Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа

Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа
с углубленным изучением отдельных предметов №28
им. Октябрьской революции г. Кирова
Космический мусор.
Его утилизация
Выполнил:
ученик 9 «В» класса
Ситников Максим
Научные руководители:
Чувашева А.И.
Ситников А.И.
г. Киров, 2011 год
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
Оглавление
1
Введение ............................................................................................................................3
2
Цели и задачи работы .....................................................................................................5
3
Космический мусор сегодня ..........................................................................................6
3.1
Состав мусора ...................................................................................................................6
3.2
Вклад в создание мусора ................................................................................................6
3.3
Перспективы развития ситуации .................................................................................7
4
Существующие способы решения ................................................................................9
4.1
Система “Stardust” ..........................................................................................................9
4.2
Система “G.R.A.S.P.” ......................................................................................................9
4.3
Вывод на орбиты захоронения....................................................................................10
5
Преимущества и недостатки существующих технологий .....................................11
5.1
Преимущества ................................................................................................................11
5.2
Недостатки ......................................................................................................................11
6
Предлагаемое метод решения проблемы ..................................................................12
7
Выводы ............................................................................................................................14
Список использованной литературы ....................................................................................15
-2-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
1 Введение
Более пятидесяти лет прошло с 1957 года, когда в космос впервые отправилось
творение человеческих рук. За это время человечество далеко продвинулось в
исследованиях космического пространства. Исследовательские станции побывали на
Луне, посетили Венеру, Марс, другие планеты Солнечной системы. Космические
аппараты успешно исследуют кометы, астероиды и другие небесные тела. Однако,
долгое время люди закрывали глаза на то, что все, попадающее в космос, остается там
очень надолго. Сегодня проблема засорения околоземного пространства так
называемым «космическим мусором» достигла таких масштабов, что не замечать ее
становится невозможным.
Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их
фрагменты находящиеся в космосе, которые по разным причинам (неисправность,
плановое завершение работы) не могут быть использованы.
При взгляде из глубокого космоса Землю сегодня представляет весьма очень
удручающую картину. Она буквально опутана искусственным «поясом астероидов».
Конечно, до астероидов, частицам вращающимся вокруг Земли далеко, но даже
небольшая гайка на орбите обладает энергией сравнимой с энергией автомобиля,
мчащегося со скоростью 120 км/ч.
Проблему сегодня представляет не только наличие мусора, а отсутствие точной
информации о его состоянии. На основе статистических оценок делаются выводы, что
общее
число
орбитальных
объектов
поперечником
более
1 см
достаточно
неопределенно и может составлять от 60 до 100 тысяч. Из них лишь около 10%
обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными
и оптическими службами. И только 6% отслеживаемых объектов – действующие.
Объекты, составляющие космический мусор, являются опасным фактором
воздействия на действующие космические аппараты, особенно пилотируемые. Крупные
или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т.п.) материалы, объекты
космического мусора могут представлять прямую опасность и для населения Земли при
их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных
слоев атмосферы, выпадении обломков на населенные пункты, промышленные
объекты, транспортные коммуникации.
-3-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
Таким образом в настоящее время решение проблемы космического мусора
входит в число важнейших задач обеспечения безопасности человечества.
-4-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
2 Цели и задачи работы
Цель настоящей работы состоит в выработке методов, позволяющих:
 Очистить околоземное пространство от космического мусора.
 Обеспечить вторичное использование космического мусора.
Во время работы над проектом решались следующие задачи:
 Исследовать текущее состояние проблемы космического мусора.
 Изучить существующие проекты утилизации космического мусора,
сравнить их между собой, выявить их достоинства и недостатки.
 Проанализировать результаты сравнения и на их основе выработать
собственные предложения.
-5-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
3 Космический мусор сегодня
3.1 Состав мусора
Около 22 % объектов прекратили функционирование, 17% представляют собой
отработанные верхние ступени и разгонные блоки ракет-носителей, и около 55% – отходы,
технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации.
Большинство этих объектов находится на орбитах с высоким наклонением,
плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного
пролета составляет около 10 км/с. Вследствие огромного запаса кинетической энергии
столкновение любого из этих объектов с действующим космическим летательным
аппаратом может повредить его или даже вывести из строя. Эффективных мер защиты от
объектов космического мусора размером более 1 см в поперечнике практически нет.
Наиболее засорены те области орбит вокруг Земли, которые чаще всего
используются для работы космических аппаратов. Это низкие околоземные орбиты(НОО),
геостационарная орбита (ГСО) и солнечно-синхронные орбиты (ССО).
3.2 Вклад в создание мусора
Казалось бы, что больше мусора создают те страны, которые выводят на орбиту
большее количество спутников и других космических аппаратов. Однако статистика
говорит об обратном.
Примерное сравнительное кол-во запусков по странам:
Индия; 4
Япония; 9
США; 41
Китай; 19
США
Россия
Китай
Япония
Индия
Россия; 26
-6-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
А вот, диаграмма, отражающая вклад в создание космического мусора:
Остальные;
7%
Россия;
25,50%
Китай; 40%
США; 27,50%
Китай
США
Россия
Остальные
3.3 Перспективы развития ситуации
Поскольку
в
настоящее
время
масштабных
попыток
решения
проблемы
космического мусора не предпринимается, представляет интерес прогноз возможных
вариантов развития ситуации. Одним из таких прогнозов является синдром Кесслера.
Синдром (эффект) Кесслера – гипотетическое развитие событий на околоземной
орбите, когда космический мусор, появившийся в результате многочисленных запусков
искусственных спутников, приводит к полной непригодности ближнего космоса для
практического использования. Впервые такой сценарий детально описал консультант
НАСА Дональд Кесслер.
Каждый спутник, космический зонд, или пилотируемая миссия могут быть
потенциальными источниками космического мусора. По мере роста количества спутников
на орбите и устаревания существующих, риск лавинообразного развития синдрома
Кесслера всё возрастает.
К счастью, взаимодействие с атмосферой на низких околоземных орбитах, которые
используются чаще всего, ликвидирует основную часть мусора. Столкновения летательных
аппаратов с мусором на меньших высотах также не столь опасны, поскольку при этом
-7-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
любые тела теряют скорость, а с ней и свою кинетическую энергию, а затем, как правило,
сгорают в плотных слоях атмосферы.
На высотах, где трение об атмосферу незначительно, время жизни космического
мусора значительно возрастает. Слабое влияние атмосферы, солнечного ветра и
притяжения Луны могут постепенно привести к снижению его орбиты, но на это может
потребоваться не одна тысяча лет.
Коварство синдрома Кесслера заключается в «эффекте домино». Столкновение двух
достаточно крупных объектов приведет к появлению большого количества новых осколков.
Каждый из этих осколков способен в свою очередь столкнуться с другим мусором, что
вызовет "цепную реакцию" рождения все новых обломков. При достаточно большом
количестве столкновений или взрыве (например, при столкновении между старым
спутником и космической станцией, или в результате враждебных действий), количество
лавинообразно возникших новых осколков может сделать околоземное пространство
совершенно непригодным для полетов.
-8-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
4 Существующие способы решения
На сегодняшний день существует множество проектов по очистке околоземного
пространства от мусора. Однако реально осуществимые можно пересчитать по пальцам:
4.1
Система «Stardust»
4.2
Система «G.R.A.S.P.»
4.3
Вывод на орбиту захоронения.
4.1 Система “Stardust”
«Стардаст» (англ. Stardust — «звёздная пыль») — космический аппарат
НАСА, предназначенный для исследования кометы Вильда 2.
132 ячейки возвращаемой капсулы аппарата заполнены уникальным
материалом — силиконовым аэрогелем. Это вещество отличается уникальными
характеристиками, в частности — сверхнизкой плотностью (99% - пустота).
Именно поэтому аэрогель способен затормозить летящие на чрезвычайно
высокой скорости частицы без их перегрева, позволяя предотвратить
разрушение даже органических молекул, если они окажутся на этих частицах.
За время своего полёта зонд преодолел более 4,6 млрд. км (рекордное
расстояние для возвращаемого аппарата). В настоящее время зонд находится в
работоспособном состоянии (на орбите вокруг Солнца), и специалисты НАСА
изучают возможности по его дальнейшему использованию.
Для каких объектов?
Для пылинок диаметром в несколько десятых долей миллиметра.
4.2 Система “G.R.A.S.P.”
G.R.A.S.P. (англ. Grapple, retrieve and secure payload – собирать,
схватывать и перевозить безопасным способом) -
система, разработанная
американскими учеными.
В космосе разворачивается нечто вроде рыболовной сети из полимерных
материалов, достаточно прочных, чтобы выдержать столкновение с мусором.
Такую сеть, прикрепленную к небольшому спутнику, можно было бы
-9-
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
поместить на орбиту с помощью челночного аппарата. После этого она должна
развернуться, «поймать» мусор и снова свернуться со своей добычей.
Для каких объектов?
Для самых крупных: спутников, ступеней ракет и т.п.
4.3 Вывод на орбиты захоронения
Орбитой захоронения считается орбита, высота которой на 200
километров
превышает
высоту
захоронения
отправляются
уменьшения
вероятности
геостационарной
отработавшие
столкновений
орбиты.
орбитальные
и
На
орбиту
аппараты
освобождения
места
для
на
геостационарной орбите.
Для каждого аппарата орбита рассчитывается отдельно, минимальный
перигей ΔH высчитывается по формуле:
A

H  235 км  1000 С R  км ,
m

где
CR
является
давлением
которого — обычно между 1,2 и 1,5,
солнечного
излучения,
коэффициент
А
является отношением площади [м²] к
т
массе [кг] данного объекта. Эта формула включает в себя около 200 км для
геостационарной орбиты, в эти 200 километров также заложена высота для
манёвров на орбите. Еще 35 километров запаса сделано для обеспечения
безопасности в связи с воздействием гравитационных возмущений (в первую
очередь солнечных и лунных) на спутники.
Для каких объектов?
Для ступеней ракет, спутников.
- 10 -
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
5 Преимущества и недостатки существующих технологий
5.1 Преимущества
 «Stardust» - проверенный метод.
 «G.R.A.S.P.» - структура, натягивающая сеть, сделана из надувных валиков. У
нее небольшой вес – стоимость ее запуск в космос невелика.
 Вывод на орбиту захоронения – наиболее простой метод. Не требуется
никаких дополнительных средств.
5.2 Недостатки
 «Stardust» - крупные объекты просто разнесут такую сетку в клочья, а объекты
менее 1 мм в диаметре, хотя и разъедают поверхность спутников, особого
урона не наносят.
 «G.R.A.S.P.» - пойманные отходы придется доставлять на Землю на
космическом корабле, что обойдется очень дорого.
 Вывод на орбиту захоронения – при таком подходе мусор никуда не девается,
а просто «разбредается» по более дальним орбитам, что может помешать
дальнейшему освоению космос.
- 11 -
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
6 Предлагаемое метод решения проблемы
Проект собственного метода я решил основать на том, чтобы использовать
ресурсы уже имеющиеся в космосе, а также на возможности полезного
использования мусора.
Я постарался собрать в своей технологии преимущества всех ранее
описанных проектов и, конечно, добавил свои элементы.
Первый этап – Сбор мусора
На первом этапе с помощью сборщиков использующих технологию
«G.R.A.S.P.» мусор собирается в кучи и закрепляется в таком положении с
помощью сетей. Эти кучи собираются в более большие, скрепляемые цепями.
И, таким образом, мы получим некоторое количество больших мусорных куч.
Второй этап – Первичная обработка и отслеживание
Затем на орбиту выводится специальный корабль с развертывающимся
параболическим зеркалом. В космосе это зеркало разворачивается и наводится
на кучу мусора так, что она оказывается в фокусе зеркала.
Затем зеркало развернется в сторону Солнца. Лучи, отражаясь попадают на
мусор. За какое-то время он достигнет температуры плавления. Пластик в
большинстве своём испарится, а металлы расплавятся.
Затем эта куча остынет, на нее установят маячки для слежение и ее можно
будет убрать на дальнюю орбиту, где она не будет мешать спутникам.
В итоге мы получим множество больших контролируемых кусков мусора
вращающихся на дальней орбите. Также мы получим большое освобожденное
от мусора пространство.
Третий этап – Вторичная обработка
Как известно, многие космические агентства планируют строительство
научной базы, а в последствии и колонии на соседе Земли – Луне. Так вот
космический мусор может в этом помочь, ведь в нем содержится значительное
количество металла.
Итак, когда будет готовится экспедиция на Луну, то придет время тех
кусков мусора которые мы закинули на дальнюю орбиту.
И наше параболическое зеркало вновь отправится в путь. Подлетев к куче
мусора оно вновь его расплавит.
- 12 -
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
Затем этот расплавленный кусок помещается между двумя катушками.
Пропуская через них электрический ток можно добиться получения
вращающегося магнитного поля. Под его воздействием Кусок начнет
вращаться, а так как в космосе трение отсутствует вращение сможет
продолжаться очень долго и с равной скоростью.
Под действием центробежной силы, расплавленные металлы распределятся
по глубине шара в соответствии с плотностью – тяжелые расположатся
снаружи, а легкие ближе к центру.
Затем этот кусок остынет и наступит время четвертого этапа.
Четвертый этап – Использование
Когда у нас получится достаточно много таких структурированных кусков,
то их можно будет отвезти на Луну и там, разрезав их, мы получим множество
необходимого при постройке базы, а в последствии колонии, металла.
- 13 -
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
7 Выводы
В заключении, надо сказать что на сегодняшний день все-таки нет экономически и
практически реального способа для утилизации космического мусора. Однако, для
эффективной борьбы с ним необходимо сотрудничество всех космических агентств и
«космических» стран мира.
Дальнейшие исследования планируется вести в направлении разработки прототипа
собственной конструкции.
- 14 -
Космический мусор. Его утилизация
Ситников Максим
Список использованной литературы
1
Доклад ФКА «Итоги космической деятельности стран мира в 2010 году http://www.federalspace.ru/main.php?id=2&nid=14718
2
Статья «Космический мусор»
Wikipedia - http://ru.wikipedia.org/wiki/Космический_мусор
3
Статья «Орбита захоронения»
Wikipedia – http://ru.wikipedia.org/wiki/Орбита_захоронения
4
Статья «Синдром Кесслера»
Wikipedia - http://ru.wikipedia.org/wiki/Синдром_Кесслера
5
Статья «Столкновение спутников Космос-2421 и Irшdium 33»
Wikipedia – http://ru.wikipedia.org/wiki/Столкновение_спутников_Космос2251_и_Iridium_33
6
Статья «Стардаст»
Wikipedia – http://ru.wikipedia.org/wiki/Стардаст
7
Как очистить космос от нашего мусора // Юный эрудит. - №11(75). – ноябрь 2008 г. – с. 18
- 15 -