Афиногенова Светлана Германовна

Проблема космического мусора

Материал опубликован 2 April 2020

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
городского округа Королёв Московской области

«Средняя общеобразовательная школа №20»

Экологический проект:

Проблема космического мусора

Разработчик проекта:

обучающийся 11 «А» класса

Ненадышин Андрей Алексеевич

Руководитель: учитель биологии

Афиногенова Светлана Германовна

г. Королёв, 2019 год

Экологический проект:

Проблема космического мусора

Содержание:

I.Введение………………………………………………………………….2-3

1. Актуальность проекта……………………………………………..........2

2. Цель, задачи, гипотеза, методы проекта………………………………3

II. Обоснование проекта…………………………………………………..4-5

III. Пути реализации проекта……………………………………………..5-14

1. Поисково-теоретический этап…………………………………………5-8

2. Пути решения проблемы космического мусора……………………...8-14

IV. Заключение…………………………………………………………….14-16

Основные выводы…………………………………………………………14-15

Рекомендации………………………………………………………………15-16

Литература…………………………………………………………………17

V. Приложения…………………………………………………………….18-23

«Невозможное сегодня станет

возможным завтра»

К.Э. Циолковский

I. Введение

1. Актуальность проекта

Человечество начало осваивать космос сравнительно недавно. В 1957 году в Советском Союзе был запущен первый искусственный спутник Земли, открывший космическую эру в истории изучения Вселенной. Менее чем через 4 года, в 1961 Ю. А. Гагарин стал первым человеком, побывавшим в космосе. Первый луноход и первая женщина-космонавт, изучение других планет и выход за пределы космического корабля, так начиналась эпоха покорения Вселенной, в результате которой проводились сложнейшие эксперименты, научные открытия, исследования.

В настоящее время большое количество развитых стран мира борются за звание быть космическими державами, поэтому новые технологии в этой отрасли внедряются быстрыми темпами.

Но так ли безвредны последствия запусков космических аппаратов для околоземного пространства?

Космический мусор - вот что является на данный момент проблемой, которую нужно решать незамедлительно, наряду с исследованиями и внедрением новых технологий в изучении космоса. Сейчас уже можно сказать, что вокруг Земли скопились миллионы обломков, которые мешают запуску искусственных спутников Земли, а в некоторых случаях представляют собой реальную угрозу экипажам космических аппаратов и даже людям на земле.

И теперь, когда диагноз поставлен, самое время начать разработку лечения. Что мы должны предпринять, чтобы предотвратить блокирование выхода в космос? Как исправить те проблемы, которые существуют сейчас?

Пути решения, а также их преимущества и недостатки описаны мною в проекте «Проблема космического мусора».

2. Цель, задачи, гипотеза, методы проекта

Цель проекта: Изучить проблему загрязнения околоземного пространства космическим мусором, систематизировать и предложить наиболее оптимальные пути защиты и методы его утилизации.

Задачи проекта:

По информационным источникам изучить проблему космического мусора, причинах его появления;

Выявить влияние обломков на безопасность космических полетов околоземного и космического пространства;

Рассмотреть пути решения утилизации различного рода обломков, выявить наиболее оптимальный вариант защиты околоземного и космического пространства от космического мусора;

Представить данную информацию в виде экологического буклета, для ознакомления обучающихся и учителей нашей школы.

Гипотеза: Космический мусор угрожает околоземной орбите своим огромным количеством. Возможно ли собрать и утилизировать его и какие технологии будут наиболее приемлемыми.

Методы исследования:

-анализ и систематизация информационных источников о причинах появления космических обломков различного происхождения и размера, а также путей решения этой проблемы;

-социологический опрос обучающихся и учителей школы;

-практическое решение данной проблемы и представление собственного пути утилизации космического мусора;

-обобщение результатов проекта и создание экологического буклета.

Разработчик проекта: Ненадышин Андрей, обучающийся 11 «А» класса МБОУ СОШ № 20

II. Обоснование проекта

В нашем понимании космос, Вселенная - это необъятное пространство, которое вмещает множество галактик, планет, звезд и других космических объектов. Космический мусор, который накопился на околоземной орбите за последние 60-70 лет исследований различных стран нам кажется малой каплей в этом огромном вселенском океане. Безопасность, и еще раз безопасность космических кораблей, вот, что является главной причиной беспокойства многих ученых, которые решают эту проблему. Современные космические корабли защищены от попаданий микрометеоритов диаметром до 1 см. Но множество обломков различных размеров движущиеся по орбитам с огромной скоростью являются опасными, так как способны разрушить борт корабля подобно снарядам, а значит может спровоцировать катастрофу и гибель космонавтов. Движение обломков контролируются специалистами с Земли, чтобы исключить опасные столкновения, удача, если такая ситуация не произойдет. Данная программа требует финансовых затрат и постоянный мониторинг космического пространства. Уже есть случаи, когда не удалось избежать таких встреч с космическим мусором. Некоторые страны понесли от них убытки.

Так, частица мусора 1 см в диаметре пробила антенну телескопа «Хаббл». Российскому спутнику «Экспресс АМ11» повезло меньше: в 2006 г. удар микроскопической частицы мусора повредил систему терморегулирования, в результате чего спутник вышел из строя и на некоторое время оставил Дальний Восток без телевещания. Самую богатую историю «обстрелов» накопили американские шаттлы. Наиболее известен случай, который произошел в 2006 г. с шаттлом Atlantis, когда небольшая частица космического мусора пробила панель радиатора, одну стенку грузового отсека и застряла в противоположной.

В настоящее время решение проблемы космического мусора является сложной, поскольку окончательно еще нет ответа на вопрос какой из методов будет экономичным, рациональным и самое главное действенным.

В нашей школе я провел социологический опрос среди обучающихся 8-11 классов и учителей, предложил ответить на несколько вопросов.

На вопрос, знают ли они о проблеме комического мусора, большинство учителей (72%) ответили, что знают и читали об этом. Ученики нашей школы только 23% слышали о космическом мусоре. Большая часть опрошенных могли ответить на вопрос, что является космическим мусором (94%), так как они представляют масштаб исследований, которые осуществляются космической отраслью разных стран мира. Небольшое количество учителей (11%) могли ответить на вопрос, какие методы они знают для уничтожения обломков, а дети не смогли ответить на него и только предполагали каким образом можно избавить околоземную орбиту от космического мусора. В результате опроса я понял, что данную проблему нужно осветить на школьной конференции и познакомить и учителей, и учеников нашей школы с проблемой утилизации всего того, что накопилось на орбите за время космических полетов.

Анкета и результаты социологического опроса. (Приложение 1)

Своим проектом я хочу оценить различные варианты удаления космического мусора с околоземной орбиты, их положительные стороны и недостатки.

Предложить более рациональные методы, с моей точки зрения, которые возможно, будут приняты во внимание и лягут в основу применимых способов утилизации различных космических обломков.

III. Пути реализации проекта

1. Поисково-теоретический этап

Что такое – космический мусор? Источники загрязнения

Космический мусор – фрагменты объектов спутников, кораблей, станций, запускавшихся человеком в космос, на данный момент не функционирующие, при этом несущие опасность столкновения с работающими спутниками, а в особенности с пилотируемыми аппаратами. Официальный статус на международном уровне эта проблема получила после доклада генерального секретаря ООН 10 декабря 1993 года под названием «Воздействие космической деятельности на окружающую среду», где было отмечено, что так как космическое пространство осваивают многие страны мира, поэтому данную проблему можно считать глобальной, международной проблемой. Относительно недавно была разработана стратегия по охране околоземного пространства, поэтому еще не все страны включились в работу по созданию программ защиты от пугающе огромного количества скопившихся обломков. Космические аппараты являются основным источником загрязнения околоземной орбиты. За эпоху научных исследований, которые проводят различные страны мира на околоземной орите побывали тысячи спутников. Одни спутники еще выполняют определенную работу, другие уже отслужили свой срок, но не все они возвращаются обратно на Землю.

Космическая орбита и космический мусор. (Приложение 2. Фотография 1)

Почему опасен мусор

Ситуация усугубляется тем, что не всегда отработавший спутник можно вывести на орбиту захоронения или замедлить его, чтобы тот сгорел в атмосфере. К тому же, при столкновении обломков между собой образуется в десятки раз больше фрагментов космического мусора. Несмотря на то, что они менее массивные, их количество делает их еще опаснее. Например,11 января 2007 г. на высоте 865 км китайская противоспутниковая ракета уничтожила отработавший свой срок китайский спутник «Фэнъюнь-1C», столкнувшись с ним встречным курсом. В результате появилось множество новых обломков. Space Surveillance Network - американская компания, которая смогла каталогизировать около 2,8 тысяч из них, по данным Европейского космического агентства, в небе над нами около 29 000 кусков мусора больше 10 сантиметров, 750 000 — от 1 до 10 сантиметров, и 166 миллионов — от 1 миллиметра до 1 сантиметра. Результат бомбардировки космической станции обломками. (Приложение 2. Фотография 2)

Характеристика фрагментов и методы их обнаружения

Обломки состоят в основном из металла (сталь, алюминий, различные сплавы). есть фрагменты из пластика, частицы краски, упаковки, пищевые отходы. Доля частиц космического мусора из других материалов незначительна.

Условно весь космический мусор можно разделить на:

-крупные – это отработавшие свой срок спутники и последние ступени ракет- носителей;

-средние – это космические зонды и эксплуатационный мусор;

-мелкие объекты – это частицы краски и защитные оболочки.

Различают также наблюдаемый и ненаблюдаемый космический мусор.

С помощью различных методов контролируют наблюдаемый мусор, и исследуют его обломки с помощью дистанционного зондирования, используя радиолокационные измерения на низкой околоземной орбите и оптические измерения на высокой околоземной орбите. Космический мусор можно обнаружить не только с помощью радиолокационных станций, но и с помощью телескопа на фоне темного неба, освещенного солнцем, при ясной погоде. Можно обнаружить обломки и с использованием космических средств, но они являются более затратными в экономическом отношении, чем наземные. Число ненаблюдаемых объектов, которые имеют размеры в несколько сантиметров неизвестно, но факт, что такая частица даже размером в 0,5 мм способна пробить скафандр космонавта, изготовленного из многослойного материала, работающего в открытом космосе является тому подтверждением. Скорость ее движения огромна, поэтому ее можно сравнить со снарядом, летящим из орудия. Уже подсчитано, что при таком темпе запуска космических аппаратов в космос, количество мусора будет увеличиваться на 5 % в год. А через 10 лет?

Назрела необходимость систематизировать данные обломки, осуществлять их мониторинг. На основе измерения и отслеживания к настоящему времени существуют два каталога двух стран: России и США, где собраны сведения о засоренности орбит и собраны базы данных, которые постоянно обновляются.

Известные и отслеживаемые спутники и обломки (на ноябрь 2013). (Приложение 2. Фотография 5)

2. Пути решения проблемы космического мусора

Оборонительная тактика

Эта тактика заключается в защите запускаемых аппаратов от космического мусора. Ударопрочные обшивки состоят из специального алюминиевого сплава толщиной около миллиметра. Сверху он покрыт теплоизоляцией из асбестоцементного ламината, и «легкого теплоизоляционного материала». Таким образом, обшивка космического корабля приобретает такие качества, как прочность и легкость. На сегодняшний день существует эффективная защита только от обломков диаметром не более 1 см, однако ведутся разработки по улучшению защитных слоев аппаратов.

Преимущества тактики:

Дает «мгновенную» защиту кораблей, тем самым защищая космический аппарат не только от космического мусора, но и от других тел, причиняющих вред защищаемому объекту;

Сравнительно небольшие затраты ресурсов.

Минусы тактики:

Даже самая совершенная защитная система не сможет противостоять средним и крупным фрагментам космического мусора;

Количество космического мусора не уменьшается, защита может являться лишь временной мерой.

Тактика избегания

Один из путей решения проблемы космического мусора. Делится на несколько этапов:

Расчет траектории движения фрагментов космического мусора;

Построение траектории запускаемого объекта «в обход» космического мусора;

Корректировка траектории запускаемого аппарата во время полета.

Преимущества тактики избегания:

Экономические затраты малы;

Не требует никаких дополнительных сооружений и приспособлений.

Недостатки:

Не решается основная проблема: мусор остается на орбите, накапливается, пока не достигает критической точки (когда невозможно построить маршрут без столкновений), поэтому тактика избегания является лишь временной мерой;

Невозможно учесть все фрагменты космического мусора: мелкие (в несколько сантиметров) обломки остаются незамеченными, но при этом несут огромную опасность для запускаемых аппаратов.

Вывод на орбиту захоронения и затопление космических аппаратов

в Мировом океане

Орбита захоронения – орбита, на которую выводятся отработавшие спутники. Расположена на 235км выше, чем геостационарная орбита, что не дает им столкнуться с еще работающими искусственными спутниками Земли.

Преимущества вывода на орбиту захоронения:

Достаточно простой метод, не требующий ничего кроме предварительных расчетов и топлива для вывода на орбиту;

Метод надежен и применялся неоднократно. Шанс сбоя в работе мал.

Недостатки:

Уже существующие обломки невозможно вывести на орбиту захоронения, из-за чего количество космического мусора на околоземной орбите не уменьшается

В результате таких действий через определенное время на орбите захоронения может возникнуть дефицит места, что заставит нас выводить спутники дальше, на следующую орбиту захоронения. Затраты энергии для этого увеличатся, а значит метод станет менее экономически выгодным

Существует и другой путь решения проблемы космического мусора, который похож на предыдущий, но отличается тем, что отработавшие ИСЗ не выводятся на орбиту захоронения, а затопляются в Мировом океане (в основном в Тихом океане). Однако, такой метод очень опасен для живых организмов, обитающих там, где будет затоплен спутник из-за появления в воде различного рода загрязнений:

- химические;

- механические;

- радиационные;

- шумовые;

- электромагнитные.

В результате чего организмы, живущие близко к месту падения обломков, могут получить ряд заболеваний, что в итоге может привести к их смерти. Данный метод несет большую опасность для экологии океана (особенно, если данный метод использовать для всех отработавших ИСЗ)

Лазерное воздействие

С помощью мощных лазеров можно уничтожать различного размера обломки. При этом такое оборудование может устанавливаться и на спутнике, и на земной поверхности. Благодаря воздействию на космический мусор высокочастотным лазером происходит световое давление, которое способствует изменению траектории движения более крупных обломков, и замедлению скорости их движения, а значит ускорению падения данных объектов на Землю. А более мелкие – будут сгорать под воздействием лазерного луча.

Преимущества лазерного воздействия:

Данный метод эффективен при уничтожении мелких металлических обломков, так как в условиях невесомости капли металла (любой жидкости) при нагревании разрушаются быстро. Лазер испаряет фрагмент полностью, что делает его наиболее эффективным средством борьбы с космическим мусором. Главное решить задачу обеспечения условий полного испарения материала;

Лазер также может использоваться для защиты от столкновения космического корабля и сбора мусора;

С помощью лазерного воздействия производят торможение движения обломков, перевод их на более низкую и безопасную орбиту для ускорения их падения. Так как время нахождения на орбите зависит от высоты этой орбиты. Чем она ниже, тем меньше срок жизни этих объектов.

Недостатки:

При падении обломков после воздействия лазером необходимо отслеживать траекторию их падения, для предотвращения столкновений с объектами на Земле;

Под воздействием лазера крупные объекты могут дробиться на более мелкие;

Большое количество энергии, выделяемое лазерными установками может отрицательно повлиять на окружающую среду.

Способы сбора

Итак, на сегодняшний день нам известно 3 основных способа избегания столкновения с космическим мусором запускаемых аппаратов. Но ни один из них не решает основной проблемы - не устраняет уже существующие обломки. Далее представлены наиболее эффективные способы их сбора.

Сеть.

В конце 2016 года японскими инженерами была сконструирована сеть, которая позволяет собрать крупные и средние обломки. Они использовали 700-метровый электродинамический фал из нержавеющей стали с грузом на конце, камерой и геомагнитным датчиком для управления процессом. К одному из обломков крепился утяжеленный конец троса и с помощью электрического тока замедляется его движение, оттесняя на более низкую орбиту. Мусор должен входить в более плотные атмосферные слои Земли и постепенно сгорать.

Испытание сети провалилось, а метод на практике оказался неэффективным.

Ловушка для мелких частиц.

Ловушка для мелких частиц была изобретена и запатентована российскими инженерами. Представляет собой цилиндр, состоящий из нескольких слоев материалов, уменьшающих скорость частицы, после чего она остается в специальной емкости внутри цилиндра. Когда цилиндр заполняется обломками, он замедляет свою скорость, сходит с орбиты, сгорая в атмосфере. Для очистки от мусора необходимо большое количество таких аппаратов, но, к сожалению, на данный момент не построено ни одного опытного образца.

Магнитная ловушка.

По внешнему виду она сходна с предыдущей, но работает по иному принципу. Большинство обломков металлические, поэтому учеными из разных стран были предложены сходные по принципу действия аппараты, создающие вокруг себя магнитное поле, притягивающее металлические частицы, которые бы собирались в аппарате, а затем сгорали бы в атмосфере. Европейским космическим агентством была представлена модель спутника, цель которого за счет магнитного поля изменить направление и скорость крупного обломка, в результате чего фрагмент космического мусора сгорел бы в атмосфере.

Выстраивание стратегии по очистке околоземного космического пространства от космического мусора.

После того, как мы выяснили основные преимущества и недостатки различных методов борьбы с космическим мусором, можно выстроить наиболее эффективную систему действий.

Шаг 1. Прекращение дальнейшего загрязнения околоземного космического пространства.

Самый эффективный способ – увод отработавших спутников на орбиту захоронения, где они не представляют опасности ни для работающих спутников, ни для Земли.

Шаг 2. Уничтожение уже существующего мусора.

Лазерные установки в этом случае решат проблему быстрее и качественнее, чем другие изобретения, так как будут воздействовать на широкий спектр фрагментов (от крупных, которые будут сбиваться лазерным лучом с орбиты с дальнейшим сгоранием в атмосфере, до мельчайших, которые будут полностью им испаряться).

При этом необходимо обеспечить безопасность от чрезвычайных ситуаций, вызванных лазерным воздействием лазера на крупные объекты. Важно обеспечить защиту наземных объектов и населения от падающих обломков. Для этого нужно рассчитать оптимальную траекторию, а также время падения сталкиваемого объекта.

Шаг 3. Последующий контроль над ситуацией.

После того, как проблема космического мусора будет решена, необходимо предотвратить повторное загрязнение околоземного пространства, что потребует создания международной организации по обеспечению экологической безопасности космоса.

Экономические и экологические риски.

Нагрузки на бюджеты стран, которые будут принимать участие в борьбе с космическим мусором: высокие, из-за применения лазерных установок. При этом предполагается, что некоторые из них будут установлены на спутниках, из-за чего затраты увеличатся в несколько раз. Отказ от спутниковых лазеров может привести к снижению качества работы. Экономическую поддержку могут обеспечить политические партии, придерживающиеся зеленой политики.

Экологические риски: низкие, т.к. лишь небольшое количество обломков достигнет Земли, в результате чего последствия их приземления будут заметными.

IV. Заключение

Основные выводы

Цель проектной работы можно считать достигнутой, так как высказанная гипотеза, что космический мусор угрожает околоземной орбите своим огромным количеством подтверждена, существуют неопровержимые доказательства, в виде:

-фотографий со спутников и космических станций;

-эпизодов столкновения космических кораблей с различного рода и размера космическим мусором;

-исследований с Земли за наблюдаемым космическим мусором;

-наличие каталогов, где собраны сведения о засоренности орбит и собраны базы данных, которые постоянно обновляются.

Существуют различные способы и методы утилизации космического мусора, так как страны, которые обеспокоены этой проблемой разрабатывают программы по его сбору.

Наиболее оптимальных путей защиты и методы его утилизации на данный момент не существует. Есть некоторые успехи в том, чтобы количество мусора не увеличивалось.

По информационным источникам были систематизированы данные о:

-проблеме космического мусора, его опасности для полетов;

-источниках и причинах его появления на околоземной орбите;

-характеристике фрагментов и методах их обнаружения.

Были выявлены пути решения проблемы космического мусора, их преимущества и недостатки. Проведен анализ способов сбора космического мусора. Некоторые из них не решают проблемы утилизации мусора, а только защищают космические корабли и спутники.

Поэтому наиболее эффективным я считаю, необходимость использования совокупности методов: лазерного воздействия для уничтожения мелких частиц и больших по размеру объектов с выводом их на более низкую орбиту и дальнейшего сбора.

Очень важно, чтобы проблема космического мусора решалась быстро и экономично, необходимо:

- международное сотрудничество между странами, ведь нет засорения национального околоземного космического пространства, есть засорение космического пространства Земли, одинаково негативно влияющее на все страны;

-на этапе проектирования спутников необходимо предусматривать методы и средства их вывода с околоземной орбиты;

-результаты данного проекта представлены в виде экологического буклета, для ознакомления обучающихся и учителей нашей школы

«Вся Вселенная жива», - это слова Константина Эдуардовича Циолковского как нельзя кстати определяет, что космическое пространство является частью пространства, куда человек уже внедряется в силу необходимости изучать, исследовать и, возможно, обустраивать жизнь на других планетах в необозримом будущем.

Чисто не там, где убирают, а там, где не мусорят. Поэтому мы не просто должны, а обязаны содержать не только планету на ее поверхности в порядке, но и за ее пределами.

Рекомендации

Для того, чтобы исследования и разработка методов по уничтожению космического мусора была эффективной нужно выстроить наиболее оптимальную систему действий:

-прекращение дальнейшего загрязнения околоземного космического пространства;

-уничтожение уже существующего мусора;

-необходимость контроля и владение ситуацией для обеспечения дальнейших исследований космоса.

Свой проект я хочу закончить словами К.Э. Циолковского: «Если мы не будем свободно высказывать новые мысли, то наука не будет идти вперёд». Это означает, что эксперименты и исследования в этом направлении по утилизации космического мусора должны продолжаться. Новые идеи удачные и необычные, оптимальные и экономичные должны воплощаться. Хочется верить, в то, что наша страна будет первой в решении этой глобальной проблемы.

Литература:

1.Вениаминов С.С., Червонов А.М.: Космический мусор - угроза человечеству. под ред. Назирова Р.Р., Аксенова О.Ю. изд. ФГБУ науки институт космических исследований РАН, - М., 2012.

2.Всемирная энциклопедия космонавтики. В 2-х томах-М.: Военный парад, 2002.

3.Григорьев П.А., Агеев П.О., Кубриков М.В.: Проблемы устранения «Космического мусора», журнал «Актуальные проблемы в авиации и космонавтике» изд. ФГБОУ высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф.Решетнева», - Красноярск, №8, том 1, 2012. - С. 51-52.

Интернет ресурсы:

1.https://econet.ru/articles/168089-magnitnye-buksiry-dlya-kosmicheskogo-musora

2.http://www.e-reading.club/chapter.php/100714/69/Demin_-_Ciolkovskiii.html

3.https://hi-news.ru/space/kak-ochistit-orbitu-ot-kosmicheskogo-musora.html

4.https://tass.ru/kosmos/3672483

5.http://theecology.ru/interesting/kosmicheskiy-musor-problemyi-i-puti-resheniya