Способы устранения опасностей исходящих от космического мусора

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.

Что представляет собой космический мусор? Это детали спутников, ракет, искусственных аппаратов. НАСА отмечает, что подобных объектов на орбите сейчас — примерно 27 тысяч, а скорость их движения — 24 тысячи км/ч. Поэтому любой из них легко может врезаться в спутник или ракету. Причём подобное уже случалось. Например, в марте 2021 года в китайский спутник Yunhai 1-02 врезался «Объект 48078» (фрагмент мусора), причём этот удар уничтожил спутник. Но нужно сказать, что пока что такие ситуации возникают довольно редко и иногда даже столкновения можно избежать — при своевременном обнаружении проблемы диспетчерами миссий.

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.

Источник

Космический мусор: проблемы и пути решения.

Космический мусор: общая информация

Мусор на орбите – это совокупность нефункционирующих искусственных объектов и их фрагментов на околоземной орбите.

Спутник связи на орбите Земли

Самой используемой частью околоземного пространства являются диапазоны высот от 600 до 1 тыс. км – это так называемая низкая околоземная орбита (НОО).

На околоземная орбите находится самая большая часть космического мусора. Следующее скопление – геостационарная орбита, расположенная на высоте примерно 36 тыс. км над экваториальным поясом планеты. Третьей зоной «засорения» Вселенной являются солнечно-синхронные орбиты.

Объекты, попавшие в космос, не остаются там навсегда. На них воздействует космическое излучение, микрометеориты, другие фрагменты. Мусор постепенно теряет высоту и сгорает в плотных слоях атмосферы – каждые 10-11 лет перечень опасных обломков уменьшается на 200-300 пунктов.

Объем мусора на орбите

Определить точно, сколько нежелательных объектов летает на орбите, практически невозможно. Обломки постоянно сгорают в атмосфере, фрагментируются, космические аппараты регулярно выходят из строя, увеличивая количество мусора. Кроме того, отслеживать небольшие фрагменты сложно технически. Сегодня на орбите летает тысячи опасных объектов крупного размера и миллионы мелких фрагментов, а их общая масса составляет несколько тысяч тонн.

Согласно подсчетам Европейского космического агентства (на 2013 год), на орбите находились:

• 22 тыс. объектов более 10 см;
• 750 тыс. фрагментов более одного см;
• 160 млн частиц около 1 мм.

Похожие цифры были приведены в докладе, подготовленном учеными российского МГТУ им. Баумана в начале 2021 года.

Общая масса мусора в околоземном пространстве оценивается от 6 до 7,5 тыс. тонн.

Космический мусор может взрываться

О том, что космический мусор способен повредить работающее космическое оборудование, мы знаем уже давно. Однако, согласно новому отчету ESA, столкновения являются далеко не самой большой проблемой. За последние 10 лет космическая аппаратура получила урон от вышедших из строя спутников только в 0,83% случаев. По словам главы программы космической безопасности ESA Хольгера Крага (Holger Krag), больше всего космический мусор опасен вероятностью возникновения взрывов. Ведь на борту старых космических аппаратов осталось топливо и аккумуляторы. Под различного рода воздействием они могут повреждать работающие спутники сильнее, чем простые столкновения.

Количество космического мусора на орбите Земли поражает

Основные источники засорения орбиты

Спутник-1 – первый в мире искусственный спутник Земли

В 1979 году американцы запустили первую программу по изучению космических аппаратов, находящихся в нерабочем состоянии. С тех пор это название «космический мусор» прикрепилось к рукотворным объектам, вращающимся вокруг Земли. Любопытна структура искусственных объектов, находящихся в непосредственной близости от нашей планеты:

• работающие аппараты – 6%;
• выведенные из эксплуатации КА – 22%;
• разгонные блоки и ступени РН – 17%;
• технологические элементы, отходы, сопутствующие запускам, фрагменты и обломки – 55%.

Мусор обладает неприятной особенностью: он способен воспроизводиться прямо на орбите. Крупные обломки фрагментируются и образуют миллионы мелких осколков.

Инженеры НАСА считают, что треть обломков на орбите – это следствие всего лишь 10 неудачных миссий.

Отработавшие спутники

Большинство космических аппаратов работает пять-десять лет, после чего их меняют на новые.

За пятьдесят лет было запущено более 6.5 тысяч спутников, из которых около 3.5 тысяч все еще вращается вокруг нашей планеты.

Сегодня сразу несколько компаний планируют покрыть планету доступным спутниковым интернетом. OneWeb для этого хочет вывести на НОО около 700 аппаратов, а SpaceX – более 12 тысяч.

Система спутников Starlink

Подобные проекты способны не только увеличить количество орбитального мусора, но и создают опасность столкновений работающих аппаратов. В начале сентября 2021 года европейский метеоспутник ADM-Aeolus чудом избежал столкновения с аппаратом Starlink от SpaceX.

Еще одной проблемой могут стать кубсаты – малые или сверхмалые спутники, ставшие особенно популярными в последнее десятилетие. Они немного весят и дешево стоят, поэтому их забрасывают на орбиту в виде дополнительного груза десятками штук. При этом они имеют малый срок жизни и практически неуправляемы.

Спутник формата CubeSat

Утилизация отработавших свой срок космических аппаратов происходит путем их спускания в атмосферу или вывода на орбиты захоронения. Крупные объекты затапливают в несудоходных районах Мирового океана. Для транспортировки аппарата на «мусорную» орбиту необходимо дополнительное горючее, а стоимость вывода в космос каждого лишнего килограмма – десятки тысячи долларов. А платить лишние деньги никто не хочет.

Проект «Вестфорд»

Одним из самых крупных единоразовых засорений космоса стал американский проект «Вестфорд», реализованный в начале 60-х годов. Военные хотели создать искусственную ионосферу для обеспечения надежной связи. Для этого на орбиту отправили почти половину миллиарда тонких медных иголок. Иглы работали всего несколько недель, после чего разлетелись, превратившись в мусор. Большая их часть быстро сгорела в атмосфере, но более 40 скоплений до сих пор кружит на орбите.

Ракетные блоки

На килограмм массы, выведенной в космос, приходится примерно пять килограмм дополнительной.

Последние ступени ракет-носителей возвращаются на Землю, а вот разгонные блоки остаются за пределами атмосферы. Обычно в них остается небольшое количество топлива (5-10%). Поэтому блоки часто взрываются, образуя сотни мелких осколков.

Отстыковка твердотопливных ракетных ускорителей

Другие источники

Космический мусор имеет разное происхождение. Есть вещи и инструменты, потерянные космонавтами. Значительная доля небольших частиц – это несгоревшие остатки твердого ракетного топлива и капли жидкого металла из ядерных установок. Еще одним источником являются испытания противоспутникового оружия: в 2007 году с помощью ракеты Китай сбил свой аппарат «Фэнъюнь-1C».

Опасность космического мусора

Долгое время проблема засорения пространства вокруг нашей планеты казалась исключительно теоретической. Всерьез заниматься мусором в космосе стали только в 80-е годы прошлого столетия.

Угроза для работающих спутников

Наибольшую опасность обломки спутников и ракет представляют для работающих аппаратов. В космосе нет силы трения, и тела движутся по орбите планеты с огромной и постоянной скоростью.

Даже маленький осколок способен повредить большой аппарат, уничтожить спутник или убить космонавта.

Наихудший сценарий развития событий в конце 70-х годов описал американский инженер Дональд Кесслер. Согласно ему, бесконтрольное увеличение числа аппаратов в космосе может привести к каскадному эффекту. Взрыв или разрушение одного из них породит тысячи осколков, которые ударят по соседним объектам. Они, в свою очередь, станут источником новых обломков.

Пока вероятность столкновений не слишком высока, но неприятные инциденты уже случались:

• В 1996 году ИСЗ CERISE столкнулся с частью бака РН «Ариан-5».
• В 2006 году после столкновения из строя был выведен российский аппарат «Экспресс-АМ11».
• В 2009 году спутник Iridium налетел на неработающий российский ИСЗ «Космос-2251».

Повреждения от столкновений с мусорными частицами получали пилотируемые корабли. В 1983 году после возвращения шаттла Challenger в его иллюминаторе был обнаружен след от удара микрочастицы краски. В 1999 году МКС уклонилась от старого разгонного блока.

Угроза для Земли

Космический мусор опасен и для обитателей планеты, хотя угроза эта не слишком велика. Она может быть реальной в том случае, если на борту есть радиоактивные материалы:

• В 1964 году в атмосфере взорвался американский спутник с ядерной установкой.
• В 1976 году советский военный аппарат с ядерным реактором упал в северной части Канады.

По информации НАСА, каждый год несколько крупных фрагментов КА достигают поверхности Земли.

Проблема мусора на околоземном пространстве способна закрыть для человечества космос.

Если проблему не решить, то скопление мертвой техники сделает полеты невозможными. Человечеству придется забыть об использовании спутников – мы можем оказаться без связи, телевидения, прогнозов погоды и других полезных вещей.

Космический мусор онлайн

Согласно Википедии, под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые В некоторых случаях, крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы объекты космического мусора могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п.

Крупные объекты, находящиеся на низких околоземных орбитах постепенно замедляются и через какое-то время входят в атмосферу. Некоторые их фрагменты достигают поверхности планеты. Небольшие объекты космического мусора попадают в плотные слои атмосферы практически ежедневно, более крупные — несколько раз в месяц. По данным Nicholas Johnson (НАСА) почти ежегодно отдельные фрагменты спутников или ракет достигают поверхности

В интернете существует несколько открытых ресурсов для слежения за роем гаек, балок и кусков обшивки над нашими головами, некоторые из них представлены в этом кратком обзоре.

Stuff in Space

Сайт использует технологию WebGL, поэтому лучше всего смотреть его в последних версиях Firefox или Chrome. Визуальная составляющая также богата как и информационная. В 3D модели окружающего Землю облаке мусора представлены ежедневные обновления с Space-Track.org и выведены на экран с помощью библиотеки satellite.js. Просмотреть можно информацию по спутникам, по частям ракет и просто обломков. Все это сортируется через интерфейс — группы меток разбиты на GPS, Iridium, GLONASS, Galileo, Iridium 33 Collision Debris, Westford Needles и SpaceXGroup.

Satview. Спутники и не только

На главной странице сайта выведен дашборд а-ля ЦУП НАСА, на котором, помимо данных телеметрии МКС и ее положения на орбите, есть окошко Google Earth c точкой текущего прохождения станции.

А если перейти на страницу ]]>https://www.satview.org/spacejunk.php]]>, то можно увидеть список всех ближайших «вхождений» в атмосферу, а по сути — падений, различного рода обломков и частей космических аппаратов. Визуальная часть сурова, зато информация полезна — где и когда и что упадет можно посмотреть и из таблиц.

Spacegid. Космический мусор

Как написано в описании страницы: «Точки отмеченные зеленым цветом это активные спутники. Точки отмеченные серым цветом это неактивные спутники. Точки красного цвета это космический мусор. Исходные данные предоставлены аналитическим центром AGI и актуальны на конец 2013 года.»

По сути, это Stuff in Space без описания обломков и упрощенной системой 3D моделирования, плюс данные актуальны на момент 2013 года

Выбор Futuraptor.com

Безусловным победителем данного обзора является Stuff in Space — то как он представляет проблему мусора на орбите заслуживает внимания.

Поиск и наблюдение за космическим мусором

Отслеживанием опасных космических объектов занимаются многие организации: NASA, EKA, обсерватории крупнейших университетов. Для этого используются радиолокационные станции и мощные телескопы, включая знаменитый «Хаббл».

В каталоге американской военной системы US Space Surveillance Network 23 тыс. объектов.

Изучается мусор и в космосе: в конце прошлого столетия на орбите работали спутники LDEF и EURECA.

В России для отслеживания и контроля небесных объектов используется военная система СПРН и сеть «гражданских» станций наблюдения. Существует центр предупреждения об опасных ситуациях в космосе (АСПОС), который располагает 36 телескопами. Они могут обнаружить объекты на высотах до 50 тыс. км. В каталоге системы СПРН 15,8 тыс. объектов.

Откуда появляется космический мусор

Мусор в космосе отслеживается и регистрируется. Этим занимаются многие страны. США и Россия имеют наиболее полные данные, так как обе страны в 60-е XX века создали военную систему, которая предупреждала о ракетном нападении. В дальнейшем отделились организации, занимающиеся наблюдением за мусором.

Наблюдение за загрязнением космоса ведется 2 способами – радиолокационным, оптическим.

Существует космическое и антропогенное загрязнение.

Первый тип возникает непосредственно в околоземном пространстве. К нему относятся:

Что входит во второй список:

• спутники с утерянной связью, они не осуществляют работу;
• последние ступени ракет;
• обшивка искусственных спутников Земли;
• мелкие осколки (1-10 см).

Существуют специальные каталоги, в которых причислен весь мусор размером более 10 см. Если спутники, их утерянные детали, ступени имеют вес от 150 кг до 7 тонн и их легче обнаружить, то осколки, детали менее 100 мм довольно трудно обнаружить и зарегистрировать.

Количество мусора в каталогах дается приблизительно, так как США и Россия часто маскируют свои спутники под мусор. Примерное количество целых устаревших спутников на околоземном пространстве – 1900 шт. Количество мелких деталей – 19000 шт.

Основные методы защиты космических аппаратов

Отследить траекторию мелкой мусорной частицы практически невозможно. Но от нее можно защититься с помощью специального экрана. Сегодня используются многослойные конструкции, состоящие из алюминия, керамики и полиамидных волокон. Более тяжелые фрагменты можно засечь с помощью телескопов или радаров, но от них аппаратам приходится уклоняться.

Международная космическая станция

У Международной космической станции есть условный защитный периметр: 1,5х50х50 км. Если траектория объекта проходит через него, то МКС выполняет маневр уклонения.

При высокой вероятности столкновения экипаж переводится в грузовой корабль, чтобы в случае аварии экстренно эвакуироваться.

Способы решения проблемы

Все существующие и перспективные пути решения проблемы космического мусора вокруг Земли можно разделить на две большие группы: профилактика и уборка.

К профилактическим мерам относят:

• снижение веса запускаемых аппаратов;
• усиление защиты;
• увеличение срока эксплуатации;
• обязательная утилизация КА;
• повышение маневренности.

Такие решения способны замедлить дальнейшее «замусоривание» пространства, но они не уберут объекты, уже находящиеся там. Сегодня проверенных и надежных средств борьбы с орбитальным мусором не существует. Ниже приведены проекты, над которыми работают ученые.

Лазеры

По замыслу инженеров, лазерный луч будет буквально испарять опасные объекты. Сейчас российские ученые ведут работы над созданием подобной системы для защиты МКС.

Гарпун и невод

Идея в том, чтобы захватывать нефункционирующие аппараты с помощью сверхпрочной сети или гарпунить их, а затем отправлять в плотные слои атмосферы. В начале 2021 года она была успешно испытана – британский аппарат RemoveDEBRIS сумел захватить фрагмент спутника.

Воздушные шары для мусора

Данный проект называется GOLD System. Большой и тонкий воздушный шар должен оборачивать фрагменты мусора, увеличивая их аэродинамическое сопротивление.

Буксир с солнечным парусом

Исследовательский центр Surrey Space Centre работает над космической системой уборки мусора с солнечным парусом. Аппарат HybridSail с помощью троса будет цеплять фрагменты, разворачивать парус и уводить их с орбиты.

Вольфрамовый веник на орбите

Идею придумал ученый Гурудас Гангули из США. Он предложил распылить на высоте 1,1 тыс. км облако из частиц вольфрама. По его расчетам, такой тяжелый и плотный металл будет медленно опускаться к Земле, попутно тормозя мелкие фрагменты мусора. Гангули полагает, что пыль не будет вредить работающим аппаратам. Для реализации проекта потребуется 20-25 лет.

Реактивный буксир-самоубийца

Для уборки орбитального мусора предлагают использовать аппараты-буксиры, заталкивающие опасные объекты в атмосферу. Предполагается, что при этом они и сами будут сходить с орбиты.

Источник