Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа
с углубленным изучением отдельных предметов №28
им. Октябрьской революции города Кирова
Космический мусор.
Его утилизация
Выполнил:
ученик 8 «В» класса
Ситников Максим
Научные руководители:
г. Киров, 2011 год
Оглавление
I. Цели и задачи. 3
II. Проблема. 4
III. Состав мусора. 4
IV. Вклад в создание мусора. 5
V. Возможные последствия. 5
VI. Способы решения. 6
Ø Система “Stardust”. 6
Ø Система “G. R.A. S.P.”. 7
Ø Вывод на орбиты захоронения. 7
VII. Плюсы и минусы существующих технологий. 7
Ø Плюсы.. 8
Ø Минусы.. 8
VIII. Собственный метод. 8
Ø Первый этап – Сбор мусора. 8
Ø Второй этап – Первичная обработка и отслеживание. 8
Ø Третий этап – Вторичная обработка. 9
Ø Четвертый этап - Использование. 9
IX. Выводы.. 9
X. Список использованной литературы.. 10
I. Цели и задачи
Цели:
· Очистить космическое пространство от мусора.
· Использовать мусор в полезных целях в дальнейшем.
Задачи:
· Исследовать суть проблемы.
· Исследовать существующие проекты утилизации мусора.
· Сравнить существующие проекты.
· Проанализировать результаты сравнения.
· На основе результатов выработать собственную концепцию утилизации мусора.
II. Проблема
С 1957 года - с первого запуска ракеты в космос прошло более 50 лет. За это время человек достаточно далеко шагнул в космос. Земные станции побывали на Венере Марсе и других планетах Солнечной системы, космические аппараты исследуют кометы, астероиды и другие небесные тела. Однако, человечество забыло об одной проблеме. Все то выводится в космос остается там и очень на долго.
На данный момент существует проблема засорения околоземного пространства так называемым «космическим мусором».
Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже не исправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким 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, при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы и выпадении обломков на населенные пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т. п., могут представлять прямую опасность и для Земли.
Если взглянуть на землю издалека, то нам представится очень удручающая картина. Она буквально опутана искусственным поясом астероидов. Конечно, до астероидов, частицам вращающимся вокруг Земли далеко, но даже гайка на орбите обладает энергией равной энергии автомобиля, мчащегося со скоростью 100 км/ч.
Основная часть мусора находится на околоземной орбите. Сравнительно меньше его на геостационарной орбите.
Однако, проблемой является не само наличие мусора, а его состояние. На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода (поперечником более 1 см) достаточно неопределенно и может достигать 60 000 – 100 000. Из них только порядка 10% (около 8 600 объектов) обнаруживаются отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими службами. И только 6% отслеживаемых объектов – действующие.
III. 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).
IV. Вклад в создание мусора
Казалось бы, кто больше выводит на орбиту спутников и других космических аппаратов, тот и мусора приносит больше. Однако статистика говорит об обратном.
Примерное сравнительное кол-во запусков по странам:
А вот, диаграмма, отражающая вклад в создание космического мусора:
V. Возможные последствия
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 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
VI. Способы решения
На сегодняшний день существует множество проектов по очистке околоземного пространства от мусора. Однако реально осуществимые можно пересчитать по пальцам:
· Система «Stardust»
· Система «G. R.A. S.P.»
· Вывод на орбиту захоронения.
Ø 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.
Ø Система “G. R.A. S.P.”
G. R.A. S.P. (от 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 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.
Ø Вывод на орбиты захоронения
Орбитой захоронения считается орбита, высота которой на 200 километров превышает высоту геостационарной орбиты. На орбиту захоронения отправляются отработавшие орбитальные аппараты для уменьшения вероятности столкновений и освобождения места на геостационарной орбите.
Для каждого аппарата орбита рассчитывается отдельно, минимальный перигей ΔH высчитывается по формуле:
,
где 
является давлением солнечного излучения, коэффициент которого — обычно между 1,2 и 1,5, 
является отношением площади [м²] к 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.
VII. Плюсы и минусы существующих технологий
Ø Плюсы
· «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.
Ø Минусы
· «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.
VIII. Собственный метод
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 детали.
Ø 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.
Ø Второй этап – Первичная обработка и отслеживание
Затем на орбиту выводится специальный корабль с развертывающимся параболическим зеркалом. В космосе это зеркало развертывается и наплывает 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.
Ø 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 почти 100% 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.
Затем этот расплавленный кусок помещается между двумя электродами. При пропускании через них тока, образуется магнитное поле. 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 разойдутся к разным концам получившегося шара – тяжелые будут снаружи, а легкие ближе к центру.
Затем этот кусок остынет и наступит время четвертого этапа.
Ø 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.
IX. 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
X. Список использованной литературы
· Статья «Космический мусор» Wikipedia - http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BC%D1%83%D1%81%D0%BE%D1%80
· Статья «Орбита захоронения» Wikipedia - http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%9E%D1%80%D0%B1%D0%B8%D1%82%D0%B0_%D0%B7%D0%B0%D1%85%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
· Доклад ФКА «Итоги космической деятельности стран мира в 2010 году - http://www. federalspace. ru/main. php? id=2&nid=14718
· Статья «Синдром Кесслера» Wikipedia - http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BC_%D0%9A%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B0
· Статья «Столкновение спутников «Космос 2421» и «Irodium»» Wikipedia – http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%BA%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%BF%D1%83%D1%82%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2_%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%81-2251_%D0%B8_Iridium_33
· Статья «Стардаст» Wikipedia – http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%B4%D0%B0%D1%81%D1%82
