Проблема космического мусора и пути ее решения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение - лицей

г. Татарска

Исследовательская работа

Проблема космического мусора и пути ее решения

Выполнил: Ученик 11 класса

Соловьев Николай



Введение

Актуальность темы исследования:

Данная тема наиболее актуальна в современном мире. Проблема загрязнения окружающей среды - одна из глобальных проблем человечества, а в связи с интенсивным освоением космоса загрязняется не только сама планета, но и ее орбита, космическое пространство, что в свою очередь порождает множество других проблем

Проблема, на решение которой направлено исследование:

Данное исследование направлено на изучение проблемы загрязнения космоса космический мусор земля загрязнение

Объект и предмет исследования:

Объект: космический мусор

Предмет: процесс появления космического мусора на орбите земли, в околоземном космическом пространстве

Цель исследовательской работы:

Исследовать проблему загрязнения космоса, выявить основные пути решения проблемы

Задачи исследовательской работы:

Изучить проблему

Провести опрос о информированности людей касательно данной проблемы

Провести анализ полученных результатов

Выяснить, каким образом космический мусор влияет на экологию земли

Изучить пути решения проблемы

Гипотеза (предположение):

Если определить особенности разработанных проектов по очистке космоса от мусора, то сможно выявить преимущества и недостатки данных проектов, понять как решить проблему

Методы исследования:

Теоретический метод: работа с литературными источниками, иными интернет сточниками

Теоретическая значимость работы:

Теоретическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, чтобы обратить внимание общественности на важность проблемы космического мусора

Практическая значимость работы:

Практическая значимость моей работы: ее можно использовать в школьном курсе «Астрономии» для повышения образовательного уровня обучающихся

Методический аппарат исследования:

Является ли проблема загрязнения космоса актуальной?

Влияет ли запуск космических кораблей на озоновый слой Земли?

Знаешь ли ты, что такое «космический мусор»?

Куда «деваются» сломанные спутники?

Что нужно делать с отработанными спутниками?

Нужно ли продолжить космические исследования, если загрязнение околоземного пространства станет значительным?



Анализ результатов опроса

По результатам ответов на первый вопрос, получены следующие показатели (1)

Является ли проблема загрязнения космоса актуальной?

Обоснование: большинство учащихся лицея считают, что проблема загрязнения космоса является актуальной, но все же смущает большой показатель в пользу ответа «нет» и затрудняющихся ответить. Я считаю, что такие проценты обоснованы незнанием подростков о проблеме космического мусора. 

По результатам ответов на второй вопрос, получены следующие показатели: (2)

Влияет ли запуск космических кораблей на озоновый слой Земли?

Обоснование: Большинство респондентовсчитают, что космический мусор влияет на озоновый слой. И 3 опрошенных считают - что невлияет. Следовательно, большинство учащихся знают, либо слышали о материале данного вопроса. Но все же большой процент невладеет информацией.

По результатам ответов на третий вопрос, получены следующие показатели: (3)

Знаешь ли ты, что такое «космический мусор»?

Обоснование: На гистограмме видно, что большинство оппонентов знают, что такое «космический мусор». И 3 учащихся - невладеют информацией. Я считаю, что именно поэтому отрицательные показатели по первым двум вопросам столь высоки.

По результатам ответов на четвёртый вопрос, получены следующие показа (4)

Куда «деваются» сломанные спутники?

Обоснование: по вопросу утилизации сломанных спутников ответы следующие: «Падают на Землю и в океан» - 8, остаются на орбите - 5 полностью сгорают в атмосфере - 4 и 3 опрошенных - не знают.

По результатам ответов на пятый вопрос, получены следующие показатели: (5)

Что нужно делать с отработанными спутниками?

Обоснование: На основании предложенных вариантов ответов, я систематизировал предложения опрошенных и выделил четыре группы . На диаграмме видно, что, по мнению большинства подростков необходимо бороться с космическим мусором путём сбора его специальными космическими мусоросборниками и возвращать на землю для переплавки . Но и показатели с «отрицательными ответами также высоки»

По результатам ответов на шестой вопрос, получены следующие показатели: (6)



Нужно ли продолжить космические исследования, если загрязнение околоземного пространства станет значительным?

Обоснование: Большинство оппонентов считают, что «нужно уменьшить количество запускаемых аппаратов» На втором месте ответ «нужно ли продолжить космические исследования, если загрязнение околоземного пространства станет значительным». Далее идут ответы: - «прекратить» и - «не знают». Следовательно, подростки в какой-то мере обеспокоены экологической обстановкой в космосе.

Историческая справка

Историки указывают на то, что некоторые объекты на орбите, рассматриваемые как мусор, вероятно будут представлять интерес для космических археологов будущего и поэтому должны быть сохранены. В то же время, на космологических масштабах времени, большая часть этого мусора сравнительно быстро (за тысячи лет) покинет орбиту планеты. Так же отмечается, что космический мусор может затруднить освоение космоса, развитие человечества.

Космический мусор и причины его появления

Обоснование понятия «космический мусор»

Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям. Космический мусор включает как мелкие предметы - болты, старые отвертки, пластиковые пакеты, сломанные ручки и компакт-диски, так и гораздо более крупные, например, обломки выведенных из строя спутников, блоков, отделившихся от ракет.

Откуда же берется космический мусор? В первую очередь это отходы человеческой деятельности. Чем больше мы запускаем спутников и других аппаратов, тем больше мы его засоряем. В настоящее время вокруг земли вращается около 12 тысяч различных спутников из них рабочих всего около 6%, и они выходят со строя с высокой регулярностью. Также свою лепту вносят и ракеты, с помощью которых выводят на орбиты спутники, так как в их баках остается до 10% реактивного топлива, которое довольно быстро принимает вид парового облака с угрожающим мощным взрывом. За последние несколько лет уже было замечено в околоземном пространстве более 100 таких взрывов. Для дальнейшего познания Вселенной очень важно развитие космонавтики. За минувшие полвека человек начал с помощью космических аппаратов исследовать космос, он окружил Землю поясом искусственных спутников и отходов, грозящих затормозить изучение космоса. 



Причины появления «космического мусора» на орбитах Земли, его источники

Можно выделить две основные причины появления космического мусора на орбитах.

Во-первых, это оставшиеся в космосе «мёртвые аппараты». Спутник, запущенный на орбиту высотой 15000 км, способен просуществовать на ней 10.000 лет.

Например, на период с 2001 по 2002 год был отмечен запуск почти 300 спутников, что на 75% больше, чем за два предыдущих года. Эти данные позволяют оценить темпы загрязнения околоземного пространства искусственными объектами.

Во-вторых, «космические аварии»

К примеру, в результате взрыва французской ракеты «Ариан» в 1986 году, образовалось около 3000 обломков с габаритами, которые можно проследить наземными средствами, а более мелких - огромное количество. Когда падала американская орбитальная станция «Скайлэб» (1979 г), то она оставила «хвост» металлических и пластиковых осколков протяжённостью более 1000 км.

Столкновение любого фрагмента размером более 1 см с действующим спутником опасно для последнего из-за большой кинетической энергии осколка и может стать причиной прекращения его функциональной деятельности (но ещё не самое последствие, если учесть, что на спутнике может находиться ядерный реактор).

Огромные скорости в состоянии превратить очень маленький предмет в своеобразную смертельно опасную «космическую» пулю. Столкновение даже с мелкими частицами космического мусора может нарушить нормальную работу космических аппаратов. Поскольку общее количество «космического мусора» постоянно растёт, положение всё обостряется и близки времена, когда на проблему засорения околоземного пространства уже нельзя будет не обращать внимание. (7)

На приведённой иллюстрации видно, как может выглядеть наша планета, окружённая облаком космических объектов. В реальности картина может выглядеть еще страшнее.

Вклад стран в загрязнение околоземного пространства

Сведения о населённости околоземного пространства объектами искусственного происхождения поступают из специальных Служб контроля космического пространства функционирующих как в России, так и в США. Они оснащены радиолокационными, оптическими и оптико-электронными системами слежения. В их задачи входит наблюдение, отождествление и каталогизация искусственных объектов. Российские и американские каталоги содержат их около 9000. Полученная службами контроля информация используется для анализа состояния экологической обстановки в космосе.

Но к сожалению , наблюдениям доступны далеко не все обломки, составляющие космический мусор. Наземные радиолокационные системы могут обнаружить только те объекты, диаметр которых на высоте до 2000 км составляет не менее нескольких сантиметров, оптическим же телескопам доступны объекты от 1 м на высотах и несколько десятков километров. Все остальные объекты находятся вне зоны контроля, хотя и их количество и огромные скорости, с которыми они мчатся вокруг Земли, представляют для человеческой активности в космосе реальную опасность.

Мной проанализированы различные источники информации, в результате чего была составлена следующая диаграмма, позволяющая наглядно оценить степень «вклада» различных стран в засорение околоземного пространства крупными неуправляемыми объектами. (8)

По количеству космического мусора лидирует Россия и страны СНГ.

Согласно подсчётам Россия и страны СНГ лидируют по количеству космического мусора. На них приходится 1370 спутников и 3202 разгонных блоков, ракет и их обломков. В общей сумме это составляет 4572 искусственных объекта. Второе место по засорению космоса занимает США: на орбите вращается 4250 американских объекта, 1086 из которых относятся к спутникам и 3164 - к ракетам, блокам и их обломкам.

Точное количество искусственных объектов по состоянию на 25 июня 2008 года составляло 12851, из них 3163 - это действующие и вышедшие из строя спутники. 9688 - ступени ракет, разгонные блоки, обломки космической техники. Третье место занимает - Китай с 2750 спутниками, ступенями ракет и их осколками. Остальные страны располагают меньшим количеством космических объектов, засоряющих земную орбиту: Франция - 372 объекта. Япония -175. Индия - 144. Европейское космическое агентство -77. Другие страны в общей сложности - 511.

Надо принять во внимание и тот факт, что количество стран, занимающихся космической отраслью будет неуклонно расти, и к программе космических исследований присоединятся новые участники. Все это приведет к увеличению запусков ракет и выведению на орбиты новых космических объектов.



Виды космического мусора

Классификация космического мусора

Данное изображение позволяет оценить количество мусора среди всех крупных космических действующих и отработанных объектов. (9)

Здесь видно, что подавляющее большинство крупных объектов составляют бесполезные части, то есть мусор на орбите.

Распределение космического мусора по высотам орбит

В ближней части околоземного пространства, на высотах ниже 400 км, то есть в области полёта пилотируемых аппаратов имеется большое количество космического мусора, но эти объекты сравнительно недолговечны: через несколько лет после образования они сгорают в атмосфере Земли.

На высотах 850-1200 км летают метеорологические спутники и спутники дистанционного зондирования Земли, а также большая часть спутников с ядерными энергетическими устройствами. Последние на этих высотах могут существовать сотни лет до полного исчезновения радиационной опасности. Случаи досрочного разрушения возможны вследствие соударения с частицей размером меньше 0,1 см, летящей со скоростью пули -10 км/с.

Геостационарная орбита(35 786 км) плотно заселена объектами космической индустрии спутниками стационарами. В настоящее время там находятся около 800 объектов. Ежегодно к ним прибавляется два-три десятка новых стационаров и значительное количество обломков разрушающихся по разным причинам спутников.

Полезное население высоких орбит составляют телекоммуникационные спутники связи, научные, военные и метеорологические спутники. С 1963 года на высокие орбиты было запущено 400 спутников, около 100 из них все еще активны. 200 уже не функционируют, и тем не менее, большинство из них всё еще остается на орбите. Там же находится еще около сотни верхних ступеней ракет и других объектов, обнаруженных в ходе исследований. Специалистам известно, по крайней мере, о 3-4 взрывах, произошедших на этих орбитах, но их причины так и не установлены.

Влияние запусков космических аппаратов на загрязнение поверхность Земли и вод Мирового океана

Еще одна очень важная проблема: загрязнение земной поверхности и атмосферы при запусках и возвращениях космических аппаратов. Космические аппараты запускаются в космос при помощи ракет-носителей, использующих различные компоненты жидкого т твердого топлива.

Но дождь из осколков и топливных баков «жалуются» жители Казахстана и Сибири, куда после старта с космодрома Байконур падают детали космических аппаратов.

Последствия для жителей этих районов могут быть еще плачевнее, если старт не удался и ракета вместе со спутником взорвалась. В результате взрыва она распадается на миллионы мелких осколков, которые со сверхзвуковой скоростью выпадают на землю. Так, например, произошло в сентябре 2007 года, когда ракета «Протон-М» взорвалась вместе с японским спутником на борту и через 2 минуты после старта обрушилась недалеко от казахского города Джезказган.

Проекты очистки космоса от мусора

Учёными разработаны разные проекты по решению данной проблемы. Данные проекты направлены на очистку космоса от мелких отходов (например, проекты «Пеноматериал», «Пластины из аэрогеля») и от крупных отходов (например, «Путеводный трос», «Машина-мусоросборщик»). Рассмотрим данные проекты, а тк же их достоинства и недостатки.

«Машина-мусоросборщик»

Принцип действия

Захватывает мусор клещами.

Космический корабль, оснащенный рукой-роботом, будет собирать отходы один за другим, а затем помещать их в специальный отсек летательного аппарата.

Для каких отходов

Для самых крупных: спутников, ступеней ракет.

Преимущества

Машина способна производить отбор: рука-робот позволяет подхватывать четко определенные предметы. Таким образом, можно будет посылать ее за самыми вредными, наиболее крупными или взрывоопасными отходами.

Недостатки

Руке-роботу трудно будет хватать кружащиеся отходы. Цена вопроса: встреча с одним из видов мусора, тем более с несколькими, в космосе обойдется очень дорого!

«Путеводный трос»

Принцип действия

Опустить отходы с орбиты с помощью земного магнитного поля. Когда по проводу, движущемуся в магнитном поле, проходит электрический ток, на провод действует сила, именуемая «силой Лапласа». В зависимости от направления тока эта сила замедляет движение провода или, напротив, ускоряет его. А что, если воспользоваться этой силой, чтобы замедлить движение отходов? С магнитным полем никаких проблем: поле нашей планеты прекрасно действует на высотах, где кружатся отходы. 

Для каких отходов

Для крупных предметов: спутников или ступеней ракет.

Преимущества: Легкий вес системы. Нет никакой надобности в ракете для возвращения предметов обратно: они сами опустятся на Землю.

Преимущества

Следовательно, достаточно прикрепить длинный трос-провод к обломку спутника или ракеты, который предстоит уничтожить, и пропустить по нему ток. Сила Лапласа должна замедлить движение троса, а вместе с ним и мусора. По прошествии нескольких месяцев отходы в конце концов упадут на Землю.

Недостатки

Процесс прикрепления троса к мусору в космосе обойдется очень дорого и может оказаться сложным из-за того, что мусор постоянно кружится. Поэтому ученые считают, что было бы лучше размещать подобные приспособления на спутниках перед их запуском. Трос, лежащий свернутым в небольшой коробке, спокойно ждал бы, пока срок службы спутника подойдет к концу, прежде чем помочь спутнику опуститься на Землю. Однако для получения «тормозного» эффекта длина троса должна составлять несколько километров. Подобное приспособление, вращаясь вокруг Земли в течение месяцев, могло бы причинить вред действующим спутникам! Кроме этого, трос должен быть сделан из очень прочного материала, чтобы не порваться при столкновении с космическими обломками.

«Лазеры»

Принцип действия

Превратить отходы в газ. Исследователи предложили стрелять по отходам из лазерных пушек, чтобы они разогрелись до такой степени, что превратились бы в газ. Лазеры должны были бы находиться на Земле и направляться сверхчувствительными радарами, способными обнаруживать предметы диаметром в один сантиметр.

Для каких отходов

Величиной менее нескольких сантиметров. Для более крупного мусора процесс оказался бы слишком энергозатратным

Преимущества

Мусор исчезает в атмосфере. Технология уничтожения предметов на очень малой высоте уже была опробована.

Недостатки

Система поглощает слишком много энергии, даже при уничтожении небольшого обломка. Некоторые материалы рискуют распасться на части под воздействием лазера и образовать новые мини-обломки! Метод, при использовании которого выделяется большое количество энергии в окружающую среду, опасен. В радиусе действия лазера тепловое равновесие атмосферы было бы нарушено. Даже ее состав мог бы измениться: появилось бы множество заряженных частиц, что привело бы к непредвиденным последствиям.

«Движущаяся сеть»

Принцип действия

Ловить отходы с помощью сети. Эта система, разработанная американской фирмой, называется ГРАСП («собирать, схватывать и перевозить безопасным способом» - ант.). В космосе разворачивается нечто вроде рыболовной сети из полимерных материалов, достаточно прочных, чтобы избежать повреждений при столкновениях с космической пылью. 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 вместе со своей добычей.

Для каких отходов

Для самых крупных: спутников, ступеней ракет.

Преимущества

Структура, натягивающая сеть, сделана из надувных валиков. У нее небольшой вес - стоимость ее запуска в космос невелика. ГРАСП сможет собрать все отходы, даже те, что постоянно кружатся либо не поддаются захвату.

Недостатки

Пойманные отходы придется доставлять на Землю на космическом корабле, что обойдется очень дорого.

Пластины из аэрогеля

Принцип действия

Аэрогель - это чрезвычайно пористый материал: он состоит из пустоты на 99,8 %! Попадая в такое вещество, мельчайшие частицы проделывают очень длинные туннели, замедляют свой ход, а затем становятся совершенно неподвижными. Эти пластины должны были бы до предела наполниться крошечным мусором, прежде чем вернуться на Землю.

Для каких отходов

Для пылинок диаметром в несколько десятых долей миллиметра.

Преимущества

Эта техника уже себя зарекомендовала. Зонд «Stardust» (звездная пыль - англ.) космического агентства НАСА использовал аэрогель в 2006 году для захвата метеоритной пыли.

Недостатки

Отходы величиной менее миллиметра наименее опасны: хотя они и разъедают поверхность действующих спутников, но значительного ущерба им не наносят. Для того, чтобы этот способ был рентабельным и позволял собирать большое количество мусора, нужно посылать в космос очень большие пластины. Но такие пластины не выдержат столкновение с крупными отходами, которые могут разорвать пластины на части. Не говоря о действующих спутниках - им пришлось бы уклоняться от встречи с этими космическими пришельцами.

«Пеноматериал»

Принцип действия

Торможение отходов с помощью пены. Космический корабль оставляет на траектории движения отходов особую пену, которая, оказавшись на свободе, образует гигантский шар! Попавший в него мелкий мусор замедляет свой ход - это заставляет его устремиться к Земле.

Для каких отходов

Для самых мелких; скорость более крупного мусора не уменьшится настолько, чтобы он смог быстро опуститься.

Преимущества

Как и при использовании тросов, отходы не нужно никуда складывать для отправки на Землю: они сами снижаются.

Недостатки

Как и при использовании аэрогелевых пластин, шар должен быть внушительных размеров. Некоторые утверждают, что диаметр шара должен составлять несколько километров! Гигантский шар наверняка сразу же столкнется с крупными отходами, которые разнесут его в клочья. Пеноматериал пробудет на орбите недолго - запуск в космос приспособления для столь краткого использования обойдется очень дорого.



Заключение

Мы определили, что космический мусор - это страшно и опасно. Он угрожает находящимся в эксплуатации спутникам и Международной космической станции. В будущем мусор может стать препятствием для пилотируемых полётов и запусков, новых космических аппаратов. 

Классифицировать космический мусор в околоземном пространстве можно на крупные объекты (отработанные спутники), средние объекты (космические зонды и эксплуатационный мусор), мелкие объекты (частицы краски и защитные оболочки)

Причинами появления «космического мусора» на орбитах Земли являются оставшиеся в космосе «мёртвые аппараты» и «космические аварии».

Учёными разработаны разные проекты по решению данной проблемы. Данные проекты направлены на очистку космоса от мелких отходов (например, проекты «Пеноматериал», «Пластины из аэрогеля») и от крупных отходов (например, «Путеводный трос», «Машина-мусоросборщик»).

Анкетирование учащихся НЧОУ лицея «ИСТЭК» показало, что большинство ответов было в пользу решения экологической космической проблемы. Но все-же выбранная возрастная группа, дала показатели низкой информативности в исследуемой области. 



Приложения:

1)

(2)



(3)

(4)



(5)

(6)



(7)

(8)



(9)

Размещено на Allbest.ru

...