, может рассматриваться в качестве возможного практического пути решения проблемы сбора и утилизации космического мусора в околоземном пространстве планеты.

Научно-исследовательский проект состоит из введения, 6 глав, заключения, списка информационных источников и приложения.

Объем работы составляет - 33 страницы, включая 9 рисунков и 3 таблицы.

Список информационных источников включает 18 наименований.

1. История вопроса

Ещё 100 лет назад человечество могло только с Земли наблюдать за звёздами и мечтать о полётах в космос. Тогда люди и не подозревали, что их деятельность когда-нибудь сможет привести к загрязнению, кажущегося таким необъятным, космоса. Но технический прогресс неизбежно связан с таким негативным последствием как загрязнение окружающей среды.

Развитие технологий привело к созданию материалов, которые упростили жизнь человека, но имели побочный эффект - отходы стали загрязнять наш окружающий мир. До определённого момента казалось, что и на Земле места предостаточно, чтобы не заниматься этой проблемой, а просто убирать мусор на свалки. Однако стремительный технический прогресс, а также увеличение земного населения привели к значительному ускорению в производстве трудно утилизируемых отходов. В настоящий момент переработка и уничтожение мусора уже не является второстепенной задачей. Утилизация отходов давно уже выросла в отдельную отрасль, которой занимаются различные подразделения и структуры в государствах.

Но на этом человечество не остановилось. С запуском первого спутника мы шагнули в космос. Тогда никто и подумать не мог, что со временем вопрос загрязнения околоземного пространства также остро встанет перед человечеством. Но время шло. Стремительная космическая гонка между Советским Союзом и США привела к тому, что в космосе стали летать десятки и сотни спутников. Развитие космических технологий в других странах также повлияло на увеличение количества искусственных объектов в космическом пространстве. И опять, как ранее на Земле, стремительное развитие космических технологий привело к стремительному увеличению отходов в космосе. Сегодня человечество столкнулось с необходимостью решить вопрос по утилизации космического мусора. Иначе наше дальнейшее освоение космических далей может стать невозможным.

Космический мусор стал скапливаться в космосе приблизительно с середины двадцатого столетия, в тот момент, когда началась «космическая гонка». Весь мир следил за тем, как Советский Союз 4 октября 1957 года запустил в космос Спутник I, первый спутник в истории человечества, попавший на орбиту Земли. И хотя, по сегодняшним стандартам, этот спутник очень мал - он был не больше надувного мяча - на тот момент это стало великим достижением людей.

Жители алтайского села Саратан рассказали, что первые несчастья у них начались в 1959 г. На альпийских лугах Алтая стали находить крупные обломки какой-то техники (многие думали инопланетной, о Байконуре в селе еще ничего не знали). Постепенно была уничтожена растительность. Из окрестных лесов ушли животные. Наступила мертвая тишина. Жители алтайских сел стали рано седеть, страдать от заболеваний почек, печени, гипертонии, наблюдались случаи выпадения волос, зарегистрировано много случаев онкологических и странных психических заболеваний. Были отмечены случаи рождения детей-уродов. Столичные врачи связывали все это с воздействием ракетного топлива гептила, но правду больным не сообщали - это в СССР было государственной тайной.

С каждым годом на орбите Земли скапливается все больше мусора.

За период с 1957 по 2009 годы с околоземных орбит сошло около 20,8 тысячи космических объектов.

1. Динамика увеличения объемов космического мусора в космическом пространстве

На графике наглядно показано, что космос тогда, в середине 60-х годов XX века, казался безбрежным, и никому не приходило в голову, что его можно «засорить». Со временем люди нашли новые возможности использования космического пространства. Каждый год, с момента начала космической гонки, правительства разных стран, сотовые операторы, телерадиокоммуникационные и GPS компании запускают на орбиту сотни спутников. Именно эти спутники, ракеты и другие объекты являются основными источниками загрязнения космоса и появления в нем космического мусора. Прошло несколько десятилетий, и в геокосмосе стало тесно от космического мусора. Этот мусор состоит из закончивших свою активную работу искусственных спутников Земли, последних ступеней ракет, разгонных блоков, обломков ракет и спутников, возникших в результате преднамеренных и аварийных взрывов.

Космический мусор - продукт более чем 4,6 тысячи запусков и около 250 орбитальных разрушений запущенных аппаратов.

Космическая свалка достигла таких размеров, что начала саморазмножаться: дробиться при столкновении. С низких орбит фрагменты постепенно опустятся и сгорят в атмосфере, а вот на высоте выше 1000 километров, всё это может вращаться вечно[11].

2. Классификация, объемы и области накопления космического мусора

Объектами риска называются все объекты, которые могут доставить массу неприятностей. Основной мусор летает на орбитах значительно выше, чем МКС. Именно там он размножается. На низких орбитах - менее 300-350 км - мусор тормозится за счет атмосферы, постепенно снижается и падает на Землю. А, к примеру, на геостационарных он может вращаться достаточно долго.

Специальные службы отслеживают движение вокруг Земли порядка 21 тыс. различного рода объектов, диаметр которых - 10 и более сантиметров.

Кроме того, на околоземной орбите вращается около 500 тыс. предметов, диаметр которых от 1 до 10 сантиметров, отмечают специалисты. Для сравнения ученые привели данные 1980 г., когда наземными службами велось слежение лишь за 4,7 тыс. более или менее крупных объектов, из которых 2,6 тыс. составлял космический мусор [4].

И Россия, и США ведут свои каталоги, но цифры приводятся разные.

Это объясняется «выгодностью» географического положения. Например, если объект летает вдоль экватора, то за океаном его видят, а мы - нет. Но надо понимать, что есть ряд спутников, которых в каталогах нет по определению, например, те же военные.

Центр по борьбе с космическим мусором НАСА к космическому хламу относит следующие виды объектов [9]:

Покинутые космические корабли - когда космические корабли или детали космических кораблей приходят в упадок, их бросают в открытом космосе, где они находятся в свободном плавание. Дело в том, что ремонтировать корабль в некоторых случаях нет смысла, поскольку это слишком дорогостоящий процесс, поэтому их оставляют кружиться вокруг Земли, пока те не упадут или не столкнуться с другим космическим мусором.

Верхние части пусковых установок - современные шаттлы строят из нескольких частей, нагроможденных одна на другую. Для запуска шаттла необходимо несколько ракет, каждая из которых выполняет свою роль и отпадает. На самой верхушке шаттла находится верхняя часть, которая запускается в самый последний момент. А поскольку эта последняя деталь запускается уже в космосе, то многие материалы, отлетевшие с космического корабля, могут попасть в ловушку и надолго застрять на орбите вокруг Земли. Именно эти детали считаются самым большим космическим мусором.

Твердые отходы ракетного двигателя - для толчка во многих шаттлах используют твердое ракетное топливо. После запуска, отработанное топливо выбрасывается в окружающую среду и контейнер с топливом летает в космосе. В результате этого может произойти столкновение, и в космосе появится еще больше мусора.

Крошечные частицы краски - возможно в это нелегко поверить, но вокруг Земли летают миллионы крошечных кусочков краски. Высокая температура или воздействие летающих частиц постепенно срывают краску с космических кораблей и превращают ее в космический мусор.

На конец 2008 года было каталогизировано около 12500 космических объектов (КО) размером более 10 см, из них ~ 1000 функционирующих космических аппаратов. До 40% каталогизированных космических объектов составляют космические аппараты, прекратившие активное функционирование, а также использованные разгонные блоки, последние ступени ракет-носителей. Около 54% каталогизированных космических объектов составляют фрагменты, образовавшиеся в результате взрывов космических аппаратов, ракет-носителей, разгонных блоков или взаимных столкновений космических объектов. Более 300000 фрагментов космического мусора имеют размер от 1 до 10 см [8].

Экологические последствия космонавтики проявляются на поверхности планеты, в приземной атмосфере, в озоносфере, в верхней атмосфере и геокосмосе. Их уровень опасности зависит от массы стартующих ракет, частоты запусков, вида ракетного топлива, используемых технологий и т. п.

Космический мусор имеет свойство саморазмножаться в результате его дальнейшего дробления при столкновениях двух фрагментов мусора. Уже сейчас космический мусор представляет серьезную опасность для пилотируемых полетов и нормального функционирования космических аппаратов [7].

В основном космический мусор сконцентрирован на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли, но много его и на высотах полета космических кораблей, а также МКС.

Утилизация космического мусора возможна только при его сгорании в атмосфере. По расчетам ученых, в течение нескольких лет спуститься до ее уровня могут объекты, расположенные на высоте ниже 600 км.

Расположенному на высотах 800 км мусору на это требуется десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше -- сотни лет [3].

Рис. 2. Плотность верхних слоев атмосферы.

С 2006 по 2009 годы ситуация с космическим мусором в области низкой околоземной орбиты, на которой реализуются пилотируемые программы, резко обострилась. В диапазоне высот 750-850 км концентрация фрагментов мусора увеличилась более, чем в два раза.

Из-за падения плотности верхних слоев атмосферы, вызванного ростом концентрации парниковых газов, различные объекты, обращающиеся вокруг планеты, будут дольше оставаться на своих орбитах [7].

Повышение в земной атмосфере концентрации парниковых газов приводит к росту температур на поверхности Земли, однако одновременно способствует охлаждению самых верхних слоев атмосферы, в частности термосферы.

Этот слой начинается на высоте 80-90 километров и простирается до высоты около 800 километров. Именно в термосфере находятся спутники и обломки космических аппаратов - космический мусор.

В настоящее время на орбите находится по разным оценкам от 13 до 15 тысяч объектов общей массой более 6 тысяч тонн. Только 6% от этой массы - эксплуатируемые космические объекты, в то время как 40% - нефункционирующие, но не поврежденные спутники, и 54% - фрагменты преимущественно образовавшихся в результате взрывов или разрушений аппаратов.

12 тысяч 58 объектов -- это третьи ступени ракет, разгонные блоки и обломки космической техники. Еще 3 тысячи 312 объектов -- работающие и вышедшие из строя космические аппараты [7].

В свое время ученые предлагали смоделировать на компьютере траекторию полета мелких частиц. Эта задача стоит по сей день. Проблема в том, что мусор постоянно меняет траекторию. Пример с "Салютом-7". Его перевели на более высокую орбиту, удаленную от Земли более чем на 460 км: исследования показывали, что "Салют-7" должен там пролетать лет 20. А он упал через несколько лет вследствие непредсказуемо возросшей активности Солнца, что, в итоге, нарушило все планы и расчеты. Станция начала тормозиться и быстро терять высоту.

3. Космический мусор - угроза техническому прогрессу человечества.

Проблема засорения околоземного пространства вышедшими из строя спутниками и их фрагментами становится все более острой. Сейчас на орбите находится около 100 тысяч вышедших из строя космических аппаратов, последних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков, а также разнообразные болты, гайки, пружины, скобы, и прочие объекты, вращающиеся вокруг Земли со скоростью приблизительно 10 километров в секунду. Столкновение с любым из таких фрагментов, даже размером один сантиметр, означает серьезное повреждение дорогостоящего спутника, а, скорее всего - его выход из строя [4].

Основную угрозу для спутников представляют частицы космического мусора размером от одного сантиметра и меньше, количество таких фрагментов на околоземной орбите с каждым годом продолжает возрастать.

Разнокалиберные обломки летят с высокой скоростью - 7-10 км/с, и поэтому столкновение с космическим кораблем или космической станцией фрагмента диаметром от нескольких сантиметров чревато катастрофическими последствиями. Есть данные, что на возвращенных несколько лет назад на Землю американских МТКК панелях солнечных батареях орбитального телескопа "Хаббл" было обнаружено 12 пробоин.

Если учесть, что космический мусор движется со скоростью ~10 000 м/c, получается что столкновение с килограммовым объектом обладает той же энергией, что и удар 10 тонного грузовика в глухую стену на скорости 360 км/ч (не говоря уж о встречном столкновении). К этому можно добавить, что вся сила удара приложена к площади в несколько квадратных сантиметров - становится ясно, что такого не выдержит ни одна обшивка.

При скорости 10 километров в секунду частицы размером 0,5 миллиметров пробивают многослойный скафандр, осколки такого размера прошивают алюминиевые листы в 10 раз толще их диаметра [5].

Космический мусор создает серьезную угрозу безопасности космических полетов… Столкновение с осколками может повлечь за собой гибель экипажа на пилотируемых космических аппаратах или орбитальных станциях. В 2005 году, например, останки взорванной китайской ракеты ударились о 31-летнюю американскую ракету, брошенную в космосе, а в 2009 году произошло столкновение отработавшего спутника Космос-2251 и телекоммуникационного спутника Iridium 33 на высоте 789 километров. В результате столкновения образовалось около 600 новых обломков космического мусора.

Ученые бьют тревогу - уже сейчас на высоте до 400 километров у автоматических и пилотируемых кораблей возникают проблемы. Чтобы не попасть в "ДТП", той же Международной космической станции приходится совершать по нескольку маневров в год. Год назад над Сибирью столкнулись два спутника (американский и российский), породив тысячи осколков. Кто следующий? - За последние десять лет в непосредственной близости от Земли число посторонних предметов разного калибра - размером от сотового телефона до двухэтажного дома - выросло на порядок.

Каждый очередной запуск космического аппарата сопряжен с образованием нового космического мусора, наличие которого может привести к чрезвычайным ситуациям как в космосе, так и на поверхности Земли…

МКС не раз приходилось уводить от космического мусора. Известно, что в среднем предупреждения об опасном сближении с МКС космического мусора поступают в ЦУП едва ли не каждую неделю. В прошлом году, например, ЦУП получил 266 предупреждений. И каждое - это серьезнейшая работа. Предупреждения бывают разного уровня: есть "желтый порог", а есть "красный". "Красный" - это совсем плохо. Тогда принимаются экстренные меры. Например, перевод станции на другую орбиту [8].

Не так давно, пришлось эвакуировать экипаж с борта МКС в корабль "Союз", выполняющий роль "спасательной шлюпки". Из тех 266 предупреждений после тщательного анализа остались лишь 41, которые на самом деле оказались "проблемными".

Когда слышишь, что МКС сманеврировала от мусора, кажется, все так просто: дали импульс и станция "увернулась", при этом нужно четко понимать, что станция - это не игрушка, которую можно легко "передвинуть". Это махина в 300 с лишним тонн. Кроме того, есть такое понятие, как обеспечение высотной стратегии.

МКС летает по орбите, выбранной из вполне определенных разноплановых требований: с учетом обеспечения необходимых условий для проведения сближений и стыковок транспортных и грузовых кораблей,

включая зарубежные, а также безопасности посадки экипажей. Поэтому просто так ее трогать, перемещать, как захочется, нельзя. И после любого увода орбиту надо формировать заново для выполнения всех условий дальнейшего полета. Главная оперативная группа управления буквально на ушах стоит. К тому же любые маневры - это сотни килограммов топлива. А

каждый килограмм на орбите - на вес золота [8].

В марте обломок объявился в зоне станции настолько неожиданно, что на коррекцию орбиты времени уже не оставалось и пришлось срочно прятать экипаж в "Союзе". Ситуацию вокруг МКС отслеживали наземные системы контроля космического пространства - и российская, и американская. Этот обломок летел с наклонением орбиты в 34,7 градуса. У станции наклонение - 52 градуса. Южная граница России существенно выше, чем 34 градуса, то есть условия наблюдения для российских специалистов были не самые хорошие. В оперативном режиме этот мусор виден не был. Видели американские коллеги. Обычно по штатной схеме они предупреждают нас за трое суток. Здесь было - вдвое меньше. Причем первое сообщение такое, что они сами сомневались. А потом мы уже не успевали обеспечить все требования для проведения маневра.

По данным Роскосмоса, в прошлом году в мире было запущено свыше 100 новых космических аппаратов. Сейчас весь мир практически рвется в космос. Еще в 1993 году, когда на космический мусор впервые обратили внимание официально, Генеральный секретарь ООН заявил: это мусор человечества, а не какой-то определенной страны [10]. Кто мог подумать, допустим, что на орбите когда-нибудь два спутника протаранят друг друга?

Насколько велика зона опасности вокруг станции однозначно определить сложно. Мусор может прилететь откуда угодно. Существуют определенные методы и приемы по учету вероятности столкновений.

Скажем, вероятность столкновения 10 в минус третьей-четвертой степени определяет необходимость увода станции на другую орбиту.

На станции "Мир" также приходилось "убирать" экипаж в корабль - спасательную шлюпку. Но за "Миром" так тщательно не следили. И мусора было меньше. Тем не менее, когда одну из панелей в 130 кв метров, которая пролетала в космосе несколько месяцев, вернули на Землю, на ней обнаружилось больше чем 100 тысяч небольших пробоин.