Доклад учащихся 8 класса на конкурсе "Звездный путь"

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Луганской народной республики

«Луганский гуманитарно-экономический лицей-интернат»

Доклад на тему:

Мусор преграждает путь в Космос

Работу выполнили:
Бородин Алексей,
Федоровская Александра
ученики 8-А класса
ГБОУ ЛНР «Луганский гуманитарно-экономический лицей-интернат»

Учитель:
Токарева Марина Петровна, учитель физики и математики ГБОУ ЛНР «Луганский гуманитарно-экономический лицей-интерната»

Луганск, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление…………………………………………………………………………3

РАЗДЕЛ 1. Космический мусор – угроза безопасности космических полетов…………………………………………….4

1.1.          Понятие космического мусора……………………………………........... 4

1.2.          Чем опасен космический мусор………………………………………….6

РАЗДЕЛ 2. Мусор преграждает путь в Космос…………………………   8

2.1             Мероприятия по уменьшению загрязненности и защите от космического мусора………………………………………………………………………8

2.2             Анализ популярных проектов очистки космоса от мусора……..………10.

Выводы…………………………………………………………………………..........13

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………...........14

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………………… 15

Введение

Человечество не слишком бережно относится к родной планете, иначе проблема загрязнения окружающей среды не стояла бы сегодня так остро. Но если наша Земля имеет ограниченные размеры, то уж Вселенная-то бесконечна, и её, казалось бы, мусором не завалишь. Как бы не так! Законы гравитации заставляют большую часть космического мусора накапливаться в околоземном пространстве. Между тем, хотя с начала освоения космоса прошло менее полувека, что по меркам Вселенной – ничтожно малый промежуток времени, – человечество за столь короткий срок умудрилось изрядно засорить космическое пространство. Ближние и дальние окрестности нашей планеты постепенно превратились в помойку.

Целью нашего доклада было рассмотреть состояние проблемы загрязнения космоса, влияние космического мусора на исследования космического пространства и оценить существующие проекты по его ликвидации.

В соответствии с целью изучения проблемы были поставлены следующие задачи теоретического и прикладного характера:

·        изучить литературу по данной теме;

·        дать объективную оценку состоянию околоземного космического пространства с точки зрения загрязнения и безопасности космических полетов;

·        выявить варианты решения задач загрязнения околоземного космического пространства.

Практическая значимость изучения данного вопроса заключается в поиске решений по устранению угрозы для космических станций, полетов летательных аппаратов. Если усилия стран по избавлению и профилактике загрязнения будут совместными, то представляется возможным предотвращение самопроизвольных взрывов в космосе и безопасное его исследование.

РАЗДЕЛ 1

Космический мусор – угроза безопасности космических полетов

1.1.          Понятие космического мусора

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. [1].

Вокруг Земли в настоящее время уже имеются три слоя космического мусора:

1.     300-400 км от поверхности Земли;

2.     1500-1700 км от поверхности;

3.     36000 км от поверхности.

Количество космического мусора постоянно увеличивается. По расчетам через 15-30 лет ближний Космос будет полностью засорен и будет непригоден для полетов.(рис 1.1) (Приложение 1) Особенно это касается геостационарных орбит, на которых отработанные спутники практически сохраняются вечно.

Космический мусор в масштабном количестве впервые появился 29 июня 1961 года, через 77 минут после выхода на орбиту ступени американской космической ракеты-носителя весом около 750 кг. Более 200 её фрагментов разлетелись по орбитам высотой от 300 до 2200 км. А сегодня на околоземных орбитах отслеживаются уже тонны фрагментов разнообразных разрушений в огромных количествах: размером от 10-15 сантиметров и больше – 15 тысяч, сантиметровых, недоступных для постоянного контроля – несколько сот тысяч, а частичек миллиметрового размера – миллионы. Причины разрушения спутников самые разные – самоуничтожение по окончании срока эксплуатации, аварии, столкновения. Бывает, что и отработанные ступени ракет-носителей, которые по идее сразу должны падать на Землю в расчетное место после того, как выполнят свою задачу, годами летают вокруг Земли. [2].

И хотя вероятность вывода из строя орбитальных спутников космическим мусором все еще крайне мала, неприятные инциденты уже были, в том числе с пассажирскими космическими кораблями и орбитальными станциями.

Например, в 1983 году экипаж печально знаменитого шаттла Challenger обнаружил на лобовом стекле своего корабля небольшой след от соударения с посторонним предметом. Кратер был всего 2,5 мм в глубину и столько же в ширину, но заставил сильно поволноваться инженеров NASA. После приземления корабля специалисты тщательно осмотрели повреждения и пришли к выводу, что причиной соударения стала микрочастичка краски, отслоившаяся от какого-то другого космического аппарата [3].

Еще одним ярким примером умножения мусора в ХХІ веке на орбите может стать уничтожение Китаем погодного спутника в 2007 году. В результате образовалось целое облако осколков.

В 10 февраля 2009 году уже был яркий пример столкновения, когда нерабочий аппарат Космос 2251 случайно врезался в спутник связи Iridium на высоте 790 километров над Сибирью. В результате оба аппарата разлетелись на мелкие кусочки.

«Эти два события совместно увеличили количество отслеживаемых нами объектов на низкой околоземной орбите на 60%, и это по сравнению со всем, что накопилось там за 50 лет» — говорит Николас Джонсон (Nicholas Johnson), главный научный советник по вопросам орбитального мусора в Космическом центре Джонсона (Хьюстон). [4].

В 2014 году более 6 сотен спутников, которые вышли из строя, и просто кусков космических аппаратов сгорели в атмосфере Земли, падая на ее поверхность. Эти данные представила пресс-служба NASA в Комитет ООН. Эта информация была использована в обсуждении «уборки космического хлама» [5].

А по последним данным ВМС Пхукета (Индия) запретило всем судам заходить в потенциально опасный регион до 9 апреля 2015 года. Сообщалось, что обломки ранее запущенной ракеты могут упасть в воды океана, рядом с Пхукетом. При этом точная дата запуска индийской ракеты не уточняется. По этой причине, ВМС Пхукета настоятельно рекомендовало не заходить в потенциально опасную зону падения космического мусора вплоть до 8-9 апреля 2015 года. [6]

Космос невообразимо огромен, а пространства между различными объектами зачастую больше, чем способен представить человек. Тем не менее, граница нашей планеты с космосом уже сейчас загромождена мусором и ситуация постоянно ухудшается.

1.2.          Чем опасен космический мусор

На сегодняшний день, на околоземной орбите нашей планеты Земля находится значительное количество космического мусора, которое, так или иначе, представляет опасность для людей. В частности:

·                     Повреждения космических спутников. На орбите находятся как небольшие осколки, размером с небольшой мяч, так и более значительные, нередко превышающие размеры автобуса. Подобный мусором может не просто вывести из строя, но и полностью уничтожить космический аппарат.

·                     Безопасность и жизнь членов экипажа МКС. С каждым годом опасность космического мусора становится все более реальной для безопасности экипажа МКС, ведь один небольшой осколок может повредить обшивку, или отдельные компоненты жизнеобеспечения станции.

·                     Падение на поверхность Земли. В большинстве случаев, космический мусор падает в отдаленные от мест жизнедеятельности, однако падение, к примеру, отработанной ракеты в пределах густонаселенного города может привести к существенным последствиям, и даже к гибели людей.

Особая опасность космического мусора связана с тем, что он перемещается в пространстве с огромной скоростью. В космосе мы имеем дело со скоростями столкновений до 15-ти километров в секунду, это почти 50 тысяч километров в час. Поэтому даже частица, линейные размеры которой составляют лишь 1 сантиметр, может серьёзно повредить космический аппарат. Такая частица обычно летит со скоростью около 10-ти километров в секунду, то есть как минимум в 20 раз быстрее пули. Для космического аппарата встретиться с этой частицей – всё равно, что столкнуться с легковым автомобилем среднего класса, движущимся со скоростью 80 километров в час. [7]

И такие аварии случаются, хоть пока и нечасто. Зато «встречи» с более мелкими частицами происходят уже регулярно. По словам Хайнера Клинкрада (Heiner Klinkrad), ведущего аналитика Центра управления полётами в Дармштадте, за время эксплуатации американских «шаттлов» зарегистрированы тысячи столкновений с частицами размером в 1 миллиметр и меньше. Обшивка, возвратившихся из космоса «челноков», каждый раз оказывалась буквально усеяна выбоинами до сантиметра глубиной. 80 раз на «шаттлах» приходилось менять иллюминаторы. Да и на доставленных на Землю солнечных батареях космического телескопа «Хаббл» было обнаружено немало царапин, вмятин и пробоин.

Одним из главных источников загрязнения являются случайные взрывы ракет-носителей и космических аппаратов: они дают до 80% всех объектов космического мусора размером более 5-ти сантиметров. Каждый год происходит в среднем четыре таких взрыва. Они объясняются наличием на борту источников и накопителей энергии – таких как компоненты топлива, аккумуляторные батареи, газовые баллоны и прочее. Между тем, каждый такой взрыв приводит к более значительному увеличению числа только наблюдаемых элементов космического мусора (а сколько ненаблюдаемых!), чем все запуски космических аппаратов за год.

Таким образом, космический мусор опасен большими скоростями движения его элементов и возможностью взрывов топливных баков и присутствия ядерной или химической угрозы. А любые эти события, в свою очередь, сами являются причиной появления мусора. (рис 1.2) (Приложение 2)

РАЗДЕЛ 2

Мусор преграждает путь в Космос

2.1. Мероприятия по уменьшению загрязненности и защите от космического мусора

В настоящее время около 12% всего каталогизированного космического мусора составляют объекты, которые отделяются в процессе штатной процедуры запуска спутников на орбиту и дальнейшей их эксплуатации. В основном это крепежные детали, заглушки и т.д. Мероприятия по уменьшению загрязненности такими объектами принимать относительно нетрудно, как технически, так и экономически. В тоже время возможны ситуации, когда отделение деталей безвыходно, из-за технических причин. В ходе полета может происходить неспециальное образование мелкого мусора: выбросы шлаков при работе двигателей на твердом топливе, отделение частиц краски вследствие эрозии, вытек теплоносителя и т.п. Необходимо принимать меры по уменьшению процесса образования мелкого мусора. Осколки, образовавшиеся в результате разрушения космических аппаратов, составляют 43% состава орбитальных объектов и 85% космического мусора размером более 5 см. Основной причиной разрушения космических аппаратов являются взрывы и столкновения. Анализ разрушения показал, что спуск с орбиты либо пассивация (выброс энергии) после реализации космическим аппаратом своей задачи позволяет предотвратить большую часть таких случаев.

К числу эффективных мер можно отнести сжигание или продувание неиспользованного топлива, разрядку аккумуляторных батарей, освобождение жидкостей из-под давления. Вероятность случайного столкновения космических аппаратов на околоземной орбите хотя и не значительна, но все-таки есть. Примером такого случая было столкновение осколка, образовавшегося в результате взрыва верхней ступени ракеты-носителя «Ариан», с действующим французским спутником CERISE, в результате была нарушена его работоспособность. Можно сказать, что увеличение числа и размеров спутников на орбите ведет к повышению вероятности столкновений. Что касается спутников, которые заканчивают свою программу, то значительному уменьшению вероятности столкновений будет влиять их перевод на нижнюю орбиту или контролированное возвращение в атмосферу[9].

Учитывая современный уровень засоренности околоземного пространства, следует применить концепции прямой и непрямой защиты. Защита от частиц размером 0,1-1 см может осуществляться за счет применения экранных конструкций. Защита от частиц размером более 1см может осуществляться за счет принятия специальных мер при проектировании космических аппаратов, заключающихся в расположении жизненно важных систем в так называемых мертвых зонах относительно направления удара потоком мусора. Что касается экранных конструкций, то они бывают разного типа: это и простые одношаровые выносные экраны, размещающиеся перед корпусом аппарата, и сложные многошаровые конструкции из металла и керамики. Также ориентируя определенным образом космический корабль, космонавты могут использовать его в качестве экранной защиты. Такая практика уже применялась на орбитальной станции «Мир». Для кораблей «Шаттл» орбитальная ступень ориентируется, таким образом, чтоб его хвостовая часть была повернута в направление движения. Работы в космосе происходят, таким образом, чтоб космонавты были защищены корпусом станции.

Одной из важнейших мер по уменьшению засоренности является информирования об опасностях, связанных с загрязненностью космического пространства и о многочисленных источниках образования космического мусора. Экономически оправданным является применения мер по уменьшению загрязнения на ранних стадиях конструирования космических аппаратов. Также проблема столкновений и взрывов связана с неконтролируемыми запусками различных космических аппаратов. Для решения этой проблемы необходимо установить контроль над материалами, технологиями производства и запуска космических аппаратов.

Хотелось бы добавить, что загрязненность космоса с каждым годом продолжает расти, в связи с этим растет риск столкновений причиняющих повреждения космических аппаратов. Поскольку с помощью существующих технологий тяжело решить задачу улучшения состояния космической среды, разумным шагом по сохранению космического пространства для будущих поколений в настоящее время есть принятие мер по уменьшению загрязненности.[11].

2.2. Анализ некоторых проектов очистки космоса от мусора

Для дальнейшего познания Вселенной очень важно развитие космонавтики. За минувшие полвека, как человек начал с помощью космических аппаратов исследовать космос, он окружил Землю поясом искусственных спутников и отходов, грозящих затормозить изучение космоса. Рассмотрим ряд проектов готовых  вступить в борьбу за чистоту околоземных орбит.

1.     Машина-мусоросборщик с рукой-роботом – космический корабль, оснащённый рукой-роботом, захватывает мусор клещами и помещает его в специальный отсек. Используется для самых крупных: спутников, ступеней ракет.

Преимущества: Машина способна производить отбор: рука-робот позволяет подхватывать четко определенные предметы. Таким образом, можно будет посылать ее за самыми вредными, наиболее крупными или взрывоопасными отходами.

Недостатки: Руке-роботу трудно будет хватать кружащиеся отходы. Встреча с одним из видов мусора, тем более с несколькими, в космосе обойдется очень дорого!

2.     Движущаяся сеть. Американские учёные предложили ловить отходы с помощью сети. В космосе разворачивается нечто вроде рыболовной сети из полимерных материалов, достаточно прочных, чтобы избежать повреждений при столкновении с космической пылью. Такую сеть прикрепляют к небольшому спутнику, после этого она должна развернуться, поймать мусор и снова свернуться со своей добычей. Используется для самых крупных: спутников, ступеней ракет.

Преимущества: Структура, натягивающая сеть, сделана из надувных валиков. У нее небольшой вес - стоимость ее запуска в космос невелика. Она сможет собрать все отходы, даже те, что постоянно кружатся либо не поддаются захвату.

Недостатки:   Пойманные отходы придется доставлять на Землю на космическом корабле, что обойдется очень дорого.

3.     Лазеры. Исследователи предложили стрелять по отходам из лазерных пушек, чтобы они разогрелись до такой степени, что превратились бы в газ. Такие пушки могут располагаться на Земле и направляться сверхчувствительными радарами, способными обнаруживать предметы диаметром в один сантиметр. Используются для мусора величиной менее нескольких сантиметров. Для более крупного мусора процесс оказался бы слишком энергозатратным.

Преимущества:  Мусор исчезает в атмосфере. Технология уничтожения предметов на очень малой высоте уже была опробована.

Недостатки:   Система поглощает слишком много энергии, даже при уничтожении небольшого обломка. Некоторые материалы рискуют распасться на части под воздействием лазера и образовать новые мини-обломки! Метод, при использовании которого выделяется большое количество энергии в окружающую среду, опасен. В радиусе действия лазера тепловое равновесие атмосферы было бы нарушено. Даже ее состав мог бы измениться: появилось бы множество заряженных частиц, что привело бы к непредвиденным последствиям.

4.     Пластины из аэрогеля. Аэрогель – это чрезвычайно пористый материал: он состоит из пустоты на 99%. Попадая в такое вещество, мельчайшие частицы заполняют пористую поверхность и оседают в пластине. Заполненные пластины возвращаются на Землю для утилизации. Можно использовать для пылинок диаметром в несколько десятых долей миллиметра.

 Преимущества: Эта техника уже себя зарекомендовала. Зонд «Stardust» (звездная пыль - англ.) космического агентства НАСА использовал аэрогель в 2006 году для захвата метеоритной пыли.

Недостатки: Отходы величиной менее миллиметра наименее опасны: хотя они и разъедают поверхность действующих спутников, но значительного ущерба им не наносят. Для того, чтобы этот способ был рентабельным и позволял собирать большое количество мусора, нужно посылать в космос очень большие пластины. Но такие пластины не выдержат столкновение с крупными отходами, которые могут разорвать пластины на части. Не говоря о действующих спутниках - им пришлось бы уклоняться от встречи с этими космическими пришельцами.

Кроме рассмотренных проектов существуют и следующие способы очистки космического пространства от мусора:

1.     Облако из баллистического газа. Детище компании Boeing, спутник с генератором газа, будет выводиться на орбиту и в противоположную сторону от вращения всех тел и выпустит облако, врезавшись в которое мусор будет спускаться и сгорать в атмосфере.

2.     Статическое электричество – выталкивающее мусор дальше в космическое пространство. Заряжать мусор электронами будет беспилотник GLiDer.

3.     Космический пылесос от корпорации «Энергия». Представляет из себя огромный буксир с крематорием, куда будет собираться мусор и сжигаться.

4.     Японский электродинамический трал – магнитная сетка будет собирать на себя металлические детали, при наполнении вместе с мусором сгорит в атмосфере. Недостаток – собирает только то, что намагнитится.

5.     Гарпун с ловушкой – такая мысль пришла к разработчикам Astrium. Спутник будет охотиться за космическим мусором, и выстреливать в него гарпуном с сетью, далее сеть с мусором будет выкинута для сожжения в атмосферу, а робот-охотник продолжит свою уборку.

6.   Буксир Terminator Tether – в спутник встроят проволоку с устройством. После их поломки, катушка будет раскручена, а спутник отбуксирован в слои атмосферы. [6]

ВЫВОДЫ

Проблема космического мусора, заполняющего околоземное пространство, встает все острее с каждым годом. По подсчетам ученых, сейчас на разных орбитах вокруг Земли вращается 19 тысяч разных единиц «космического хлама» размером более 10 сантиметров. За объектами такого и большего размера вполне можно следить с Земли и предотвращать их столкновения со спутниками. Однако мусор меньшего размера представляет куда большую угрозу – его нельзя отследить, а значит, избежать. Количество и тех, и других увеличивается с каждым годом: мусор образуется при взаимных столкновениях объектов и при выведении новых спутников.

Мы рассмотрели лишь несколько проектов для решения проблемы космического мусора. Из приведённых примеров видно, что возможны разные методы уничтожения космического мусора, однако все они очень дорого стоят. К сожалению, на данный момент эффективных способов уничтожения космического мусора не существует. Пока они не появились, надо всеми силами предотвращать дальнейшее загрязнение космоса, иначе в будущем из-за опасности встречи с космическим мусором его освоение превратится в очень рискованное мероприятие.

Единственное, что пока могут предложить ученые, – тщательное картографирование космической свалки. Но и здесь все не так просто. «На сегодняшний день только два государства в мире способны эффективно отслеживать поведение космического мусора», – считает главный баллистик ЦУП Николай Иванов. Легко догадаться, что это Россия и США, которые, к слову сказать, являются и главными «загрязнителями» космоса. Было бы неплохо создать международную систему слежения, объединить каталоги объектов, разработать общую систему предупреждений о рисках столкновений, только в этом случае можно реально обезопасить полеты.

Таким образом, изучение проблемы, знакомство со способами ее устранения и стремление найти новые – залог решения проблемы и открытия Космоса для исследований в будущем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.             Словарь Википедия. Космический мусор.// [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki

2.             Знаете ли вы, какая тьма тьмущая спутников летает вокруг да около Земли. // [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.liveinternet.ru/users/773626/post96681167

3.             Космос и мы [Текст] // Юный эрудит. - М.: Эгмонт,  №11 (75), ноябрь 2008. – С 10-12.

4.             Мусор на околоземной орбите угрожает продолжению космических полетов. // Электронный журнал Познание. [Электронный ресурс]: – Режим доступа:  http://xzoid.ru/publ/musor_na_okolozemnoj_orbite_ugrozhaet_prodolzheniju_kosmicheskikh_poletov_preduprezhdaet_nasa/14-1-0-394

5.             Фрадкин В., Космический мусор – поддаётся ли решению эта проблема? [Текст] / В. Фрадкин // Наука и техника: Наука и космос. – М., май 2006. – С.  12-14.

6.             Исследователи из НАСА: космического мусора за 2014 год упало около 100 тонн. // [Электронный ресурс]: – Режим доступа:http://www.gpclub.ru/9739.html

7.             Угроза из космоса: Пхукет предупреждает о падении космического мусора // [Электронный ресурс]: – Режим доступа:  http://blackcastle.in.ua

8.             Гаврилов В. Космический мусор, обломки недавнего прошлого [Текст] / В. Гаврилов //  Популярная механика. -  М., июль 2006. – С. 3-7.

9.             Маринин Д.В., Космический мусор - угроза безопасности космических полетов [Текст]: [доклад] / Маринин  Д. В.  -  Аэрокосмический лицей на базе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е.Жуковского «ХАИ». – Хабаровск, 2006. – С. 1-4.

10.        Космический мусор. //Энциклопедия непознанного. [Электронный ресурс]– Режим доступа: http://www.senav.net/2008/04/22/kosmicheskijj_musor.html.

11.        Вениаминов С. С., Червонов А. М. Космический мусор – угроза человечеству/ Под редакцией Р. Р . Назирова, О. Ю. Аксенова. – Москва, 2012 – 192 с.

Приложение 1

Рис 1.1. Варианты того, как могут выглядеть GEO-орбиты к 2112 году

Приложение 2

Рис. 1.2. Появление космического мусора