В мае в Школе Арины Шараповой в рамках проекта «Экология. Культура. Общество», реализуемого при поддержке Фона президентских грантов, учитель физики и эковолонтер Анна Ложкина прочла лекцию: «Космический мусор. Кто мусорит и не убирает?«
Сегодня мы с вами поговорим о космическом мусоре. Мне очень не нравится это слово- мусор. Часто люди не совсем понимают разницу между понятиями «мусор» и «отходы». Люди часто относят к мусору все то, что им уже не нужно, но это не так. Мусор — это то, что мы уже не можем никак переработать. А если мы что-то ещё использовать можем, то это- отходы и вторсырье. К сожалению, в космосе и во всей космической отрасли за всю историю освоения человеком космического пространства ситуация довольно грустная. Всё то, что там «натворил» человек в околоземном пространстве считается мусором, потому что не перерабатывается. Мы с вами сегодня разберёмся откуда он взялся и почему ещё до сих пор не упал нам на голову.
Что мы сегодня узнаем:
- Какие объекты есть вокруг нашей планеты и как они туда попали?
- Откуда берётся в космосе мусор, если там никто не живет?
- Почему мусор из космоса до сих пор не упал нам голову?
- Reduce. Reuse. Recycle. (Уменьшай. Используй повторно. Перерабатывай) Что из этого применимо в околоземном пространстве?
По ходу лекции предлагаю вам на обсуждение интересные вопросы и в конце мы обязательно вместе на них ответим.
Правда или вымысел?
- Кладбище космических кораблей: факт или выдумка?
- Можно взять весь мусор с Земли и отправить в далекую-далекую галактику?
- Скоро вокруг земли будет столько спутников и космического мусора, что нельзя будет запустить новый спутник или улететь с Земли на ракете.
- Правда ли, что любую наземную войну можно выиграть, сбив один спутник?
В третьем вопросе я специально допустила одну крохотную опечатку, но она очень важная, когда речь идёт по науке. Посмотрите, пожалуйста, в начале предложения «земля» с маленькой буквы, а в конце, когда мы говорим о планете Земля, пишу слово с большой буквы. Когда мы говорим о земле, как о почве, о поверхности, то пишем слово с маленькой буквы. Поэтому, конечно, в том вопросе нужно было написать его с большой буквы, но в любых других экологических обсуждениях вы спокойно можете использовать землю с маленькой буквы, потому что чаще всё-таки мы разговариваем о земле, как о почве.
Обсудим интересные факты:
- летящая по орбите МКС жвачка может пробить оболочку станции и погубить весь экипаж;
- за все время существования МКС ни одного грамма мусора не вернулось на Землю;
- большая часть «космического» мусора даже не попадает в космос-это отстыкованные ступени, остатки топлива и расходные элементы.
Где же все это находится? Давайте обратим внимание на следующий слайд, там надписи на английском языке, но у вашего школьного возраста уже достаточное его понимание. Здесь изображена низкая околоземная орбита (Low Earth Orbit), существует еще и высокая. Так насколько же она низкая? Мы сейчас можем увидеть вот здесь над поверхностью планеты Земля желтым выделено кольцо, шириной 2000 км. Это крохотное расстояние в масштабах космоса. Даже наша атмосфера простирается на 2000 км, конечно, не плотные ее слои, а разряженные. Плотная атмосфера простирается всего лишь на 80 километров. Давайте рассмотрим стрелочки на желктом кольце, выделенные разными цветами, здесь указаны: орбита Джона Гленна (голубым цветом), орбита Юрия Гагарина (зеленым цветом) и орбита Алана Шепарда (розовым цветом).
Давайте поговорим о том, кого мы знаем лучше всех — орбита Юрия Гагарина, зеленый маленький штрих показывает, на какой высоте был совершён первый полет человека в космос. Видите, как недалеко всё-таки наше человечество смогло оторваться от поверхности планеты. Далее на желтом кольце обозначено точками ISS (Международная космическая станция) и Hubble. Хаббл — самый грандиозный телескоп, который был изобретён человечеством, сейчас он уже выработал свой ресурс и его заменил телескоп Джеймса Уэбба. Где же все спутники, которые нам обеспечивают интернет и телевидение? Часть из них здесь, мы потом чуть-чуть попозже с вами посмотрим какие же виды спутников бывают. Итак, первое что мы сейчас узнали, что у нас есть низкая околоземная орбита и на ней самые крупные объекты: телескопы Международная космическая станция и те спутники, у которых достаточно большая масса. Люди дальше низких околоземных орбит не летают! Единственный вариант был, это во время полета на Луну и на этом пока все. Следующий слайд кажется более запутанным, но он более информационный.
Наша низкая околоземная орбита легко обнаруживается по розовой надписи телескопа Hubble и зеленой окружности Space Station (МКС), напоминаю, это в пределах 2000 км. Следующая окружность бирюзового цвета – GLONASS. Это сеть навигационных спутников принадлежащих Российской Федерации. Дальше расположена GPS -это американская сеть, Beidou – китайская и Galileo – cеть, принадлежащая Европейскому космическому агенству. Таким образом, целых четыре спутниковых сети, обеспечивающих навигацию всего транспорта на планете Земля, находятся приблизительно в одном и том же месте. Их орбиты находятся приблизительно на расстоянии чуть больше 20000 километров. ГЛОНАСС иногда располагают на 19000 км. Значит, каждый раз, когда нам навигатор в машине говорит: «Поверните налево, а дальше следуйте 400 м до поворота» ,- всё это происходит благодаря тому, что на высоте 20.000 км спутник понял, где мы и подсказал нам дальнейший маршрут.
А вот самая дальняя на этой схеме орбита называется Геостационар. «Гео» — земля и «стационар»- постоянный, поэтому можно догадаться что это та орбита, где на постоянной основе, над какой-то точкой Земли висит спутник и делает свою работу. Интересно подумать на вопросом: «А кому необходимо, чтобы над головой постоянно был спутник, зачем?» Они служат для обеспечения работы телевидения и радиосвязи, поэтому это самая популярная орбита. Расположен Геостационар чуть дальше чем 39000 км от поверхности Земля. Таким образом вы сегодня узнали, где расположены все спутниковые аппараты вокруг нашей планеты.
А теперь вопрос: «Кто же мусорит?» Ведь у нас все орбиты используются для того, чтобы располагать полезную и нужную технику.
Кто же прилетел туда и намусорил? Ответ прост: это мы! Грустно осознавать, но самом деле в околоземном пространстве, кроме человека никого больше и нет.
Давайте посмотрим на довольно большой, загруженный слайд (выше по тексту). Что же такое космический мусор? Это находящиеся на орбите не функционирующие антропогенные материалы. Антропогенные, то есть созданные человеком. К ним относят:
- отработанные ступени ракет-носителей;
- осколки столкновение спутников.
Почему у нас такое может там оказаться? Давайте разберемся, как выводятся объекты в космос. Для запуска с любого космодрома ракет, обеспечивающей вывод спутников, необходимо придать ей скорость минимум 8 км в секунду. Вы только представьте себе, насколько это огромная скорость! Топливо нужно взять с собой столько, чтобы хватило долететь как минимум до орбиты МКС. И по итогу оказывается, что полезная масса ракеты довольно маленькая. Порой до 90% — это масса вспомогательные материалы, отсюда и дороговизна космических запусков. В то время, когда я училась на управленца космическими аппаратами, запуск 1 кг груза на орбиту МКС стоил 5000 долларов. То есть представьте себе стоимость килограмма мандаринов, который прилипал на Новый год космонавтом. Так вот далее, чтобы космонавтам доставить любой груз необходима ракета с большим запасом топлива и у неё должно быть много баков, часть этих баков отстыковывается от ракеты уже достаточно высоко и могут оставаться на орбите, как старые консервные огромные банки. Вы можете на слайде справа внизу увидеть такой бак. С отработанными спутниками люди изначально пытались либо «отстреливать», либо задавать им функцию самоликвидации, но потом поняли что кусочки после взрыва никуда не исчезнут. Они остаются там и будут создавать не меньшую опасность, поэтому от этого пункта давно отказались. К сожалению, столкновения все же происходят и мы посмотрим чем это может быть опасно. На данный момент наибольшую опасность представляют, оставшиеся маленькие детали от спутников. Эти объекты движутся с очень большой скоростью! Помните интересный факт: может ли летящая в космосе жвачка пробить оболочку космического аппарата? Может! Во-первых, она будет двигаться на очень большой скорости. Вы помните, что скорость старта ракеты не менее 8 км в секунду? Похожие скорости сохраняется и в космосе. Также в космосе у нас достаточно низкая температура и поэтому жвачка в космосе сразу замёрзнет и превратится буквально в скоростной камень, который может насквозь прошить любой металл. Так что на МКС очень чётко должна функционировать система защиты от мелких объектов, от которых нельзя уклониться. То есть должна быть обшивка такая, чтобы ее невозможно было пробить, а также должна четко срабатывать система уклонения от крупных объектов.
Если не получается взорвать в космосе, пропылесосить в космосе, а мусора накопилось много, тогда может быть просто «заметем» его под «космический коврик»? Похороним там и пусть он лежит. Сейчас мы приближаемся к ответу: факт или выдумка кладбище космических аппаратов?
Вы видите на слайде, что это факт и таких кладбищ два: одно из них в Тасмановом море на планете Земля. Это сектор, отмеченный красным кольцом, там запрещено судоходство, чтобы не допустить случайных аварий. В этом месте захораниваются остатки космических аппаратов, которые не получается никуда деть в космосе. Там уже лежит с 2001 года наша Советская станция «Мир», вместо которой функционирует МКС на орбите. Где же другое кладбище космических аппаратов? Оно на орбите высотой 40000 км, там, где Геостационарная орбита, или орбита Кларка. Аппараты, которые очень далеко от Земли, у них нет такой возможности войти и затормозится об атмосферу. Они будут находиться в космосе вечность и при этом занимать место. Если аппарат сломался и уже выработал свой ресурс, но ещё занимает место, то он мешается. Нам же нужны рабочие спутники, чтобы телевидение и связь работали исправно. Чтобы отработавшая техника не занимала рабочие орбиты, инженеры специально проектируют их так, что к концу срока у них остается топливо для последнего рывка на более высокую орбиту – «кладбище».
Смотрим, что же тогда будет с аппаратами, которые входят в атмосферу Земли. На орбите 200 км ещё можно спасти аппарат и продолжать двигаться по кругу, а вот ниже корабль начинает торможение и сбрасывает скорость. Команда на начало торможения подается с Земли. Из- за уменьшения скорости начинается падение на землю и в плотных слоях атмосферы аппарат частично сгорает, потому что сила трения не только затормаживает, но и разогревает его. Всё, что не сгорело падает в океан.
Масса Международной космической станции превысила уже 420 тонн. Для сравнения: станция «Мир» весила 105 тонн и она сгорела в атмосфере не вся. От неё осталось 5 тонн в суммарной массе всех обломков, которые были затоплены в Тасмановом море. Так что вы представляете какая титаническая работа инженеров и баллистов должна быть проведено в случае если МКС необходимо будет разбирать и каким-то образом безопасно утилизировать. Вы уже догадались что экология — наука сложная не только на Земле, она уже поставила свои задачи перед человечеством в космосе, в сфере ,где мы всего лишь находимся 70 лет с момента запуска первого спутника.
Вот так будет выглядеть любой обломок аппарата, попадающий в атмосферу Земли. Если вы видите падающие звёзды и загадываете желания, учтите, что скорее это или какие-то ледяные каменные глыбы, попадающие в атмосферу или старые ,сошедшие с орбиты, сгорающие в атмосфере спутники. Я думаю это никак не влияет на тот сбудется ваше желание или нет.
А вот так происходит если что-то не сгорело. Это средства выведения космических аппаратов на орбиту. Мы сейчас видим на слайде большую трубу с решетчатыми лепестками, это один из баков. Вокруг разлито что-то черное, это огромная лужа топлива. Ведь горючее всегда берут с запасом, чтобы точно хватило вывести аппарат. Эти баки отстыковываются, чтобы освободить аппарат от лишнего груза, на который потребовалось бы еще больше топлива. С низких высот они не успевают сгореть в атмосфере и просто падают на землю. Это тоже серьезная экологическая проблема, ведь топливо токсичное.
Животные пьют из этих водоёмов и в результате либо погибают, либо оставляют нежизнеспособных потомство.
Как уменьшить суммарный объём и массу космического мусора в будущем? Один из вариантов — запускать маленькие спутники. Вот это железная коробка, пристёгнутая ремнём безопасности самой обычной российской «девятке»- это это платформа «ТаблетСат» от компании «СПУТНИКС» (российский стартап на базе центра «Сколково»). Да, это маленькие спутники, они не могут выполнять сразу много функций, но они гораздо дешевле, они могут выполнять четко какую-нибудь одну свою функцию (например, фотографировать или делать замеры освещённости, температуры) и такие аппараты легче выводить после выработки ресурса. Эра наноспутников началась несколько лет назад, ее успешно развил Илон Маск.
Полностью отказаться от выведения больших крупногабаритных вещей в космос человечество не может. Для этих целей можно использовать многоразовые ступени и корабли. Все давно уже задумались над этой проблемой. Из примеров многоразовых кораблей можно вспомнить «Шаттл» Соединённых Штатов.
Это была хорошая идея, но они оказались настолько тяжелые и дорогие в обслуживании, плюс произошло несколько серьезных аварий при запуске. Поэтому на данный момент всё-таки пока пользуются более надёжным способом, хотя он самый не экологический-это российские одноразовые корабли «Союз».
Успехов удалось добиться в использование многоразовых ступеней. Это большое достижение, так как эти баки не будут валяться балластом на земле, не будет разливов топлива и получается экономия на ресурсах по изготовлению этих ступеней. На слайде выше вы как раз можете увидеть посадку ступеней «Falcon» (знаменитый аппарат Илона Маска).
Мы сегодня до конца занятия будем обсуждать этого человека. Нужно всегда думать головой, что мы запускаем в космос. Все узнали автомобиль «Тесла» Илона Маска с манекеном, которого посадили в машину? Да, конечно,
классный эффект, но вот только потом, как ее обратно вернуть? Это теперь – космический потенциально опасный мусор. Нужно всегда очень аккуратно подходить к тому, что же является полезной нагрузкой при выведении всего в космос.
— Привет, Илон, как ты думаешь, раздельный сбор и переработка помогут ли нам?
-Нет не слышал,- отвечает он и запускает целую сеть спутников Starlink для обеспечения всеобъемлющего Интернета землян. Отчасти это
хорошо. Интернет станет более доступным, но вы можете посмотреть какая густая эта Сеть и это тоже одноразовые спутники. То есть, как только какие-то из объектов Starlink выйдут из строя, они тоже станут космическим мусором. Да, он прав, что сделал их маленькими, но с таким большим покрытием из такой большой частотой возникает проблема утилизации всего этого. Заменить их уже будет невозможно, потому что места заняты.
В данное время проводятся различные исследования по поводу того, каким же образом можно отловить космический мусор, который уже есть и как можно не допустить нового мусора. Мы возвращаемся с вами к правилу из современной экологии «Reduce. Reuse. Recycle» (Уменьшай. Используй повторно. Перерабатывай. ):
- делай размеры объекта меньше, чтобы это тратило меньше ресурсов на изготовление на Земле;
- уменьшай количество этих объектов (потому что, когда нам нужно много мелких кусочков собрать — это гораздо сложнее);
- использовать повторно отработанные аппараты (над этим учёные и в «Роскосмосе» и в «NASA» активно работают, поэтому если вы хотите заняться этой проблемой, то вас ждут во всех технических вузах страны и даже есть научно-технические олимпиады для 8 -11 классов, где мы с учениками в прошлом году изобретали свой собственный электромагнитный буксир космического мусора, позволяющий собирать любые металлические вещи на своем пути).
А теперь, давайте проверим себя, всё ли мы слышали, на все ли вопросы ответили?
- Кладбище космических кораблей — фактах или выдумка? Это- факт! Их два: одно- в Тасмановом море на Земле и второе в космосе на расстоянии 40.000 км на геостационарной орбите.
- Можно ли взять весь мусор с Земли и отправить в далекую галактику? Нет! Вспомните про стоимость отправки одного килограмма груза в космос, тех же мандаринов. Нам придется для этого построить несколько очень тяжёлых кораблей, потратив на них все ресурсы и деньги, чтобы вывести эту мусорку хотя бы на орбиту МКС. даже мощнее чем те которые детали а также потратить все деньги земли и все ресурсы Земли чтобы вывести эту мусорку хотя бы на орбиту МКС, где они потом будут постепенно попадать в атмосферу, гореть и падать нам на голову. Поэтому, ребята, с мусором нужно решать проблему на Земле.
- Скоро вокруг Земли будет столько спутников и космического мусора, что нельзя будет запустить новый спутник или улететь на ракете. Эта ситуация почти уже настала. На геостационарной орбите всего 180 мест и оттуда захоранивают объекты на орбиту подальше, чтобы можно было вывести телевизионные спутники.
- Правда ли, что любую наземную войну можно выиграть, сбив один спутник? Не совсем! Какие же спутники у нас обеспечивают передвижение людей по поверхности земли? Это навигационные спутники. Если выйдет из строя спутниковая система «Глонасс» на территории Российской Федерации мы будем тогда вынуждены пользоваться другими системами. А если другие системы выйдут из строя? То тогда мы уже не сможем повернуть налево исследовать 300 М до поворота по подсказке навигатора. Вот этим и пользуются различные Министерства обороны, командующие военными операциями, чтобы сбить с толку транспорт противника. Да любое войну только этим не выиграть, но это достаточно серьёзный шаг в военных действиях. Правильное функционирование навигации очень важно и в гражданской жизни. Представьте, если скорая заблудиться и не успеет приехать к человеку для оказания помощи или любые другие спецслужбы.
Как предотвратить рост количества мусора в космосе? Это в первую очередь запускать его куда меньше. Всё, что попадает в космос, к сожалению, остаётся там. Нужно хорошо подумать, перед тем, как что-то отправлять с поверхности Земли в космос.