Текст уведомления здесь

Заминированный космос

Что такое синдром Кесслера и чем именно он нам угрожает

Космическая эра, начавшаяся в 1957 году, может закончиться, не дождавшись своего столетия. Полеты в космос становятся все более опасными из-за множащегося на околоземной орбите мусора.
Добавить в закладки
Комментарии

Одним из первых о космическом мусоре заговорил польский писатель-фантаст Станислав Лем: «Вокруг самой крупной планеты Сириуса, настоящей жемчужины этой планетной системы, возникло кольцо наподобие колец Сатурна, но состоящее из пустых пивных и лимонадных бутылок. Космонавт, летящий этой дорогой, вынужден обходить не только тучи метеоритов, но и консервные банки, яичную скорлупу и старые газеты». В 1964 году эти слова из «Воспоминаний Ийона Тихого» казались шуткой, а сейчас такое кольцо вокруг Земли уже образовалось. Его, конечно, не видно глазом, но принимать защитные меры уже приходится.

Пожалуй, непревзойденный по количеству объектов (но не самый опасный) выброс космического мусора осуществили Соединенные Штаты в рамках проекта «Вестфорд». И произошло это за год до «выступления» Ийона Тихого. Тогда на полярной орбите высотой 3500—3800 км было распылено 480 млн тончайших медных проволочек-диполей (длиной 17,8 мм и толщиной 17,8 микрона). Идея состояла в том, чтобы создать в космосе искусственную среду, отражающую радиоволны для дальней связи взамен ненадежной ионосфере. Против эксперимента выступили астрономы из британского Королевского общества, в СССР газета «Правда» вышла с заголовком «США засоряют космос». ТАСС выступил заявлением, что «американская военщина полностью игнорирует те опасные последствия, которые могут возникнуть для человечества в связи с засорением околоземного пространства в результате таких экспериментов». Как бы то ни было, проект был вскоре закрыт. Большинство иголок из-за очень малых размеров сошли с орбиты в течение 10 лет. Но даже к 2016 году еще отслеживалось 38 комков иголок, которые не разделились при выбросе, и, будучи относительно крупными объектами, не сходят с орбиты.

В мае—июне 2007 года на служебном модуле МКС «Звезда» установили 17 дополнительных противоосколочных панелей для защиты от мелкого космического мусора. Для этого космонавты Олег Котов и Федор Юрчихин дважды выходили в открытый космос. Во время второго из этих выходов на поверхности модуля «Заря» было обнаружено отверстие, «похожее на пулевое». Подобное отверстие диаметром 6 мм, пробитое частицей размером 1−2 мм, видел в 2013 году в солнечной батарее станции астронавт Крис Хэдфилд. До сих пор такие повреждения не наносили станции серьезного ущерба. Однако риск неожиданно получить пробоину есть всегда.

В США, России и ЕС ведут постоянный мониторинг космического мусора. На сегодня отслеживается более 17,5 тыс. объектов. Из них 6 тыс. — действующие и неработающие космические аппараты и ступени ракет, а почти 10 тыс. — крупные обломки (5−10 см и более). Для всех этих объектов определяются орбиты, но точно прогнозировать их движение невозможно. Во-первых, есть погрешности измерения положений и скоростей, во-вторых, орбиты обломков все время немного меняются. Прежде всего на их движении сказывается сопротивление атмосферы, плотность которой на большой высоте непостоянна. Определенный вклад дает давление солнечного света, которое зависит от отражательных свойств и ориентации объекта. Есть влияние геомагнитного поля. Наконец, гравитационные возмущения от Луны, планет и неравномерного распределения массы внутри Земли не поддаются абсолютно точному учету. Поэтому «мусорные» объекты, несмотря на свою сугубо классическую природу, представляются на практике облаками вероятности.

Если по прогнозу вероятность столкновения МКС с каким-либо объектом превышает 0,01%, станция включает двигатели и совершает маневр уклонения. Делать это приходится в среднем раз в год, но, например, на 2012 год выпало целых четыре таких маневра. Иногда обнаружить угрозу удается слишком поздно и совершать маневр уже некогда. В таких случаях на станции объявляется эвакуация: экипаж надевает скафандры и занимает места в пристыкованных космических кораблях — их размер гораздо меньше и вероятность попасть под удар ниже. За время эксплуатации МКС такое происходило четырежды.

Проблема, однако, в том, что отслеживать с Земли можно только крупные обломки — как правило, диаметром больше 10 см. Но никакие защитные панели не устоят даже против сантиметрового «снаряда», летящего с орбитальной скоростью. Она на порядок выше, чем у автоматной пули, которая при таком разгоне приобрела бы энергию разорвавшейся гранаты. И таких «гранат» сантиметрового диаметра и больше, по современным оценкам, вокруг Земли летает уже около 700 тыс. Много? На самом деле — еще не очень. Если бы все эти обломки оказались минами на поверхности Земли, среднее расстояние между ними составило бы 25—30 км. А в космосе они еще и расходятся по высоте.

Но это не должно нас как-либо успокаивать. Неприятности с космическим мусором только начинаются. Его фрагменты сталкиваются не только с МКС, но и между собой. Помните завязку «Гравитации»?

Семимиллиметровая выбоина в одном из обзорных иллюминаторов МКС, появившаяся в результате попадания в него кусочка космического мусора диаметром не более нескольких тысячных миллиметра. Фото: ESA/NASA

Семимиллиметровая выбоина в одном из обзорных иллюминаторов МКС, появившаяся в результате попадания в него кусочка космического мусора диаметром не более нескольких тысячных миллиметра. Фото: ESA/NASA

При взрывном разрушении на орбите появляются тысячи мелких обломков, большую часть из которых нельзя отследить с Земли. Эти фрагменты в свою очередь сталкиваются между собой и дробятся дальше. Такой лавинообразный рост количества орбитального мусора называется синдромом Кесслера, по имени консультанта NASA, который первым описал этот эффект. Неконтролируемое развитие синдрома Кесслера может привести к тому, что полеты в космос (или, по крайней мере, продолжительные работы на низких орбитах) надолго станут невозможными.

Чем меньше объект и чем ниже он движется, тем сильнее тормозит его земная атмосфера. С низких орбит мелкий мусор довольно быстро выпадает на Землю, сгорая в атмосфере. Даже МКС, летящая на высоте 400 км, теряет высоту со скоростью около 100 м в сутки. Но вот на высотах 700—1000 км обломки могут обращаться вокруг Земли веками, сталкиваясь друг с другом и порождая ливни обломков. Именно на этих высотах, где обломки живут долго, наиболее опасно развитие синдрома Кесслера.

Выше начинаются радиационные пояса Земли, и там летает не очень много спутников — в основном аппараты систем глобального позиционирования, поэтому мусора накапливается немного. Исключение — геостационарная орбита на высоте 35 786 км, где находятся сотни работающих и заброшенных аппаратов. Там не бывает быстрых столкновений на пересекающихся курсах: скорости относительных движений — как на автомобильной парковке. Но и они, впрочем, могут вызвать серьезные повреждения хрупких антенн и солнечных батарей, а побитый спутник в сервис не отвезешь. Потому в начале 2000-х годов, во избежание неприятностей, было решено, что все новые спутники после завершения эксплуатации должны переводиться на т.н. орбиту захоронения — примерно на 300 км выше геостационарной.

Визуализация того, как увеличивалось число объектов на орбите Земли, созданная Институтом аэрокосмических систем Брауншейгского технического университета. Отображены спутники (красные), ракетные корпуса (желтые), различные мелкие детали типа болтов и крышек для объективов (зеленые), шлак твердотопливных ракетных двигателей (синий) и осколки, возникшие в результате столкновений (белый). Источник: youtube.com

Исследования показывают, что уже в начале этого века количество околоземных объектов перевалило за тот рубеж, когда начал раскручиваться синдром Кесслера. Даже если бы космические пуски вдруг прекратились 10 лет назад, то количество космического мусора на орбите продолжало бы расти за счет столкновений. Теперь же все обстоит еще хуже.

В 2007 году Китай произвел испытания противоспутниковой ракеты «Фэнъюнь-1C». Ракета кинетическим оружием (попросту говоря, тараном) уничтожила выведенный из эксплуатации метеорологический спутник на высоте 865 км, то есть как раз в самой опасной зоне. Результатом стал самый крупный в истории выброс космического мусора. К октябрю 2016 года «эхо» этого события представляло собой 3438 крупных обломков. За девять лет 571 из них сгорели в атмосфере, остальные продолжают двигаться по своим орбитам. Но гораздо больше образовалось мелких фрагментов. Их никто не видел, и оценить их число можно только приблизительно. В одних источниках говорится о 40 тыс. фрагментах больше сантиметра, в других — о 150 тыс. без указания размера. Вредоносный эффект этого события превосходит даже космические ядерные испытания конца 1950-х — начала 1960-х годов, когда заряды взрывали на высотах не более 500 км.

Прошло чуть более двух лет, и 10 февраля 2009 года случилось первое серьезное столкновение, уничтожившее действующий космический аппарат — спутник глобальной системы связи «Иридиум». В него врезался выведенный из эксплуатации российский спутник «Космос-2251», запущенный в 1993 году. Произошло это над полуостровом Таймыр на высоте 789 км — опять в самом неудачном месте. Спутники шли почти перпендикулярными курсами и столкнулись со скоростью 11,7 км/с. В результате образовалось более 2 тыс. крупных обломков и десятки тысячи мелких. В основном они распределены вдоль орбит двух спутников, но некоторые довольно сильно от них отклоняются.

В совокупности эти два события увеличили количество отслеживаемого крупного космического мусора примерно в 1,5 раза. Без них такой же уровень засоренности околоземного пространства был бы достигнут через 20−30 лет. А сейчас прогнозы звучат довольно тревожно: столкновения, подобные тому, что случилось в 2009 году, будут происходить примерно раз в пять лет.

Пробоина в панели спутника SolarMax (NASA), сделанная осколком космического мусора. Фото: NASA

Пробоина в панели спутника SolarMax (NASA), сделанная осколком космического мусора. Фото: NASA

Проблема космического мусора не решится сама собой. Число только крупных обломков приближается к 20 тыс., а на Землю они выпадают в среднем по одному в сутки (в период солнечного максимума втрое чаще, из-за разогрева и расширения верхней атмосферы, а в периоды минимумов — втрое реже). Но самое главное — синдром Кесслера уже сейчас играет большую роль в умножении числа мусорных объектов, чем новые космические запуски.

Специалисты призывают не паниковать, говоря, что реализация сценария, описанного Кесслером, не приведет к полной невозможности космических полетов, а лишь повысит их сложность и стоимость из-за необходимости постоянно маневрировать, уклоняясь от мусора. Также он не затронет высокие орбиты, куда большинству обломков не хватит энергии подняться. Но цены и риски в космонавтике и сейчас очень высоки. Если они еще возрастут, то космонавтика рискует окончательно утратить экономическую привлекательность. Поэтому сейчас все космические агентства озабочены поиском активных мер по борьбе с космическим мусором. Но это отдельная тема.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Осталось ждать три-четыре года

Андрей Замятнин — о разработке лекарства от врожденной непереносимости глютена

Целиакия — это аутоимунное заболевание, непереносимость клейковины (глютена), содержащейся в семенах злаковых растений, в особенности пшеницы, ржи и ячменя. Единственный существующий способ контролировать его — блюсти безглютеновую диету. Но скоро, возможно, это изменится: в Сеченовском университете вплотную подошли к клиническим испытаниям первого в мире лекарства от целиакии. Корреспондент «Чердака» поговорил о новом препарате с автором разработки, директором Института молекулярной медицины Первого МГМУ профессором Андреем Замятниным.
Добавить в закладки
Комментарии

—  Андрей Александрович, долгим ли был путь к открытию вашего препарата?

— Тут есть некоторая предыстория. Так исторически сложилось, что лет 15 назад мне посчастливилось принимать участие в исследованиях, посвященных запрограммированному клеточному старению у растений…

—  Тем самым апоптозом?

—  Не совсем. Здесь надо, видимо, сделать отступление для небольшого терминологического ликбеза. Строго говоря, то, что происходит у растений, нельзя называть «апоптозом». Видов запрограммированной клеточной смерти известно больше десятка. У животных этот процесс, апоптоз, обязательно заканчивается образованием апоптотических телец, которые потом поглощаются и перевариваются клеточным окружением. Все, так сказать, идет в дело. У растений это не очень возможно по техническим причинам, потому что растительные клетки окружены оболочкой из целлюлозы. Целлюлозу соседние клетки переварить не могут, и апоптотические тела у растений, даже если таковые образуются, соседям недоступны. Скорее, данный процесс следует называть аутофагией, которая также распространена и у животных клеток. За ее открытие, кстати, в прошлом году присудили Нобелевскую премию. Но это мы немножко отвлеклись. [ ... ]

Читать полностью

Биолюминесценция в каждый дом

Почему так сложно сделать светящиеся растения

Несколько лет назад на Kickstarter был очень популярен проект Glowing Plant: тем, кто его поддержит, всего лишь через год обещали выслать семена светящихся растений. Но светящихся растений все еще нет, хотя эксперименты по их созданию идут уже не первый десяток лет. Почему все так сложно, «Чердаку» рассказал Илья Ямпольский, руководитель группы синтеза природных соединений Института биоорганической химии РАН.
Добавить в закладки
Комментарии

Светящееся растение? Нет, не видели

— Я когда-нибудь получу свое растение? Уже годы прошли. Мне просто любопытно.

— Как мне получить свои 40 долларов обратно?

— Я уже махнул рукой на это дело и считаю, что просто потерял деньги. [ ... ]

Читать полностью

Сжигать или не сжигать

Что происходит с мусором на свалках и стоит ли его жечь

Чем больше мы покупаем, тем больше выбрасываем. Еда, одежда, гаджеты, бытовая техника, да просто надоевшая утварь — все это в один прекрасный день заканчивает свои дни на помойке. Но то, что служило верой и правдой, попав на полигон, может сильно отравить жизнь бывшему владельцу.
Добавить в закладки
Комментарии

Свалки

Каждый год в России образуется около 60 млн тонн твердых коммунальных отходов (ТКО), или около 2,4 тонны на каждого из нас. При этом лишь 4 — 7,5% из них перерабатывается. И проблема не только в том, что полигоны и свалки отвоевывают все новые и новые земли. Только по официальным данным, в нашей стране более 20 тыс. незаконных свалок мусора, а оборудованных для размещения ТКО полигонов — всего 1,5 тыс.

«Неучтенное большинство полигонов на территориях России по сути являются свалками, так как при их создании специальные защитные технологии и надежные изолирующие материалы не использовали — твердыми промышленными и бытовыми отходами заполняли овраги, карьеры и другие складки местности», — пояснил доктор медицинских наук Владимир Румак, профессор токсикологии в МГУ им. Ломоносова.

Казалось бы, лежат себе пластиковые бутылки, объедки со стола и прочий мусор, никого не трогают. Но в теле полигона идут химические реакции, например окисления, брожения. Брожение протекает с выделением тепла, которое может «спровоцировать» другие вещества вступить в реакции. В итоге, разлагаясь, часть отходов образует свалочный газ, состоящий частично из метана, частично из диоксида углерода и примеси токсических органических соединений. Они отравляют воздух, а тяжелые металлы и другие токсические вещества с незаконных свалок попадают в почву и разносятся грунтовыми водами. [ ... ]

Читать полностью