космический мусор вокруг земли что это такое
Космический мусор становится проблемой и с этим нужно что-то делать
Когда мы думаем о мусоре, на ум приходят такие вещи, как мусорные баки, свалки и мусорная реформа, но существует и другая проблема мусора, которую трудно увидеть невооруженным глазом с Земли. Космический мусор, как предупреждают ученые, является все более серьезной проблемой и если мы не примем срочных мер, то завтра может оказаться слишком поздно.
реклама
Теперь представьте, что однажды орбита Земли станет переполненной и два больших спутника столкнутся друг с другом. Оба спутника разрушатся на более мелкие части, которые в дальнейшем столкнутся с другими спутниками и вызовут серию новых столкновений, в результате чего по орбите разлетится огромное количество мусора. И такое уже несколько раз случалось.
реклама
К счастью, мы еще не достигли этой стадии. Пока космический мусор не кажется серьезной проблемой, но эксперты аэрокосмической отрасли предполагают, что в ближайшие годы количество запусков спутников и космических миссий может резко возрасти, а это, скорее всего, приведет к увеличению количества мусора в космосе и сделает орбиту Земли более перегруженной, чем когда-либо. Проще говоря, если мы не начнем быстро принимать меры, то скоро будет слишком поздно.
Что такое космический мусор и почему он опасен?
реклама
Такие аварии уже происходили. Так в марте 2021 года 18-я эскадрилья контроля космического пространства (18SPCS) США подтвердила, что небольшой фрагмент космического мусора под названием «Объект 48078» врезался в китайский спутник Yunhai 1-02. По словам астрофизика Джонатана Макдауэлла, объект 48078 был остатком ракеты Zenit-2, запущенной в 1996 году. Макдауэлл добавил, что после столкновения «спутник Yunhai 1-02 был уничтожен и распался на фрагменты».
Однако такие столкновения из-за космического мусора пока еще редкость. До аварии Yunhai 1-02 последнее зарегистрированное столкновение произошло в 2009 году. Более того, такие столкновения могут быть предотвращены диспетчерами миссий путем корректировки позиционирования спутника. Каждый год многие спутники многократно маневрируют, чтобы избежать столкновения с космическим мусором, даже Международная космическая станция (МКС) с момента запуска в 1998 году совершила более 20 маневров по предотвращению столкновения с космическим мусором.
реклама
Пока проблема космического мусора не кажется чем-то важным, но если не решать ее должным образом, то в будущем она может привести к полному хаосу на орбите нашей планеты, с которым будет крайне сложно справиться.
Небольшая, но нарастающая проблема
До 2010 года ежегодно запускалось всего около 100 спутников, но в 2020 году впервые в космос их было отправлено более 1000. Цифры продолжат расти и в 2021 году, на орбиту уже было выведено более 1400 новых аппаратов.
Эти мега-констелляции приведут к беспрецедентному увеличению числа спутников, вращающихся вокруг Земли (по некоторым данным, к 2030 году на орбите Земли может находиться около 100 000 спутников). С каждым запуском будет увеличиваться и количество космического мусора, что сделает орбиту еще более перегруженной. В результате как существующим, так и новым спутникам придется выполнять больше маневров по предотвращению столкновений.
Поэтому на спасение спутников от космического мусора будет тратиться больше энергии и ресурсов. Рано или поздно, с увеличением числа космических полетов, растущее количество космического хлама может увеличить частоту столкновений в космосе и со временем привести к синдрому Кесслера.
Можно ли очистить орбиту Земли от космического мусора?
Избавиться от космического мусора не так просто, как кажется. Ведь нельзя же просто ввести запрет на полеты. Космические корабли запускаются для исследования космоса и сбора информации о других планетах нашей галактики, в то время как искусственные спутники выводятся на орбиту Земли для обеспечения связи, навигации, военной поддержки, наблюдения за Землей, прогноза погоды, поиска полезных ископаемых и многих других видов деятельности, имеющих большое значение для человека. Поэтому запрет на космические полеты и запуски новых спутников, не является решением проблемы.
Процесс «по расчистке» орбиты нашей планеты является дорогостоящим и сложным. Однако ученые и космические агентства работают над этим и предлагают новые и интересные методы удаления космического мусора с орбиты Земли.
Примерно в 2012 году группа ученых, работающих в EPFL (Швейцарский федеральный технологический институт), выдвинула идею создания специального спутника (под названием CleanSpaceOne), который мог бы самостоятельно захватить необходимый фрагмент космического хлама и вернуть его на Землю. Ученые предположили, что во время полета к Земле и спутник, и космический мусор сгорят в плотных слоях атмосферы. Подобная идея звучит довольно интересно, но такая технология будет достаточно дорогостоящей, а спуск таких спутников займет много времени.
В 2016 году Японское агентство аэрокосмических исследований отправило в космос электродинамический трос, который может направлять космический мусор в сторону атмосферы Земли, используя магнитное поле планеты. Через несколько лет, в апреле 2018 года, Космический центр Суррея в Великобритании запустил проект RemoveDEBRIS, направленный на развитие и тестирование различных технологий удаления космического мусора. В рамках инициативы RemoveDEBRIS была проверена эффективность методов с использованием сети, гарпуна и буксировки для захвата космического хлама.
Сеть RemoveDEBRIS захватывает космический мусор
Ученые из Университета Пердью в 2020 году разработали буксировочный парус под названием Spinnaker3. Это достаточно эффективный и экономичный способ борьбы с космическим мусором, поскольку он не требует энергии во время работы. Более того, он может захватывать даже космические объекты размером с ракету и направлять его в атмосферу Земли, чтобы затем уничтожить его при спуске. Запуск миссии Spinnaker3 планируется в ноябре 2021 года на ракете Firefly.
Японская компания Astroscale,также занимающаяся удалением орбитального мусора, запустила спутник ELSA-d в марте 2021 года. Данная система использует технологию магнитного захвата для сбора небольших неактивных спутников с орбиты Земли. ELSA-d успешно завершила свое первое испытание 25 августа 2021 года, и сейчас выполняет следующие этапы тестирования.
Итог
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!
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:
Как человечество борется с космическим мусором и чем он опасен
Сейчас на земной орбите находятся более 6,5 тысяч спутников. При этом работает из них только половина. В прошлом же году в космос полетели более 1200 кораблей, и показатель запущенных космических аппаратов с каждым годом будет расти. Это способно ещё больше увеличить количество мусора на орбите.
До 2010 года в космос попадало ежегодно примерно 100 аппаратов, а в 2021 году их количество превысило 1400. Более того, в ближайшее время компании SpaceX и Blue Origin отправят на орбиту особые группы спутников, которые позволят жителям Земли получить доступ к беспроводному широкополосному интернету. А это тоже обострит ситуацию с космическим мусором. Поскольку число космических аппаратов и космического мусора на орбите будет со временем увеличиваться, спутникам придётся выполнять больше маневров, чтобы избежать столкновения с фрагментами этого мусора. Также это может поспособствовать увеличению столкновений в космосе и привести к синдрому Кесслера (когда орбита станет непригодной для использования).
Какие же варианты очистки орбиты Земли от мусора есть? В 2012 году учёные из EPFL (Швейцарский федеральный технологический институт) предложили создать спутник CleanSpaceOne, который бы захватывал определённый фрагмент и переносил его на Землю. Предполагалось, что этот мусор вместе со спутником сгорит в плотных слоях атмосферы во время полёта. Однако такая технология стоит довольно дорого, её внедрение займёт много времени.
Другой вариант в 2016 году предложило Японское агентство аэрокосмических исследований. Оно запустило в космос электродинамический трос, направляющий космический мусор в сторону атмосферы Земли при помощи магнитного поля планеты. После этого в 2018 году в Великобритании стартовал проект RemoveDEBRIS от Космического центра Суррея, благодаря чему была протестирована эффективность захвата мусора при помощи сети, гарпуна и буксировки.
В 2020 году сотрудники Университета Пердью создали буксировочный парус Spinnaker3, который может захватывать даже огромные объекты, а затем направлять их в атмосферу Земли. Запуск миссии Spinnaker3 состоится в ноябре 2021 года.
В марте 2021 года был запущен спутник ELSA-d. Его создала японская компания Astroscale. Аппарат будет захватывать неактивные спутники небольшого размера с орбиты. В августе 2021 года успешно завершилось первое испытание устройства, а сейчас спутник проходит следующие этапы тестирования.