Moment, w którym śmieci kosmiczne znajdujące się poniżej 600 km nad Ziemią dostaną się do atmosfery planety, następuje w ciągu kilku lat; w przypadku bardziej odległych odpadów zajmuje to dziesięciolecia, a nawet stulecia. Jednak gdy już dostaną się do górnych warstw atmosfery, drobne śmieci kosmiczne spalają się, nie dochodząc do kilkudziesięciu kilometrów do powierzchni planety, co oznacza, że nie zagrażają życiu ludzi i innych mieszkańców Ziemi. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku większych śmieci; niektórzy naukowcy twierdzą, że są one w stanie przedostać się przez wszystkie warstwy atmosfery i dotrzeć do nich powierzchnia ziemi. Na przykład w 1978 roku radziecki satelita Cosmos-594 spadł na terytorium Kanady, a rok później szczątki amerykańskiego satelity rozsypały się po Australii. stacja kosmiczna.
Gruz jest znacznie bardziej niebezpieczny dla statków kosmicznych. Dziś część naukowców wyraża obawę, że dalsza jego akumulacja może doprowadzić do zaprzestania wystrzeliwania satelitów i lotów kosmicznych. Faktem jest, że szczątki mają dość dużą prędkość swobodnego lotu, a w przypadku przypadkowego zderzenia ze statkiem kosmicznym mogą spowodować jego znaczne uszkodzenia. Tylko w ciągu ostatnich dziesięcioleci znanych było kilka przypadków uszkodzeń satelitów, statków pasażerskich i stacji orbitalnych śmieciami znajdującymi się w przestrzeni blisko Ziemi, a dziś sytuacja jest jeszcze gorsza.
Obecnie nie opracowano jeszcze metod zapobiegania przedostawaniu się śmieci na niską orbitę okołoziemską ani ich niszczenia. Monitoruje się jedynie ruch i lokalizację odpadów kosmicznych. Jednak naukowcy różne kraje proponują różne metody rozwiązania tego problemu, od zbierania odpadów kosmicznych za pomocą gigantycznych metalowych sieci po wynalezienie holownika kosmicznego zdolnego do usuwania śmieci w przestrzeni kosmicznej. Ostatnio Amerykańscy naukowcy zaproponowano pozbycie się gruzu za pomocą pyłu wolframowego rozrzuconego po Ziemi w postaci powłoki o grubości do 30 km. W takim przypadku chmura pyłu wolframowego będzie musiała spowolnić drobne śmieci, oczyszczając z nich przestrzeń blisko Ziemi.
Jednocześnie opracowywane są nowe zasady korzystania z przestrzeni. Przykładowo na pokładzie każdego sztucznego satelity muszą znajdować się rezerwowe zapasy paliwa, pozwalające po jego upływie na skierowanie satelity w stronę Ziemi lub przeniesienie go na specjalnie wyznaczone obszary orbit okołoziemskich. Ponadto dopalacze rakietowe muszą być wyposażone w systemy spuszczania paliwa, aby zapobiec ich późniejszej eksplozji. Środki te są jednak niewystarczające, a problem śmieci kosmicznych nadal pozostaje otwarty.
Kilka dni temu rakieta nośna Falcon 9 przewoziła kosmiczną ciężarówkę Dragon z eksperymentalnym pojemnikiem na śmieci kosmiczne – pojazdem RemoveDebris. Pozwoli to przetestować w praktyce technologię oczyszczania wypalonych statków kosmicznych i ich fragmentów za pomocą harpuna i siatki. Jak zaśmiecona jest przestrzeń blisko Ziemi? Czy wystarczy miejsca na nowe satelity? Postanowiliśmy przyjrzeć się temu problemowi z pomocą badacza z Instytutu matematyka stosowana nazwany na cześć M.V. Keldysz Michaił Zachwatkin.
Maszyny takie jak RemoveDebris będą miały mnóstwo pracy. Według programu badań śmieci kosmicznych NASA liczba obiektów śmieci większych niż 10 centymetrów zbliża się do 20 tysięcy, a ich łączna masa zbliża się do 8 tysięcy ton, z czego większość to szczątki statków kosmicznych.
Według obliczeń Europejskiej Agencji Kosmicznej liczba obiektów większych niż jeden centymetr sięga 750 tysięcy, a mniejszych fragmentów może być tysiące razy więcej. Podczas pracy silników powstaje ogromna liczba drobnych fragmentów o wielkości mikrona, wśród nich jest bardzo dużo drobnych cząstek farby, a ten sztuczny pył już powoduje realne szkody, pozostawiając dziury i mikrokratery w obudowach i na panele słoneczne statku kosmicznego.
Skąd pochodzą śmieci?
Mikrokrater powstały po uderzeniu kawałka śmiecia kosmicznego w szybę wahadłowca Endeavour (misja STS-126)
Jednocześnie zasoby śmieci na orbicie są stale uzupełniane - co roku w przestrzeni blisko Ziemi pojawia się około stu nowych statków kosmicznych, a są to nie tylko satelity, ale także trzecie stopnie rakiet i górne stopnie.
Wzrost liczby obiektów śmieci kosmicznych większych niż 10 centymetrów. Linie reprezentują (od góry do dołu): 1. Całkowita liczba obiektów na orbicie; 2. Drobne pozostałości powstałe w wyniku zniszczenia satelitów; 3. Statek kosmiczny; 4. Fragmenty oddzielone od statku kosmicznego w wyniku normalnej pracy; 5. Górne stopnie rakiet.
Prędzej czy później intensywne zaludnienie orbity musiało doprowadzić do „problemów z użytecznością” i w 1978 roku pracownicy NASA Donald Kessler i Burton Cours-Palais doszli do wniosku, że w niedalekiej przyszłości zaczną pojawiać się kolizje między uszkodzonymi satelitami zdarzają się tak często, że ilość śmieci będzie rosła wykładniczo (nawet jeśli w tym momencie rakiety kosmiczne całkowicie ustaną) i ostatecznie wokół Ziemi utworzy się pierścień szczątków statków kosmicznych, podobny do pierścienia Saturna. Przewidywali, że pierwsza kolizja statku kosmicznego nastąpi przed rokiem 2000. W rzeczywistości do zderzenia satelitów Kosmos-2251 i Iridium 33 doszło 19 lutego 2009 r., a ich „spotkanie” natychmiast wygenerowało 1150 kawałków śmieci tak dużych, że mogły zostać zauważone przez radary systemu kontroli przestrzeni kosmicznej.
Choć syndrom Kesslera – niekontrolowaną reakcję łańcuchową zniszczenia urządzeń na orbicie i przekształcenia przestrzeni okołoziemskiej w strefę zakazaną – możemy zaobserwować jedynie w filmach takich jak „Grawitacja” czy „Wally-E”, śmieci kosmiczne już stają się zauważalną uciążliwość. Wystarczy pamiętać, że Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) regularnie musi dostosowywać swoją orbitę, aby uniknąć kolizji, a jeszcze częściej kosmonauci muszą rzucić wszystko i wdrapać się na statek kosmiczny Sojuz, aby przeczekać moment, w którym stacja niebezpiecznie zbliży się do kawałek kosmicznego śmiecia. Części dostarczane na Ziemię z ISS często ulegają mikrouszkodzeniom – śladom uderzeń drobnymi odłamkami.
Ślad uderzenia mikroskopijnego fragmentu śmieci kosmicznych
Wyjaśnia, że w przestrzeni bliskiej Ziemi nadal następuje pewne samooczyszczanie N+1 badacz Instytut Matematyki Stosowanej im. M.V. Keldysz Michaił Zachwatkin. Według niego w ciągu 11-letniego cyklu aktywność słoneczna Rocznie trzeba wykluczyć z katalogów około 250–300 obiektów odpadowych, które po prostu przedostają się do atmosfery i ulegają spaleniu. Jednak prędkość tego oczyszczania różni się znacznie w zależności od fazy cyklu aktywności Słońca (w okresach aktywnego Słońca atmosfera ziemska „pęcznieje” i zaczyna silniej spowalniać obiekty) oraz od wysokości orbity.
„Chociaż wpływ atmosfery jest odczuwalny na wysokościach do 1500 kilometrów, hamulec atmosferyczny jest naprawdę skuteczny tylko na niskiej orbicie okołoziemskiej, czyli na orbitach do wysokości 500–600 kilometrów. W tej strefie satelity bez ciągłego podnoszenia orbity za pomocą silników mogą przetrwać maksymalnie kilka dekad, po czym wejdą w atmosferę i spłoną. Ale już na wysokościach 700–1000 kilometrów statek kosmiczny może pozostać przez 50–100 lat, czyli w skali życia ludzkiego - prawie na zawsze. Co więcej, orbity te są najbardziej popularne; jest tam wiele satelitów synchronicznych ze Słońcem, ponieważ nie muszą wydawać dużo paliwa, aby utrzymać tę orbitę. Wiele urządzeń jest wystrzeliwanych na te wysokości, ponieważ mogą tam przetrwać długi czas” – mówi naukowiec.
Rozkład liczby satelitów w zależności od wysokości orbity
Najbardziej popularny i najszybciej zaludniony jest poziom od 700 do 1000 kilometrów, ale nawet na tych wysokościach realizacja katastroficznego scenariusza opisanego przez Kesslera jest kwestią odległej przyszłości.
„Na niskich orbitach znajduje się 13 tysięcy satelitów; za 200 lat w najbardziej negatywnym scenariuszu ich liczba wzrośnie do 100 tysięcy, co oznacza, że prawdopodobieństwo kolizji wzrośnie około 100-krotnie. Dziś prawdopodobieństwo katastrofalnej kolizji wynosi mniej więcej raz na pięć lat; wraz ze wzrostem prawdopodobieństwa kolizji otrzymujemy wartość około 20 zdarzeń rocznie na 100 tys. pojazdów. Nie jest to na tyle duże ryzyko, aby wystrzelenie satelitów w tę strefę było komercyjnie bezsensowne” – wyjaśnia Zachwatkin.
Naukowiec uważa jednak, że nie należy pogłębiać problemu, pozostawiając jego rozwiązanie przyszłym pokoleniom, dlatego należy wypracować środki mające na celu walkę z zanieczyszczeniami przestrzeni bliskiej Ziemi już teraz.
Sprzątaj tam, gdzie nie ma śmieci
Na początek dobrze byłoby upewnić się, że nie ma już śmieci kosmicznych, a do tego konieczne jest, aby statek kosmiczny nie eksplodował. Głównym źródłem małych fragmentów na dzisiejszej orbicie nie są zderzenia satelitów ze sobą (jak dotąd znamy tylko jedno takie zdarzenie - zderzenie Iridium z Kosmosem, o którym mowa powyżej), ale tzw. „zdarzenia fragmentacyjne”, zniszczenie satelitów z różnych przyczyn wewnętrznych.
Według szacunków NASA, według stanu na sierpień 2007 r., odnotowano 194 przypadki wybuchowego zniszczenia satelitów, górnych stopni rakiet i górnych stopni oraz kolejnych 51 zdarzeń anormalnych – oddzielenie jakichkolwiek fragmentów (paneli słonecznych, fragmentów izolacji termicznej, elementów konstrukcyjnych ) z pozostałego nienaruszonego aparatu . Jednocześnie eksplozje pojazdów na orbicie są źródłem około 47 procent całkowitej ilości obiektów śmieci kosmicznych.
Statki kosmiczne eksplodują głównie na skutek przegrzania pozostałości paliwa w zbiornikach – z tego powodu w ponad 45 procentach przypadków dochodzi do wybuchowego zniszczenia. Jedno z takich wydarzeń, szeroko relacjonowane w prasie, miało miejsce 19 października 2012 r., kiedy górny stopień Briz-M eksplodował na orbicie, tworząc chmurę składającą się z ponad 100 kawałków gruzu. Niedawno, półtora miesiąca temu, oddano do użytku dodatkowy zbiornik paliwa górnego stopnia Fregata, który posłużył do wystrzelenia satelity Angosat-1, po czym w katalogu obiektów kosmicznych pojawiło się kolejnych 25 fragmentów.
„Ten problem jest dość prosty do rozwiązania – trzeba zadbać o pasywację wypalonych pojazdów, czyli wbudować w zbiorniki zawory, które uwalniałyby opary paliwa, albo utrzymać pracę silników do całkowitego ich wyczerpania, najlepiej przy jednoczesnym obniżeniu orbity pojazdów” – mówi Michaił Zachwatkin.
Zauważa jednak, że jeśli utrzyma się obecne tempo wystrzeliwania nowych statków kosmicznych na niskie orbity i zostaną podjęte istotne działania mające na celu usunięcie zużytych satelitów i pasywację, łączna liczba obiektów większych niż 10 centymetrów nadal wzrośnie o 30 procent w ciągu następnych 200 lat. lata. „Jednocześnie główną rolę we wzroście tej liczby odegrają zderzenia satelitów w tym bardzo przeludnionym rejonie na wysokościach 700–1000 km, z czego największe będą miały miejsce raz na 5–9 lat” – wyjaśnia. naukowiec.
Jak po sobie posprzątać
Od dawna opracowano zasady zapobiegające wzrostowi ładunku śmieci na orbicie – istnieją zalecenia ONZ, a odpowiednia norma została zatwierdzona przez ISO. Jednak jak dotąd nie ma w tej dziedzinie prawnie wiążącego traktatu międzynarodowego, a każdy kraj kieruje się własnymi zasadami, czasami działając na szkodę wspólnych interesów. Tym samym Chiny w 2007 roku zestrzeliły rakietą własnego satelitę pogodowego, jak np w wyniku czego na orbicie pojawiło się ponad 2 tysiące nowych fragmentów śmieci kosmicznych.
Ogólne zalecenia są na ogół dość proste - przenieś zużyty pojazd w miejsce, w którym nie będzie kolidował z nowymi satelitami i, jeśli to możliwe, wyślij go na niskie orbity, aby spalił się w atmosferze. Jak dotąd zasada ta dotyczy ogólnie tylko urządzeń znajdujących się na orbicie geostacjonarnej na wysokości 36 tysięcy kilometrów. Przestrzeń na stacji geostacjonarnej to zasób ograniczony, dlatego satelity geostacjonarne, które spełniły swoje zadanie, są umieszczane na „orbicie składowania” 100–200 kilometrów wyżej, wyjaśnia Zachwatkin. Jednak na innych orbitach zasada ta nie zawsze jest przestrzegana.
Różne opcje urządzeń do usuwania satelitów z orbity poprzez hamowanie (od góry do dołu od lewej do prawej): 1. Użycie nadmuchiwanej butli z gazem - ze względu na opór powietrza; 2. Stosowanie folii naciągniętej na drążkach teleskopowych – ze względu na opór powietrza; 3. Pas z przeciwwagą - ze względu na gradient grawitacyjny; 4. Kabel przewodzący - pod wpływem pól magnetycznych.
GLOBALNA KORPORACJA LOTNICZA
Z jednej strony nie jest opłacalne z komercyjnego punktu widzenia noszenie na pokładzie satelity zapasu paliwa przeznaczonego wyłącznie do deorbitacji urządzenia po zakończeniu jego żywotności. Z drugiej strony wiele satelitów, zwłaszcza mikrourządzeń w standardzie CubeSat, w ogóle nie posiada własnych silników. Inżynierowie oferują wiele opcji dodatkowych urządzeń, które mogą przyspieszyć deorbitację pojazdu. Są to na przykład cylindry nadmuchiwane, które zwiększają powierzchnię urządzenia i tym samym opór powietrza, co spowalnia urządzenie pod wpływem pól elektromagnetycznych. Ale jak dotąd żadne z tych urządzeń nie stało się standardem.
Specjalistyczne pojazdy do sprzątania śmieci kosmicznych, pomimo wysokich kosztów tego typu projektów, mogą okazać się przydatne w zapobieganiu przypadkom fragmentacji dużych pojazdów. „Duży satelita to potencjalnie tysiące małych fragmentów, które mogą powstać w wyniku zderzenia z innym satelitą lub samoistnego zniszczenia. Wyspecjalizowany „czyściciel” może usunąć te duże obiekty, które mają potencjał do fragmentacji, dzięki czemu nie pozostają na tych orbitach w nieskończoność. Jeśli rocznie będziemy usuwać około 4-5 obiektów z wysokich orbit, może to zrównoważyć potencjalny wzrost liczby małych fragmentów w dłuższej perspektywie” – mówi Zakhvatkin.
Wiele obaw budzą plany Elona Muska dotyczące około 12 tysięcy satelitów systemu Starlink, które powinny zapewnić globalny dostęp do Internetu. Michaił Zachwatkin uważa jednak, że projekt ten nie pogorszy poważnie sytuacji ze śmieciami kosmicznymi.
„W przypadku konstelacji systemów Starlink i Oneweb planowane jest wykorzystanie orbit o wysokości ponad 1,1 tys. km. Obecnie stężenie potencjalnie niebezpiecznych fragmentów w tym obszarze jest o rząd wielkości mniejsze niż wartości na wysokościach 800-900 kilometrów. Dlatego dodanie tak dużej liczby urządzeń nie spowoduje, że sytuacja na tych orbitach będzie krytyczna” – mówi naukowiec.
Siergiej Kuzniecow
Kosmiczne śmieci
Rozmieszczenie śmieci w przestrzeni blisko Ziemi
Pod śmieci kosmiczne odnosi się do wszelkich sztucznych obiektów i ich fragmentów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej, które już uległy uszkodzeniu, nie funkcjonują i nigdy już nie będą mogły służyć jakimkolwiek użytecznym celom, a które stanowią niebezpieczny czynnik wpływający na funkcjonowanie statków kosmicznych, zwłaszcza załogowych. W niektórych przypadkach śmieci kosmiczne o dużych rozmiarach lub zawierające na pokładzie materiały niebezpieczne (jądrowe, toksyczne itp.) mogą stanowić bezpośrednie zagrożenie dla Ziemi – w przypadku ich niekontrolowanego deorbitacji, niecałkowitego spalenia podczas przechodzenia przez gęste warstwy kosmosu Atmosfera ziemska i spadające na nią śmieci zaludnionych obszarach, obiekty przemysłowe, komunikacja transportowa itp.
Problem skażenia przestrzeni okołoziemskiej „śmieciami kosmicznymi”, jako problem czysto teoretyczny, powstał zasadniczo bezpośrednio po wystrzeleniu pierwszych sztucznych satelitów Ziemi pod koniec lat pięćdziesiątych. Oficjalny status na poziomie międzynarodowym uzyskała po raporcie Sekretarza Generalnego ONZ zatytułowanym „Wpływ działań kosmicznych na środowisko„10 grudnia, gdzie szczególnie zauważono, że problem ma charakter międzynarodowy, globalny: nie ma skażenia krajowej przestrzeni blisko Ziemi, jest skażenie przestrzeni kosmicznej Ziemi, co równie negatywnie wpływa na wszystkie kraje.
Po rozważeniu potrzeba podjęcia środków mających na celu zmniejszenie intensywności śmieci kosmicznych wytworzonych przez człowieka staje się oczywista możliwe scenariusze eksploracja kosmosu w przyszłości. Istnieją szacunki dotyczące tzw. „efektu kaskady”, który w średnim okresie może powstać w wyniku wzajemnych zderzeń obiektów i cząstek „śmieci kosmicznych”. Ekstrapolując obecne warunki skażenia orbity niskiej Ziemi (LEO), nawet biorąc pod uwagę środki mające na celu zmniejszenie przyszłej liczby eksplozji orbitalnych (42% wszystkich śmieci kosmicznych) oraz inne środki mające na celu zmniejszenie ilości śmieci wytworzonych przez człowieka, efekt ten może w w dłuższej perspektywie doprowadzi do katastrofalnego wzrostu liczby obiektów śmieci orbitalnych w LEO i w konsekwencji do praktycznego braku możliwości dalszej eksploracji kosmosu. Zakłada się, że „po roku 2055 poważnym problemem stanie się proces samoreprodukcji pozostałości po działalności kosmicznej człowieka”
Charakterystyka śmieci kosmicznych
Wkład w powstawanie śmieci kosmicznych według krajów: Chiny – 40%; USA – 27,5%; Rosja – 25,5%; pozostałe kraje - 7%.
Metody zabezpieczenia statku kosmicznego przed kolizją ze statkiem kosmicznym
Praktycznie nie ma skutecznych środków ochrony przed obiektami śmieci kosmicznych o średnicy większej niż 1 cm.
Metody czyszczenia i niszczenia gruzu
Skuteczne praktyczne środki niszczenia śmieci kosmicznych na orbitach o długości ponad 600 km (gdzie nie ma wpływu oczyszczający efekt hamowania na atmosferę) nie istnieją na obecnym poziomie rozwoju technologicznego ludzkości. Chociaż rozważano wiele innych, na przykład projekt satelity, który będzie wyszukiwał śmieci i odparowywał je za pomocą silnej wiązki lasera, lub laser naziemny, który powinien spowalniać śmieci przed wejściem i późniejszym spalaniem w atmosferze , czyli urządzenie zbierające śmieci do dalszego przetwarzania. Jednocześnie aktualność zadania zapewnienia bezpieczeństwa lotów kosmicznych w warunkach technogennego zanieczyszczenia przestrzeni bliskiej Ziemi (ESV) oraz ograniczenia zagrożenia obiektów na Ziemi podczas niekontrolowanego wejścia obiektów kosmicznych w gęste warstwy atmosferze i ich opadanie na Ziemię szybko rośnie. Dlatego, aby zapewnić rozwiązanie tego problemu, rozwija się współpraca międzynarodowa w kwestii „śmieci kosmicznych” w następujących obszarach priorytetowych:
- Monitoring środowiska NEO, w tym obszaru orbity geostacjonarnej (GEO): monitorowanie „śmieci kosmicznych” oraz prowadzenie katalogu obiektów „śmieci kosmicznych”.
- Matematyczne modelowanie „śmieci kosmicznych” i tworzenie międzynarodowych systemy informacyjne przewidywanie skażenia statku kosmicznego i jego niebezpieczeństwa dla lotów kosmicznych, a także wsparcie informacyjne w przypadku zdarzeń niebezpiecznego podejścia statku kosmicznego i jego niekontrolowanego wejścia w gęste warstwy atmosfery.
- Opracowanie metod i środków ochrony statków kosmicznych przed działaniem szybkich cząstek „śmieci kosmicznych”.
- Opracowanie i wdrożenie działań mających na celu zmniejszenie skażenia obszaru odpadów.
Ponieważ nie istnieją jeszcze ekonomicznie akceptowalne metody oczyszczania przestrzeni kosmicznej ze śmieci, w najbliższej przyszłości główna uwaga zostanie zwrócona na działania kontrolne wykluczające powstawanie śmieci, takie jak zapobieganie wybuchom orbitalnym towarzyszącym lotowi elementów technologicznych, wyrzucenie zużytych statków kosmicznych na orbity utylizacyjne i wyhamowanie do atmosfery itp.
Jednocześnie, ponieważ większość działań mających na celu ograniczenie skażeń bezpośrednio lub pośrednio wpływa na kwestie kształtowania wyglądu i konkurencyjności obiecującej technologii kosmicznej i wiąże się ze znacznymi kosztami dla jej projektów modernizacyjnych, obiecujące ogólne regulacje i standardy dotyczące skażenia obiektów kosmicznych muszą zostać przyjęte ostrożnie i na skalę globalną.
Organizacje narodowe
Obecnie tylko dwa kraje – Rosja i Stany Zjednoczone – mają możliwość monitorowania całej przestrzeni kosmicznej blisko Ziemi pod kątem skażeń spowodowanych przez człowieka, opierając się na swoich krajowych systemach kontroli przestrzeni kosmicznej.
Rosja (ZSRR)
W lipcu 1996 roku na wysokości około 660 km francuski satelita zderzył się z fragmentem trzeciego stopnia francuskiej rakiety Arian.
Historyczne znaczenie śmieci orbitalnych
Historycy nauki zwracają uwagę, że niektóre obiekty na orbicie, postrzegane jako śmieci, zainteresują przyszłych archeologów kosmicznych i dlatego należy je zachować.
Zobacz także
- Planetes (serial anime o zbieraczach śmieci kosmicznych)
Notatki
Według danych dostarczonych przez naukowców ze Stanów Zjednoczonych, obecnie na orbicie naszej planety znajduje się ponad 23 tysiące sztucznych obiektów, które można zaliczyć do śmieci kosmicznych. Obejmuje to „martwe satelity”, części pozostałe po eksplodowanych rakietach itp.
Mówimy głównie o obiektach większych niż 10 centymetrów. Wszystkie wymienione są w specjalnych katalogach i posiadają własne numery identyfikacyjne. Nawiasem mówiąc, w 2013 roku liczba takich fragmentów na orbicie Ziemi, według amerykańskiego katalogu, wynosiła zaledwie 16 600.
Problem śmieci kosmicznych
Dziś naukowcy coraz częściej zaczynają mówić o zatykaniu orbity okołoziemskiej śmieciami kosmicznymi. W połowie kwietnia Europejska Agencja Kosmiczna poinformowała, że na orbicie znajduje się już tak wiele sztucznych fragmentów, że ich monitorowanie staje się bardzo trudne, a to może prowadzić do różnych wypadków. Śmieci gromadzone przez dziesięciolecia nie mają wartości naukowej, ale stanowią zagrożenie dla ISS, pracujących satelitów i lotów kosmicznych. Raport przedstawiony przez ESA zawiera następujące dane:
„Korzystając z potężnych radarów naziemnych i innych instrumentów optycznych, ustaliliśmy, że na orbicie znajduje się około ponad 700 000 obiektów większych niż 1 centymetr i około 170 milionów fragmentów większych niż 1 milimetr. Liczby te rosną z roku na rok.”
Problem śmieci kosmicznych staje się palącym problemem i jeśli nie zostanie rozwiązany, ryzykujemy, że znajdziemy się w sytuacji, w której ludzkość nie będzie już mogła podróżować w kosmos; Istnieje jednak wiele projektów, których realizacja pomogłaby rozwiązać ten problem. Na przykład dr Siegfried Jason chce stworzyć urządzenie ważące około 100 gramów, które wychwytywałoby śmieci i kierowało je do atmosfery planety, gdzie uległoby spaleniu. Inni proponują w ogóle wysyłanie śmieci kosmicznych na Marsa. Niestety, ze względu na aspekt finansowy, wszelkie propozycje istnieją, jak mówią, na razie tylko na papierze.
Nadal nie wiadomo, w jaki sposób naukowcy chcą zniszczyć pierwiastki radioaktywne. W latach 60. i 80. ubiegłego wieku ZSRR wystrzelił w przestrzeń kosmiczną dużą liczbę satelitów rozpoznania morskiego USA-A. Na pokładzie każdego urządzenia jest reaktor jądrowy z 30 kilogramami wzbogaconego uranu-235. Wystrzelono serię 30 urządzeń, z których kilka już „wróciło” na Ziemię. Jeden z nich, Cosmos 954, spadł do Kanady w 1978 roku. Gruz satelity spowodował skażenie radioaktywne obszaru (na szczęście słabo zaludnionego), co doprowadziło do poważnego międzynarodowego skandalu. Pozostałe niedziałające satelity „zakopano” na orbicie na wysokości około 1000 kilometrów, gdzie według ekspertów będą mogły pozostać przez kolejne 2000 lat.
ISS i śmieci kosmiczne
W maju ubiegłego roku brytyjski astronauta Timothy Peake, który wówczas pracował na pokładzie ISS, wysłał to zdjęcie z powrotem na Ziemię.
Na zdjęciu wyraźnie widać małe pęknięcie czyli uszkodzenie szyby. Eksperci Europejskiej Agencji Kosmicznej wyjaśnili, że zniszczenia spowodował dochodzący z zewnątrz fragment metalu. „nie więcej niż kilka tysięcznych milimetra”. Tak naprawdę obiekty tej wielkości nie mogą spowodować poważnych uszkodzeń stacji, jednak przelatujący w przestrzeni kosmicznej z prędkością pocisku fragment o średnicy większej niż 1 centymetr może spowodować sytuację krytyczną. Aż strach wyobrazić sobie, co stanie się ze stacją, jeśli uderzy w nią kawałek żelaza większy niż 10 centymetrów.
ISS znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej, na wysokości około 400 kilometrów nad poziomem morza (LEO ma wysokość od 160 do 2000 km). Warto dodać, że wszystkie loty kosmiczne odbywały się i odbywają w rejonie LEO, a większość sztucznych satelitów Ziemi jest tu wystrzeliwana, dlatego też gromadzi się tu duża ilość śmieci.
Możliwość zderzenia ISS z tymi obiektami istnieje stale, na szczęście żyjemy w XXI wieku, a technologia pozwala nam śledzić ruch śmieci kosmicznych. Wokół stacji znajduje się tzw. „obwód ochronny” w kształcie pudełka po pizzy. Jego wymiary to 4 km wysokości (2 km w dół i w górę od stacji) oraz 25 km szerokości i długości. Jeżeli którykolwiek ze śmieci spadnie w tę strefę ochronną, na monitorach służby naziemnej USSTRATCOM odpowiedzialnej za śledzenie śmieci pojawi się alarm.
Operatorzy ostrzegają NASA o zbliżającym się niebezpieczeństwie i zaczynają dostosowywać wysokość ISS: podnosząc lub opuszczając stację, aby uniknąć kolizji. Wiadomo, że bardzo małe kawałki żelaza wielkości ucha igielnego są bardzo trudne do wyśledzenia i jak pisaliśmy powyżej, nie stanowią zagrożenia dla ISS.
Jak na swoje rozmiary Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest bardzo mobilna (waży nieco ponad 400 ton). Wyposażona jest w cztery żyrostacje – urządzenia inercyjne umożliwiające stacji zmianę kierunku w przestrzeni. Oprócz tego ISS ma kilka zestawów silników odrzutowych, które pozwalają jej się obracać. Zarządzanie odbywa się z ziemi za pośrednictwem służb specjalnych.
ISS utrzymywana jest na niskiej orbicie okołoziemskiej dzięki sile grawitacji Ziemi. Bez tej atrakcji stacja poleciałaby w przestrzeń kosmiczną. W oparciu o prawo uniwersalna grawitacja, okazuje się, że ISS wydaje się spadać na Ziemię, ale „nie trafia”, w dodatku nadal porusza się „na boki” (nie zapominajcie, że planeta jest okrągła). Aby zapobiec zatrzymaniu tego ruchu, należy prawidłowo wybrać tę „prędkość boczną”. Dla ISS jest to 8 km/s.
Jeszcze jeden niuans. Na wysokości, na której znajduje się ISS, można prześledzić atmosferę – gazową powłokę, która wiruje wraz z naszą planetą. Stacja niejako „ociera się” o nią i zwalnia, coraz bardziej zbliżając się do Ziemi. Aby zapobiec całkowitemu zawaleniu się kosmicznego domu, konieczne jest regularne podnoszenie jego wysokości.
W ten sam sposób śmieci kosmiczne „działają” i krążą wokół Ziemi w LEO. Z dwiema różnicami - ma większą prędkość niż ISS i nie jest sterowany ze stanowiska dowodzenia. Gruz z różnych urządzeń stale spada. Każdego roku do atmosfery ziemskiej przedostaje się około 150 ton śmieci. Mniejsze fragmenty spalają się w atmosferze, większe toną w oceanie, ale czasami mogą zapaść się na stałą powierzchnię. Najbardziej godnym uwagi incydentem ostatnich kilkudziesięciu lat był upadek w 1997 roku zbiornika paliwa drugiego stopnia rakiety nośnej Delta 2. Kawałek metalu spadł w Teksasie. Na szczęście nikt nie został ranny.
Szczątki znajdują się również na orbicie geostacjonarnej, która zaczyna się na wysokości ponad 30 000 km. Powszechnie wiadomo, że im wyższa orbita, tym mniejsza siła grawitacji i mniej ingerencji atmosfery, co oznacza, że gruz może na niej pozostać dłużej – przez stulecia!
Lider pod względem ilości śmieci pozostawionych w kosmosie
Większość śmieci kosmicznych składa się z fragmentów, które powstały podczas celowej lub spontanicznej eksplozji rakiet lub satelitów. Większość tych eksplozji była „zaplanowana”. Podczas Zimna wojna ZSRR i USA przeprowadziły wiele lotów kosmicznych w ramach programów wojskowych, a część statków, które nie wykonały zadania, zostały po prostu zniszczone w kosmosie.
Ale zdarzały się też sytuacje awaryjne, gdy urządzenia eksplodowały w sposób niezamierzony, z powodu problemów z systemem. Na przykład w latach 60. główną przyczyną katastrof kosmicznych były opary paliwa rakietowego, które nie miały czasu wypalić się podczas pracy układów napędowych. W 1965 roku z powodu pozostałości paliwa w zbiornikach eksplodował stopień amerykańskiej rakiety Transstage, w wyniku czego rakieta rozpadła się na 500 części. Wszystkie te fragmenty pozostały w kosmosie.
Pierwsze miejsce w eksplozjach na orbicie należy do... Rosji. Od 1991 r. miało miejsce co najmniej 35 wypadków z udziałem rosyjskich rakiet. Można się tylko domyślać, z czym to się wiąże. Jedną z przyczyn jest spadek jakości produkowanej technologii kosmicznej. Problem ten zaczął się po rozpadzie ZSRR. Ku naszemu rozczarowaniu, upadek przemysłu rakietowego i kosmicznego w dalszym ciągu nie może zostać przezwyciężony.
Znalazłeś błąd? Wybierz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.
Przez lata eksploracji kosmosu zgromadziło się tam wiele bezużytecznych przedmiotów. Absolwent MSTU. Baumana, specjalizującego się w modelowaniu zespołów kosmicznych Anna Łożkina wyjaśnia pochodzenie tych śmieci, skąd się biorą i dlaczego nie spadają nam na głowy, mówi, co można zrobić, aby zachować czystość przestrzeni kosmicznej.
Jakie obiekty krążą wokół naszej planety?
Po pierwsze, jest to technika wprowadzona przez ludzi.
Pojazdy teledetekcyjne i międzyplanetarna stacja kosmiczna (ISS) poruszają się po niskiej orbicie okołoziemskiej, na wysokości od 160 do 2000 kilometrów.
Na bardziej odległej orbicie geostacjonarnej jej wysokość wynosi około 36 tysięcy kilometrów nad powierzchnią planety, satelity „unoszą się” w celu bezpośredniego nadawania programów telewizyjnych i różne systemy komunikacja.
Tak naprawdę satelity poruszają się z bardzo dużymi prędkościami liniowymi i kątowymi, dotrzymując kroku obrotowi Ziemi, dlatego każdy znajduje się nad swoim punktem na planecie – jakby wisiał nad nim.
Ponadto na orbicie znajdują się różne „śmieci kosmiczne”.
Skąd biorą się śmieci w kosmosie, jeśli nikt tam nie mieszka?
Podobnie jak na Ziemi, śmieci w kosmosie są dziełem człowieka. Są to zużyte stopnie pojazdów nośnych, pozostałości po zderzeniach lub eksplozjach satelitów.
Liczba pojazdów wysłanych w przestrzeń kosmiczną od 1957 roku do chwili obecnej przekroczyła 15 tysięcy. Na niskich orbitach robi się już tłoczno.
Część sprzętu staje się przestarzała – niektórym urządzeniom kończy się paliwo, innym sprzęt się psuje. Takich satelitów nie można już kontrolować, a jedynie śledzić.
Wkrótce wokół Ziemi będzie tak wiele satelitów i śmieci kosmicznych, że nie będzie możliwe wystrzelenie nowego satelity ani odlot rakietą od Ziemi.
Zderzenie nawet małych obiektów poruszających się z prędkościami orbitalnymi pod pewnym kątem względem siebie prowadzi do ich znacznego zniszczenia. Zatem guma do żucia lecąca na orbitę ISS może przebić powłokę stacji i zabić całą załogę.
Podobny efekt – wzrost ilości śmieci na niskiej orbicie okołoziemskiej w wyniku zderzeń obiektów – nazywany jest syndromem Kesslera i może potencjalnie doprowadzić w przyszłości do całkowitej niemożności wykorzystania przestrzeni kosmicznej podczas startu z Ziemi.
Jak się sprawy mają tam, wysoko na orbicie geostacjonarnej? Jest też gęsto zaludnione, miejsca tam są drogie i jest nawet lista oczekujących. Dlatego gdy tylko żywotność urządzenia dobiegnie końca, jest ono usuwane ze stacji geostacjonarnej, a następny satelita leci na zwolnioną pozycję.
Gdzie trafiają śmieci kosmiczne?
Z niskiej orbity okołoziemskiej każdy duży obiekt schodzi do atmosfery, gdzie szybko i całkowicie spala się – nawet popiół nie spada na nasze głowy.
Ale w przypadku małych kawałków sytuacja jest bardziej skomplikowana. Kilka organizacji w Stanach Zjednoczonych i Rosji niezawodnie śledzi jedynie statki kosmiczne i śmieci większe niż 10 cm. Obiekty o rozmiarach od 1 do 10 cm są prawie niemożliwe do policzenia.
Z orbity geostacjonarnej satelity, które są przestarzałe lub przestały normalnie funkcjonować, są przenoszone dalej, na wysokość około 40 tysięcy kilometrów, aby zrobić miejsce dla nowych konkurentów.
Tym samym za stacją geostacjonarną pojawiła się orbita pogrzebowa, na której „martwe” satelity będą latać bezwładnie przez setki lat.
Co się dzieje ze statkami kosmicznymi?
Statki, na których ludzie polecieli w kosmos, wracają na Ziemię, gdzie spędzają swoje życie w muzeach lub ośrodkach badawczych.
Śmieci powstałe w trakcie życiowej działalności mieszkańców międzynarodowej stacji kosmicznej na pewno nie trafią w przestrzeń kosmiczną. Jest starannie składany, ładowany na statek transportowy – ten, który przywiezie im wszystko, czego potrzebują, i wyrusza w stronę Ziemi. W drodze powrotnej statek ten prawie całkowicie spala się w atmosferze lub zatonął w Pacyfiku.
Śmieci jako koszty wystrzelenia statku kosmicznego
Komunikat w radiu lub na ekranach telewizorów, że „rozdzielenie pierwszego stopnia odbyło się normalnie” brzmi znajomo nowoczesny człowiek. W drodze na planowaną orbitę rakieta nośna gubi także inne części, które stały się niepotrzebne.
Na 1 kg wystrzelonej masy przypada co najmniej 5 kg masy pomocniczej. Co się z nimi dzieje?
Czołgi pierwszego etapu są natychmiast „łapane” na Ziemi przez specjalnie przeszkolonych ludzi. Drugi stopień i owiewki również spadają na Ziemię, ale rozpraszają się znacznie dalej i są trudniejsze do znalezienia.
Ale górne stopnie, które są wykorzystywane podczas przejścia z orbity odniesienia na orbitę końcową, pozostają tam. Z biegiem czasu powoli zsuwają się w dół i przedostają się do atmosfery, gdzie ulegają spaleniu.
Zasadniczo wszystko zamienia się w pył i ulatnia się do atmosfery. Chyba, że dotrą do nas bardzo, bardzo duże i mocne kawałki. W 2001 roku kawałek wyleciał ze stacji MIR i wpadł do oceanu.
Utylizacja statku kosmicznego
Okazuje się, że metody utylizacji statków kosmicznych polegają na topieniu ich w oceanie, wystrzeliwaniu dalej, spalaniu w atmosferze... Jest to metoda całkowicie bezodpadowa.
Części znalezione na Ziemi przez ratowników są poddawane recyklingowi lub ponownie wykorzystywane.
Niestety nie wszystko jeszcze można poddać recyklingowi. Hydrazyna wyciekająca z upadłego silnika zatruwa glebę i wodę na długi czas.
Jak cały ten pył i opary wpływają na powietrze, którym oddychamy?
Tak, nasze powietrze jest zanieczyszczone i zaśmiecone drobnymi cząsteczkami popiołu, kurzu i innych produktów spalania statków kosmicznych. Ale nie tak bardzo, jak z emisji z ziemskich samochodów i fabryk.
Oto tylko jeden przykład. Całkowita masa powietrza w atmosferze wynosi 5X10¹⁵ ton. Masa stacji orbitalnej Mir, największego statku kosmicznego, jaki kiedykolwiek wszedł do atmosfery i spłonął w niej (2001), wynosi 105 ton. Oznacza to, że wszystkie kropelki i cząstki pyłu pozostałe ze stacji orbitalnej są niczym w porównaniu z wielkością atmosfery.
Przyjrzyjmy się teraz emisjom przemysłowym. Według Rosstatu najmniejsza całkowita emisja w okresie obserwacji od 1992 r. miała miejsce w 1999 r. A wyniosło to 18,5 mln ton.
Oznacza to, że w samym naszym kraju w ciągu jednego roku do powietrza dostało się 176 190 razy więcej brudu, niż nad wszystkim się rozprzestrzeniło. globus, podczas gdy „Mir” płonął w atmosferze.
Co można zrobić, aby zmniejszyć ilość śmieci w kosmosie
W ostatnie lata Ludzkość stoi przed poważnymi problemami utrzymania czystości przestrzeni kosmicznej.
Istnieje kilka obszarów, w których prowadzone są badania:
- Rozwój przemysłu mikrosatelitarnego. Powstały już satelity pudełkowe – kostki i tablety. Po ich wystrzeleniu osiąga się znaczne oszczędności w momencie startu, potrzeba mniej paliwa i mniej nadmiaru trafia na orbitę. Wciąż jednak nie jest jasne, jak dogonić taką bryłę, gdyby coś poszło nie tak.
- Zwiększenie żywotności urządzeń. Pierwsze satelity projektowano na 5 lat, nowoczesne – na 15 lat.
- Ponowne użycie części. Największym przełomem w tym kierunku są rakiety powrotne, nad którymi pracuje już Elon Musk.
Bardzo ważne jest również zrozumienie, które satelity są naprawdę potrzebne i przyjęcie bardziej odpowiedzialnego podejścia do wyboru rakiet nośnych.
Mamy nadzieję, że w odległej przyszłości pojawią się odkurzacze lub inne urządzenia, które pozwolą na kosmetyczne, a nawet ogólne sprzątanie przestrzeni kosmicznej.
Nigdy nie wiesz, co możesz wymyślić, jeśli się nad tym zastanowisz, jeśli postawisz sobie za cel zachowanie czystej przestrzeni dla przyszłych pokoleń.