Методическая разработка «Проблема космического мусора» (к дополнительной общеобразовательной общеразвивающей программе «Космос: далекий и близкий»

Методическая разработка

«Проблема космического мусора»

к дополнительной общеобразовательной программе «Космос: далекий и близкий»

Автор: Логунова М.В., НОЧУ «СОШ «Феникс»

Введение

Данная методическая разработка используется при реализации дополнительной общеобразовательной программы «Космос: далекий и близкий» при изучении темы «Проблема космического мусора».

В разработке собраны материалы, знакомящие учащихся с причинами возникновения космического мусора, с возможными путями его утилизации в длительном космическом полёте, как можно использовать дождевых червей как компонент замкнутой экологической системы космического аппарата для рециклинга органических отходов.

Презентация данной информации активизирует учащихся на решение таких вопросов, как сохранение экологии космического и околоземного пространства. Интересно им будет узнать и о Международной активности по проблеме космического мусора.

Из истории возникновения космического мусора

 За 50 лет космической деятельности было осуществлено около 5000 запусков почти 6000 спутников, из которых к настоящему времени управляемыми остается лишь небольшая их часть.

 Общая накопленная масса объектов искусственного происхождения в околоземном пространстве близка к 6000 тоннам.

По мере увеличения космической активности (реально в конце 80-х годов) начали осознавать новую и неожиданную проблему появления техногенного космического мусора. Падение Протона, российской ракеты-носителя, подняло новый виток обсуждений этой темы. На момент падения в Протоне оставалось порядка 218 тонн 978 килограммов токсичного топлива – гептила. Растворившееся в воздухе вещество образовало ядовитое облако.

  Подобные выбросы сотен тонн ядовитого топлива — не единичный случай. И даже если бы старт прошел успешно, все равно часть вредных веществ попала бы в атмосферу. Так, каждый раз после запуска ракеты с космодрома Байконур над некоторыми районами Сибири и Алтая падают ракетное топливо и обломки стартовых двигателей. Если ракеты Союз работают на сравнительно безвредной смеси керосина и жидкого кислорода, то ракеты Протон — на гептиле, вдыхание паров которого может вызвать заболевания крови, печени и нервной системы. Количество гептила, падающего на землю, исчисляется многими-многими тоннами, а площадь загрязненной территории составляет, по оценке независимых экспертов, порядка 100 миллионов гектаров. Между тем, по данным Всемирной организации здравоохранения, гептил является веществом первого класса опасности и даже в малых дозах вызывает тяжелые отравления.

По подсчетам немецкого астронома Михаэля Освальда, в настоящее время на околоземной орбите находится свыше 330 миллионов (!) объектов, созданных руками человека, если учитывать только объекты диаметром более одного миллиметра. В основном это — мусор: брошенные спутники, сгоревшие ракетные двигатели, потерянные инструменты, крышки и колпачки, всевозможные крепежные элементы — замки, скобы, болты, которые высвобождаются, например, при отделении ракетных ступеней, — шлаки, выброшенные из твердотопливных двигателей, и, прежде всего, множество обломков оставшихся после взрыва крупных объектов, скажем, отслуживших свое спутников или ракет. Размер подавляющего большинство рукотворных объектов не превышает одного сантиметра.

 Служба России регулярно отслеживает около 9000 объектов.

 По результатам наблюдений известно, что только 6% этой популяции искусственных объектов составляют управляемые, т.е., активно действующие спутники. Примерно 40% – вышедшие из строя по разным причинам (в том числе исчерпавшие свой энергетический ресурс) спутники, использованные и ставшие бесполезными ступени ракет-носителей, так называемые «операционные фрагменты» (крышки объективов, различные переходники, соединительные устройства и т.д.). Таких «операционных фрагментов» в процессе вывода на орбиту полезных грузов на орбите остается несколько десятков.

 Оставшиеся 54% – это фрагменты разнообразного происхождения, которые начали регистрировать только в 60-х годах прошлого века. Основной источник их появления – это взрывы отслуживших свой срок космических аппаратов и верхних ступеней ракет-носителей. В настоящее время известно примерно о 200 взрывах. Следствием каждого из них является образование новой популяции фрагментов. Поскольку отслеживаются только достаточно крупные из них, то определить их общее количество невозможно. Количество тех, размеры которых превышают 1 см, оценивается примерно в 600 000, а количество более мелких частиц по приблизительной оценке близко к нескольким миллионам.

Космический мусор и пути его утилизации в длительном космическом полёте.

    Одной из новых проблем длительных космических полетов является проблема образования твердых и жидких отходов, не утилизируемых традиционными способами. Проблема включает ряд задач, решение которых пока не найдено. 
   Одна из задач - формирование технологий и конструкций, приводящих к минимизации отходов.

    Вторая задача – разработка конструкций космического оборудования, включая служебные системы и научную аппаратуру, приспособленных для использования в космосе после истечения своего ресурса.

   Третья задача - выбор наиболее эффективных направлений применения в космическом полете отходов, образующихся в результате функционирования  оборудования и жизнедеятельности экипажа.  Важной информацией для анализа эффективности использования космического мусора служат сведения  о составе и количестве отходов. Приближенно можно выделить следующие группы отходов: отходы жизнедеятельности экипажа (бытовые отходы), отходы функционирования служебных систем и научной аппаратуры, прочие отходы.  Источники бытовых отходов: упаковка рационов питания, средства личной гигиены и уборки  жилых помещений, отходы жизнедеятельности, отходы медицинского и микробиологического обеспечения.

  Источники отходов служебных систем: отходы систем жизнеобеспечения, отходы системы обеспечения теплового  режима, отходы других систем. 
 Возможные направления использования отходов: формирование интерьера жилых отсеков, формирование  дополнительных средств радиационной защиты, формирование оборудования, используемого  на других небесных телах.

Дождевые черви как компонент замкнутой экологической системы космического аппарата для рециклинга органических отходов

    Современные системы  жизнеобеспечения космических кораблей не позволяют регенерировать пищевые продукты, но дальние космические экспедиции будущего потребуют полной автономности. На сегодняшний день возобновляемость  пищевых продуктов предполагается обеспечивать за счет выращивания растений, в специальных отсеках, или модулях – «Космических плантациях» или «Оранжереях». Для выращивания растений на МКС нужен грунт, который можно получать  при переработки дождевыми червями органических отходов: жизнедеятельности экипажа, биологических опытов.

      Дождевые черви являются удобным объектом для космических  экспериментов:

     - небольшие размеры;

     - короткий цикл индивидуального развития;

     - высокая плодовитость;

    - высокий уровень биоконверсии органических отходов в органическое  удобрение и животный белок.

"Черви превосходным образом подготавливают землю для роста растений…Они просеивают землю настолько, что в ней не остаётся плотных минеральных частиц ….Тщательно перемешивают они всю почву, подобно садовнику, готовящему измельчённую землю для своих самых изысканных растений" (Ч. Дарвин).

     В условиях продолжительных космических экспедиций дождевые черви могут использоваться для утилизации и рециклинга органических отходов жизнедеятельности космонавтов, пищевых отходов, водорослей, целлюлозы и других органических компонентов  замкнутой системы космического аппарата и получения органического удобрения (вермикомпоста), которое в дальнейшем можно использовать как полноценный искусственный грунт для выращивания растительной продукции, а также выращивания растений, необходимых для проведения наблюдений за их состоянием в условиях действия комплекса факторов космического полета.

Сохранение экологии космического и околоземного пространства

Тем не менее, до сих пор не удалось предложить действительно удобной и реализуемой на практике технологии «уборки космоса». Такие предложения, как использование сверхмощных лазеров наземного базирования для изменения орбит объектов, оснащение новых спутников специальными ионными двигателями, быстро снижающими их орбиту, или же использование электромагнитных методик торможения, либо недостаточно изучены, либо слишком дороги. По мнению американских ученых, необходимость неотложного решения этой сложной проблемы могла бы объединить государственные структуры и частные компании — для последних особенно важно надежно защитить свои собственные космические инвестиции.

В 1993 году появился Международный координационный комитет по проблемам космического мусора (IADS). Затем для наблюдений за околоземной орбитой была создана US Space Surveillance Network - распределенная система радаров, которая отслеживает траектории объектов диаметров от нескольких сантиметров. Однако в будущем, считают ученые, придется действовать более активно - то есть специально изымать из космического пространства фрагменты запущенных прежде устройств.

Проблема стоит настолько остро, что космические державы даже организовали Координационный комитет по космическому мусору. Его деятельность не принесла существенных успехов - количество отходов на орбите увеличивается, и очистить от них пространство пока не представляется возможным. Тем не менее уже создан специальный каталог всех крупных вредоносных объектов. Страны предупреждают друг друга о возможных столкновениях.

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.

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

Причины взрывов космической техники

 Понятно, что основная причина появления такого количества мусора техногенного происхождения – это взрывы. Взрываются химические батареи, бортовые двигательные установки в уже неактивных аппаратах, неизрасходованное топливо в топливных баках ракет-носителей, давно и успешно выполнивших свои функции и оставшиеся в околоземном космическом пространстве.

В результате взрыва основной объект и вся его масса разлетается в виде бесчисленных фрагментов широкого спектра масс и сообщенных им скоростей. Эти взрывы и разрушения можно назвать самопроизвольными.

 Известно о других, преднамеренных взрывах. Такие взрывы по команде с Земли проводились более 30 лет назад с целью отработки баллистического противоспутникового оружия в СССР и США. Каждый подрыв приводил к образованию облака орбитальных обломков пораженной цели в космосе.

 После этих испытаний многие страны, включая Китай, обратились в ООН с протестами и предложили регламентировать подобные опыты в космосе.

 Однако от этих первых испытаний было зарегистрировано лишь 736 обломков, из которых к настоящему времени на орбитах осталось лишь 40%. В то время вопрос об опасности техногенного засорения космоса еще не стоял так остро. К тому же, последние из той серии испытаний противоспутникового оружия отстреливали и разрушали цель уже при входе в плотные слои атмосферы, где образовавшиеся осколки тут же сгорали.

 Позже Организация Объединенных Наций приняла резолюцию, регламентирующую такого рода деятельность.

 Тем не менее, в январе 2007 года в результате испытания баллистического кинетического противоспутникового оружия был разрушен спутник «Фенгюн-1с».  Образовалось облако из 35000 обломков величиной более 1 см, а 900фрагментов оказались достаточно крупными и были занесены в каталоги постоянно отслеживаемых объектов КМ.

Высоты распространения этого мусора заняли орбиты длительного существования со средней высотой около 850 км (от 200 до 4000 км). Это облако сейчас считается самым опасным, образовавшимся с начала космической эры.

Чем опасен космический мусор?

 В результате любого взрыва вместо одного объекта образуется облако фрагментов, которые получают дополнительные ускорения в произвольных направлениях. Вначале облако имеет высокую плотность и представляет собой постепенно расширяющийся эллипсоид, обращающийся по той же орбите, по которой двигался аппарат до взрыва. Затем фрагменты постепенно деформируются, расползаясь по орбите и превращаясь в тор с осью вращения, совпадающей с осью вращения Земли. Со временем этот тор охватывает всю Землю. Внутри тора фрагменты движутся по самым разнообразным траекториям, образуя вокруг Земли облако космического мусора в качестве составной части окружающей среды.

Обломки, появившиеся на высотах менее 400 км, живут всего несколько лет, т.к. за счет естественного торможения частиц атмосферой происходит процесс самоочищения: часть фрагментов сгорает в атмосфере, а наиболее крупные из них выпадают на Землю. Нижние ступени ракет-носителей падают зачастую почти целиком. Случались падения самих спутников, не вышедших на заданную орбиту. Незадолго до входа в атмосферу, что обычно случается на высоте порядка 120 км, скорость падающего фрагмента бывает около 30000 км/час. Поверхности Земли достигают компактные и массивные аппараты. На поверхности Земли оказывается около 40% их массы.

 Эффект от высокоскоростных соударений зависит от материала цели, скорости, угла наклона, массы и формы ударника.

 В настоящее время специалисты начали обсуждать проблему опасности столкновения действующих аппаратов с мусором. Некоторые события в космосе указывают на столкновения, как на возможные причины нарушения работы активных спутников.

 Фрагмент размером около 1см, двигающийся по орбите вокруг Земли со скоростью около 10 км/сек, несет огромный запас кинетической энергии. Известно, что Международная космическая станция, имеющая специальные защитные бамперы, уже несколько раз была вынуждена совершать маневры уклонения от нежелательных столкновений. Известен также маневр американского спутника «Клауд-Сат» в июле 2007 г. с целью уклонения от столкновения с иранским спутником «СИНАХ-1».

 24 июля 1996 года произошло первое зарегистрированное столкновение французского спутника «Церес» с обломками французской же ракеты-носителя «Ариан», которая уже несколько лет находилась в космосе.

 10 февраля 2009 года в16-50 по Всемирному времени (UT) на высоте 790 км над Сибирью (72.51єN/97.88єE) столкнулись два спутника: неработающий «Космос-2251» (весом 892 кг) и действующий американский «Иридиум-33» (весом 661 кг). Скорость столкновения составила 11.6 км/сек. Поскольку высота 790 км лежит в районе высот наиболее популярных эксплуатируемых орбит, возникло много вопросов: как это могло случиться, какова опасность возникших фрагментов для других космических аппаратов, как избегать таких случаев, чтобы не возникало осложнений между государствами.

 В результате этого столкновения образовалось порядка 500 фрагментов, отслеживаемых Службами контроля космоса.

 С увеличением количества спутников вероятность таких событий будет неуклонно возрастать.

 Еще одна неконтролируемая проблема засорения космического пространства, появившаяся в последние годы – увеличение микро- и наноспутников. На основе миниатюрных спутников строятся не только образовательные и коммерческие проекты. Появилась тенденция к созданию на их основе глобальных спутниковых систем различного назначения, в том числе и военного. Мини спутники имеют размеры от 10-20 см до 1 м, а вес – от сотен граммов до нескольких килограммов. Составными частями космического мусора эти спутники станут довольно быстро. А вот какая служба контроля космического пространства способна отследить каждый техногенный объект такого размера или предотвратить возможность столкновения с ним – пока неясно. Появление миниатюрных активных спутников значительно усложняет задачи контроля космоса. Избежать столкновения с фрагментами мусора такого размера можно лишь в том случае, если известны орбиты опасных объектов и самого космического аппарата с достаточной точностью.

Возможности наблюдения космического мусора

 Наблюдаемость фрагментов космического мусора обусловлена разрешающей способностью специализированных средств и систем.

 На низких орбитах (400-1000 км) оптические телескопы не могут полностью контролировать пространство из-за некоторых неблагоприятных обстоятельств: наблюдения возможны только ночью, но при этом спутник еще должен быть освещен Солнцем, Луна должна быть ущербной, а еще лучше отсутствовать на небе в ночи наблюдений. Поэтому задачи обнаружения и каталогизации спутников и крупных фрагментов мусора на низких орбитах ложится в основном на радиолокационные средства. Эти средства отслеживают фрагменты размером от 10 см. Но радиолокация малоразмерных спутников на более высоких орбитах требует определенных усилий.

 Наблюдения объектов на высоких орбитах выполняется преимущественно оптическими средствами: объект дольше освещен Солнцем, виден над горизонтом с большей территории и погодные условия становятся менее критичными. Возможности радиолокационных средств, напротив, уменьшаются, т.к. для обзора пространства на дальности в десятки километров многократно увеличиваются требования к энергетическим параметрам радиолокационных станций.

Сеть оптических средств обеспечивает в районе геостационарной орбиты наблюдения объектов размером 30-50 см и крупнее. Однако для контроля малоразмерных объектов (10-20 см) потребуется увеличение проницающей способности телескопов на 2-3 звездные величины.

Радиолокационные средства тоже могут использоваться при изучении геостационарной орбиты. Они позволяют измерять дальности, но лишь для тех объектов, которые обнаружены оптическими средствами и, следовательно, есть возможность использовать целеуказания.

В целом, всеми существующими в мире средствами, на начало 2009 года обнаружено и каталогизировано около 33500 объектов размером более 10 см, около 600 000объектов размером 1-10 см. При этом ежегодно обнаруживается 600-700 новых объектов.

 Количество микронных пылинок или миллиметровых частиц из шлака или окиси алюминия и пр. оценивается в десятки и сотни миллионов. Знания о метеорных и техногенных частицах, размерами менее чем в каталогах, обычно имеют статистическое происхождение. Все частицы любых размеров, находящиеся на высотах выше 500-600км, где пропадает эффект торможения атмосферы, существуют в космическом пространстве практически вечно. Наблюдения на орбитах с большими эксцентриситетами, проходящих через геостационарную орбиту, привели к открытию класса слабых по яркости объектов с большим отношением площади к массе. Возможно, что это куски термической обшивки спутников.

 Нет никаких других механизмов естественной очистки космического пространства от космического мусора, кроме торможения и последующего сгорания в атмосфере.

 Максимальная концентрация мусора наблюдается на высотах 800-1000 км и около 1400 км. Возможность столкновений в этой области давно предсказывалась экспертами.

 Каждый взрыв выбрасывает в окрестность ГСО около тонны КМ.

 В двадцатом веке количество ежегодных запусков достигало 100-120. В настоящее время число запусков сократилось до 60-70 в год. Ежегодно фиксируется 4-5 взрывов в космосе.  По оценкам специалистов, если ситуация не изменится (не станет меньше запусков, не увеличится срок активной жизни спутников),  то в ближайшие 50-100 лет нас ожидает критическая ситуация.

Международная активность по проблеме космического мусора

 Проблема космического мусора – это проблема всех стран, занимающихся космической деятельностью. И работают над ней специалисты космических агентств многих стран – США, Евросоюза, России, Японии, Китая и др. Необходимым условием для поддержания активной деятельности человечества в космосе является консолидация знаний обо всех известных объектах в космосе. В Европейском космическом агентстве создана база данных, содержащая информацию о характеристиках объектов в космическом пространстве. В базе данных 33500 объектов, наблюдаемых со времени запуска  Первого ИСЗ, и около 7 миллионов занесенных в базу орбит.

 Американская система контроля космоса обеспечивает непрерывный поток орбитальных данных обо всех наблюдаемых неклассифицированных объектах.

 Европейское космическое агентство создает и распространяет модели, характеризующие популяцию космического мусора и ее эволюцию. При моделировании учитывается метеорная обстановка в околоземном космическом пространстве.

 Естественно, что поддержание и регулярное обновление такой модели требует огромного количества измерительных данных в определенных областях космического пространства в определенное время от самых разных средств наблюдения – оптических и радиолокационных, наземных и с космических аппаратов. Статистические данные о происходящих взрывах, локальных плотных образованиях частиц, возможных столкновениях  позволяют прогнозировать и предупреждать о взрывах, сходах с орбит в результате торможения в верхних слоях атмосферы, уводах с орбит, падениях,  случаев утечки топлива и прочих событий на орбите в распределение фрагментов мусора и статистически моделировать это распределение.

 Как комплексная задача, требующая системного подхода, проблема космического мусора была впервые поставлена в 1981 году, когда NASA приняло десятилетнюю программу по изучению засоренности околоземных орбит.

 В 1987 году Европейское космическое агентство (ESA) организовало рабочую группу по проблеме КМ, и в том же году состоялась первая встреча между NASA и ESA.

 В декабре 1989 года состоялась первая встреча советских и американских специалистов по вопросу изучения космического мусора.

 В декабре 1990 года Генеральная Ассамблея ООН в резолюции 45/72 по пункту повестки дня «Международное сотрудничество в использовании космического пространства в мирных целях» констатировала наличие обеспокоенности у всех государств по вопросу о космическом мусоре.

 В 1993 году в Дармштадте (Германия) состоялась встреча представителей ЕКА, НАСА, НАСДА (Япония) и РКА (Россия), на которой был образован Межагентский Комитет по космическому мусору. Время показало, что самый действенный обмен мнениями происходит в рамках ежегодных заседаний именно этого комитета. В его состав на сегодняшний день входят уже представители 11 стран.

 С 1994 года вопрос о КМ включен отдельным пунктом в повестку дня Научно-технического подкомитета Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях.

 С этого времени проблема КМ вошла в тематику научных симпозиумов КОСПАР, чуть позже Международный союз телекоммуникаций (ITU)выпустил документ о защите окружающей среды для геосинхронных орбит, в котором отражены требования по уводу отработавших спутников из рабочей области.

 В июне 2007 г. на заседании Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях были приняты Руководящие принципы предупреждения образования космического мусора^[4]. В ноябре того же года эти Принципы были одобрены на самом высоком международном уровне^[5]. Документ носит рекомендательный характер, но он впервые определяет «кодекс поведения в космосе».

Для изменения траектории полета отработавших космических аппаратов будут использованы лазеры, которые стреляют по ним при помощи специальных телескопов

 Эксперты и раньше предполагали использовать лазеры для очистки от космического мусора, но все данные теории требовали огромных затрат. Последний проект более экономичен: он стоит десятки миллионов долларов, из них 800 тысяч уйдёт на оборудование. Предполагается, что благодаря этому проекту половина неиспользуемых аппаратов может поменять траекторию своего полета.

Россией в прошедшем году было принято решение о выделении около 60 млрд рублей на проект очищения околоземного пространства. В рамках этой программы планируется запуск специального "чистильщика", способного к обнаружению, захватыванию более опасного космического мусора и сброске его на Землю.

 Реализацию этой дорогостоящей программы осуществит космическая компания "Энергия". Разработка орбитального «мусорщика» должна быть закончена в ближайшие несколько лет, чтобы в 2020 году начать испытание опытного образца. Запуск в космос намечен на 2023 год.

Не может быть засорения национального околоземного пространства, есть засорение окружающей Землю космической среды.