Процес освоєння космічного простору, практично почався в середині 20 століття, зазвичай представляється з позитивних сторін як новий етап розвитку науково-технологічного знання. Однак вже після запуску першого супутника паралельно розпочався зовсім інший негативний процес, пов’язаний із засміченням навколоземних орбіт. Штучний сміття в космосі є безліч загроз як для космічних апаратів, так і для Землі.
Джерела космічного сміття
Під сміттям в даному випадку розуміються похідні техногенного характеру, які досить різноманітні, але пов’язані з безпосередньою діяльністю людини. Приміром, метеороіди природного походження не представляють небезпеки на відміну від техногенних відходів, що створюють загрози з причини свого тривалого перебування на навколоземній орбіті.
Отже, звідки в космосі сміття, що представляє небезпеку? Його більша частина являє собою утворюються при запусках супутників і висновках інших апаратів на орбіту. У таких процесах обов’язково задіюються супутні пілотовані або автоматичні кораблі, які залишають після себе технічні об’єкти і витратні матеріали. Найбільш небезпечним джерелом забруднення такого роду є руйнування супутників і кораблів на орбіті, в результаті чого в космосі залишається некероване обладнання і конструкційні частини літальних апаратів. Самі по собі фрагменти після катастроф техніки або в процесі запланованого викиду відходів не представляють серйозну загрозу в одиничному числі. Однак при тривалому накопиченні утворюються великі об’єкти, часто мають високий радіоактивний потенціал, що ускладнює їх знищення.
Істотну роль у процесах формування небезпечного сміття грає ефект «вікової» деградації уламків космічних об’єктів в умовах дії агресивного навколишнього середовища. На ті ж скупчення сміття робить негативний вплив космічна пил, радіація, температурні перепади, кисневе окислення і т. д. Таким чином, доводиться мати справу не просто з фізичними елементами, що представляють загрозу зіткнення, а з некерованими та вибухонебезпечними матеріалами, що підвищують ризики катастроф.
Моніторинг космічного сміття
Існуючі небезпеки, пов’язані з наявністю космічного сміття, обумовлюють і необхідність постійного дослідження навколоземних орбіт. Спеціальні апарати сканують техногенні відходи за кількома характеристиками, серед яких розмір, маса, форма, швидкість руху, траєкторія, склад та ін. В залежності від величини відстані від Землі застосовується певне обладнання. Наприклад, низька околоземная орбіта системи LEO умовно охоплює дистанцію від 100 до 2000 км. В цьому спектрі діють радіотехнічні, радіолокаційні, оптичні, оптикоэлектронные, лазерні та інші пристрої для спостереження за космічним сміттям. При цьому розробляються і спеціальні алгоритми для аналізу отриманої на даних апаратах інформації. Для об’єднання безлічі фрагментарних даних застосовуються складні математичні обчислювальні моделі, що дають відносно цілісну картину того, що відбувається на конкретному ділянці спостереження.
Незважаючи на застосування високотехнологічних способів моніторингу, поки ще залишаються проблеми відстеження дрібних частинок розміром кілька міліметрів. Такі фрагменти піддаються лише часткового дослідження бортовими датчиками, але цього недостатньо для отримання комплексних відомостей, наприклад, про хімічному складі об’єкта. Одним з напрямів моніторингу таких часток є так зване пасивне вимір. У свій час за таким принципом вивчалися компоненти космічної станції «Мир», повернені на Землю. Суть даної технології полягає в реєстрації ударів досліджуваних частинок про поверхні апарату в умовах відкритого космосу. В лабораторіях піддавалися аналізу ушкодження різного типу, що дозволяло отримати додаткові відомості про космічне сміття. Сьогодні по цьому шляху дослідження працюють бригади космонавтів безпосередньо на орбітах, інспектуючи поверхні діючих кораблів.
Розподіл сміття в навколоземному космічному просторі
Моніторинг космічного простору свідчить про нерівномірний розподіл сміття різних типів по орбітах. Найбільші скупчення відзначаються в низкоорбитальной області – зокрема, у порівнянні з високими орбітами різниця в показниках щільності може бути тысячекратной. В той же час спостерігається взаємозв’язок щільності скупчень з розмірами частинок. Просторова щільність середньорозмірного сміття зазвичай нижче на високих орбітах, ніж на низьких в меншій пропорції в порівнянні з крупнофракционными елементами.
На характеристики розподілу космічного сміття навколо Землі впливає цілий ряд факторів, серед яких особливості походження. Наприклад, дрібні фрагменти, що утворилися в результаті руйнування частин станції або супутників, що мають нестабільні вектора швидкостей. Що стосується великого сміття, то він завдяки високій динаміці здатний досягати великих висот до 20 000 км, а також поширюватися в області геостаціонарного кільця. На рівні 2000 км спостерігається нерівномірний розподіл з точками підвищення щільності на висотах 1000 і 1500 км, зокрема. До речі, найбільш засміченою є геостаціонарна орбіта, причому в її ж області фіксується висока схильність сміття до дрейфу.
Тенденції розвитку процесу засмічення космосу
Фахівців, що займаються вивченням космосу, більшою мірою турбують не поточні загрози, а потенціал засміченості навколоземних орбіт. На даний момент дослідження дозволяють говорити про збільшення темпів забруднення на 4-5% за рік. Причому роль запусків космічних апаратів до цих пір достовірно не оцінена з точки зору зростання популяції чужорідних тіл на різних орбітах. Прогнозуванню піддаються великі об’єкти, але, як вже зазначалося, обмеженість інформації про дрібне сміття навіть у близькому космосі не дозволяє з високою часткою об’єктивності говорити про характеристики масового засмічення. Незважаючи на це, вчені роблять два однозначних висновку про дрібне сміття:
- Обсяг дрібних частинок, які утворюються в результаті руйнувань, стабільно зростає разом із збільшенням числа зіткнень. І в лабораторних умовах, і в теоретичних дослідженнях було показано, що дрібні осколки становлять значну частку елементів, відділяються від руйнування об’єктів.
- Дуже маленькі частинки у вигляді тих же продуктів зіткнень в більшій мірі піддаються негативним впливам зовнішніх сил. Ефект деградації при знаходженні сміття в агресивних умовах тривалий час знижує ймовірність достовірної оцінки щодо майбутнього подібних скупчень.
Очевидно, що проблеми знаходження сміття в космосі будуть тільки збільшуватися, що вимагає прийняття відповідних заходів. Але навіть за умови повної зупинки проектів, пов’язаних з космічною діяльністю, околоземная орбіта буде продовжувати засмічуватися в результаті зіткнення існуючих елементів забруднення з природними частинками. За інерцією цей процес триватиме ще як мінімум 100 років.
Види наслідків засмічення космічного
До найбільш небезпечних негативних наслідків від впливу космічного сміття можна віднести наступні:
- Екологічний збиток для Землі. Сама по собі наявність техногенного сміття в межах навколоземної орбіти тягне зміна екологічного фону і порушує первозданну чистоту середовища перебування. За даними астрономів-спостерігачів, вже зараз прогресує процес зниження прозорості навколоземного простору, що також пояснює наявність перешкод для роботи радіотехнічного обладнання. Безпосередньо для Землі можна відзначити небезпека падіння компонентів з паливними матеріалами, що забезпечують роботу реактивних двигунів.
- Падіння сміття на Землю. Навіть без радіоактивного ефекту падіння техногенних відходів з ближнього космосу може призвести до катастрофічних наслідків. На сьогоднішній день найбільш великі приземлилися об’єкти мали масу не більше 100 т, але серйозних загроз для планети це не являло. З іншого боку, у міру збільшення інтенсивності забур’янення навколоземної орбіти і цей сценарій буде ставати все більш похмурим.
- Небезпека космічних зіткнень. Не варто недооцінювати шкоду космічного сміття для використовуваної в забезпеченні польотів техніки. Ті ж удари великих і малих частинок можуть приводити до істотних порушень у роботі апаратів, а великі аварії ставлять під загрозу перспективи реалізації дорогих амбітних проектів.
Системи оцінки пошкоджень при зіткненні з сміттям
В першу чергу застосовується вже склалася практика аналізу впливів на поверхні космічних апаратів шляхом зовнішнього огляду самими космонавтами. Як говорилося вище, результати подібних досліджень можуть у подальшому використовуватися і для визначення характеристик сміття. Однак найбільш точну аналітичну інформацію дають тільки лабораторні випробування, в яких на цільові матеріали виявляється штучне вплив. Імітація зіткнення техніки з сміттям в космосі реалізується за рахунок надшвидкісних ударів. Далі за допомогою комп’ютерного та цифрового моделювання обробляються отримані дані з аналізом характеристик пошкодження і механіки впливу на цільовий об’єкт. У числі основних показників виділяються такі властивості, як міцність, збереження функціональності, живучість окремих компонентів, ступінь утворення осколків і т. д.
Визначення рівня загрози космічного сміття
Ще на етапах проектування орбітальних станцій і космічних комплексів враховується можливість зіткнення з сміттям різного типу. Для розрахунку оптимальної конструкційної надійності використовуються дані про конкретну середовищі, де буде застосовуватися апарат. При цьому неточність експериментальних і аналітичних методів оцінки загроз як і раніше є суттєвою проблемою. Сміття в космосі можна досліджувати тільки з певним ступенем припущення, що ускладнює завдання конструкторів, які мають відповідним чином готувати техніку до зіткнення на високих швидкостях. Для приблизної ж оцінки загрози використовується поняття загальних потоків космічного сміття, який потенційно може зустрітися на шляху руху апарату. В подальшому виводяться дані про щільність потоку, швидкості, кутах атаки і кількості очікуваних ударів.
Способи зниження загроз від сміття в космосі
Відносно низький рівень моніторингу та визначення характеристик космічного сміття з його прогнозуванням – лише частина проблем. На сучасному етапі перед фахівцями стоїть цілий ряд питань, пов’язаних із зменшенням ризиків негативного впливу техногенних відходів в космічному просторі. Сьогодні розглядається два напрями вирішення цієї проблеми. По-перше, це загальне скорочення польотів, а також мінімізація технологічних процесів, що тягнуть засмічення орбіт на різних рівнях. По-друге, мова може йти про конструкційної оптимізації апаратів з скороченням частин, які потенційно можуть стати космічним сміттям. Окрему увагу в системах контролю космічного простору сьогодні присвячується забруднення радіоактивними речовинами. Це стосується мінімізації продуктів вихлопу двигунів аж до переходу на принципово нові паливні ресурси.
Перспективи боротьби зі сміттям у найближчому космосі
Активна робота в напрямку регулювання космічної діяльності на загальносвітовому рівні дає підстави для оптимізму при оцінці розвитку ситуації в майбутньому. Дбайливе ставлення до чистоти орбітальних середовищ входить в концепції стратегічних програм найбільших держав, які вносять найбільший внесок у справу боротьби зі сміттям у космосі. Прибирання і відведення малих і великих частинок на орбіти-полігони є одним з ключових напрямків очищення космосу від техногенних забруднень, але поки ще не існує ефективних методів реалізації даної концепції. Це технологічно складне завдання, тому основний упор на поточний момент все ж робиться на способи оптимізації діяльності людини в космосі.
Висновок
Одним з радикальних шляхів у вирішенні проблем засмічення космосу є повне припинення запусків орбітальних станцій і супутників до моменту, поки не з’являться нові та більш доступні засоби очищення навколоземній середовища. Але і цей напрямок утопічно силу цілого ряду економічних і технологічних причин. Тим не менш, є передумови для зміни ситуації в кращу сторону. Навіть якщо звернути погляд назад на кілька десятків років, то можна помітити докорінні зміни в ставленні людини до даної проблеми. Так, якщо при експлуатації космічної станції «Мир» в звичайну практику входив прямий викид продуктів життєдіяльності екіпажу, то сьогодні подібне неможливо уявити. Вводяться все нові і більш жорсткі правила, що регулюють процеси знаходження в космічному просторі. Про це свідчать і міжнародні конвенції, за яким країни, що беруть участь у космічній діяльності, зобов’язані дотримуватися принципів зниження негативного впливу на екологічну обстановку в навколоземному середовищі.
