Проблемы использования космической техники для околоземного пространства, презентация

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Первомайский район

Первомайская школа №2

Проблемы использования космической техники

для околоземного пространства

Автор работы:

Толопченко Анастасия

Ученица 7 класса

Научный руководитель:

Сергеев С.С. преподаватель физики

В соавторстве Кулиш С. С. Преподаватель биологии

2022 год

К О С М О С

Космос является общим достоянием человечества. Космическое пространство не находится под юрисдикцией какого-либо государства. Для проведения исследовательских программ необходимы единые международные правила, касающиеся всех стран. Сегодня они есть, но их недостаточно, и отслеживание их исполнения не отлажено в полной мере. Деятельность мировых стран в околоземном космическом пространстве играет важную роль в обеспечении их жизнедеятельности, национальной безопасности, экономического, научного и социального развития.

Зачем человеческой цивилизации нужно освоение космоса?

- Развитие технологий, часть из которых уже нашли применение и в повседневной жизни. Это информация о штормовых предупреждениях и погоде, телефонные разговоры по спутниковому телефону, спутниковое телевидение и т.д. Все это было достигнуто уже сейчас с помощью исследования космоса. Навигаторы в автомобилях, самолеты и суда получают информацию напрямую оттуда и т.д.

Актуальность проекта

Основной проблемой освоения космоса является замусоривание. Обломки космических объектов, их ликвидация приводит к огромным скоплениям мусора, которого больше 3 тысяч тонн только в ближнем космосе. Количество мусора только растет, что угрожает для пилотируемых полетов, для беспилотных аппаратов и людей на Земле. Падающий из космоса мусор может стать причиной разрушений и гибели людей.

В настоящее время проблема загрязнения космического пространства становится актуальной еще и потому, что она связана с проблемой загрязнения Земли. Проблема вызывает интерес, так как относится к числу нерешенных мировых проблем.

Ц Е Л Ь И С С Л Е Д О В А Н И Я

Цель проекта: выявить основные экологические проблемы, являющиеся следствием освоения космического пространства.

В ходе выполнения работы я поставила перед собой следующие задачи:

1. Выявить причины загрязнения околоземного космического пространства;

2. Изучить возможные пути решения проблемы засорения околоземного пространства;

3. Проанализировать меры, предпринимаемые мировым сообществом по предотвращению дальнейшего распространения загрязнения околоземного пространства.

Г И П О Т Е З А

Гипотеза: распространение сферы практической деятельности человечества на околоземное космическое пространство сопряжено с увеличением антропогенных воздействий на околоземную среду.

Объект исследования: влияние космической деятельности на загрязнение планеты и околоземного пространства.

Предмет исследования: околоземное космическое пространство.

П Р И Ч И Н Ы З А Г Р Я З Н Е Н И Я О К О Л О З Е М Н О Г О И

З Е М Н О Г О П Р О С Т Р А Н С Т В А

Механическое загрязнение связано с накоплением космического мусора. Этот термин используется для обозначения совокупности находящихся в околоземном космическом пространстве тел искусственного происхождения, не выполняющих полезных функций. В состав космического мусора входят прекратившие работу космические аппараты, остающиеся на орбитах последние ступени ракет-носителей, монтажные элементы, сбрасываемые защитные крышки и т.п., а также фрагменты разрушившихся изделий и образующиеся при разрушении и эксплуатации космических аппаратов мелкие частицы [1]. Проблему угрозы космического мусора признали в 1993 году, когда генсек ООН Бутрос Бутрос-Гали выступил с докладом «Воздействие космической деятельности на окружающую среду». В частности, он заявил, что проблема космического мусора достигла международного глобального уровня [6]. Стремительное увеличение техногенных космических объектов и фрагментов их столкновений, привело к тому, что они стали представлять реальную угрозу действующим космическим аппаратам и МКС [3]. Данное обстоятельство подтверждается тем, что ежемесячно в центры управления полетов выдаются по 5-10 сообщений с предупреждениями об опасных сближениях космических объектов с космическими аппаратами и МКС на расстоянии менее 15 км [3]. По данным Роскосмоса: "В настоящее время количество находящихся на орбите объектов, так называемого космического мусора, размер которых превышает один сантиметр в поперечнике, составляет, по разным оценкам, от 600 до 700 тысяч». Лидером по количеству космического мусора являются США, на втором месте - Россия, а на третьем - Китай. На эти страны приходится 93% космического мусора. Ежегодно его общий объем увеличивается на четыре процента[2]. На сегодняшний день средства мониторинга околоземного космического пространства России способны обнаружить объекты размерами более 30 см и очень редко 5-10 см, вследствие чего в каталоге России – 9000 космических объектов. Объекты размерами от 1 до 10 см пока не занесены в каталог, из-за отсутствия необходимого количества информации, но по-прежнему представляют угрозу безопасности полета космических аппаратов ввиду огромных космических скоростей[3

Химическое загрязнение, связанное с эксплуатацией ракетно- космической техники, обусловлено работой ракетных двигателей разных типов, которые выбрасывают в космическое пространство газообразные продукты, плазму и твердые частицы. При запусках мощных ракет суммарная масса выбрасываемых продуктов измеряется сотнями тонн. Наиболее известным последствием химического загрязнения является возникновение после запуска мощных ракет так называемых «ионосферных дыр» – областей с пониженной электронной концентрацией, которые образуются в результате взаимодействия продуктов сгорания ракетного топлива с ионосферной плазмой. Некоторое локальное воздействие запуски ракет оказывают также на озонный слой и верхнюю атмосферу[1]. Сохранение озонового слоя – одна из задач экологии. Однако до сих пор действующих средств защиты озонового слоя от выбросов продуктов сгорания ракетного топлива в атмосферу пока нет.

Электромагнитным загрязнением называют техногенные излучения, проникающие в ионосферу и магнитосферу. Эти излучения, создаваемые различными наземными устройствами и оборудованием космической техники. Бортовые передатчики космических аппаратов, имеющие сравнительно малую мощность, вносят очень малый вклад в электромагнитное загрязнение. Указанные процессы обусловлены главным образом работой мощных наземных передатчиков и радиолокаторов[1].

Радиоактивное загрязнение создается используемыми в составе некоторых космических аппаратов источниками энергии, содержащими радиоактивные вещества. Находящиеся на околоземных орбитах космические аппараты, использующие источники энергии, содержащие радиоактивные вещества на борту, могут создавать радиоактивные загрязнения двух видов: повышенный радиационный фон в окрестности космического аппарата и загрязнение радиоактивными веществами атмосферы и даже поверхности Земли при аварийном разрушении. Радиоактивное загрязнение атмосферы и поверхности Земли, вследствие разрушения такого типа космических аппаратов, является достаточно редким событием. Однако накопление в околоземном космическом пространстве космического мусора увеличивает такую вероятность, и соответственно повышает опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды .

Р А К Е Т Н О Е Т О П Л И В О

Ракетное топливо — одно или более высокоэнергетических веществ питания ракетного двигателя для создания им тяги. С развитием ракетной техники идет развитие новых видов ракетных двигателей, например, ядерных ракетных двигателей. Ракетное топливо может быть химическим (жидким и твёрдым), ядерным, термоядерным.

Жидкое химическое ракетное топливо состоит из двух компонентов: окислителя и горючего, которые находятся в ракете в жидком состоянии в разных баках. Смешивание их происходит в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя, обычно с помощью форсунок. Давление компонентов топлива создается за счет работы турбонасосной или вытеснительной системы, в работе которых также могут участвовать компоненты топливной пары. Кроме того, компоненты топлива используются для охлаждения сопла жидкостного ракетного двигателя. Жидкие ракетные топлива делятся на высококипящие, то есть находящиеся в жидком состоянии при температуре выше 298К (24,85 °C), и низкокипящие, которые для хранения и использования нужно охлаждать ниже 298К[1]. Низкокипящие топлива, хотя бы один из компонентов которого должен находиться при температуре ниже 120К (−153,15 °C) называются криогенными[2].

Также применяются так называемые ракетные монотоплива, в которых и окислителем и восстановителем является одно и то же вещество. При работе ракетного двигателя на монотопливе происходит химическая реакция самоокисления-самовосстановления с участием катализаторов, либо двигатель работает только за счёт фазового перехода вещества монотоплива, например из жидкого состояния в газообразное.

Твёрдое ракетное топливо тоже состоит из окислителя и горючего, но они находятся в виде смеси твёрдых веществ.

Керосин + жидкий кислород. Популярное, дешёвое топливо с великолепно развитой топливной инфраструктурой. Имеет неплохую экологичность, хорошую плотность. Лучшие двигатели обеспечивают удельный импульс (УИ) немногим выше 300 секунд при атмосферном давлении и около 335 секунд в вакууме. Используется в: РД-107А (РН «Союз-2.1б»), РД-180 (РН «Атлас-5»), РД-191 (РН «Ангара»), Мерлин (РН Falcon 9) и др.

Смесевое твёрдое ракетное топливо на основе перхлората аммония. Дорогое топливо, требует высокой культуры производства. Широко используется в западном ракетостроении на первых ступенях (ускорителях) ракет благодаря своей высокой плотности, лёгкости получения значительной тяги и простоте конструкции твердотопливных двигателей. Из четырёх перечисленных топлив имеет самый экологически грязный состав продуктов сгорания. Типовой УИ — 250 секунд. Используется в боковых ускорителях МТКК Спейс шаттл, РН SLS, РН «Ариан-5» и др.

В настоящее время ведутся работы по внедрению перспективного криогенного топлива жидкий метан + жидкий кислород. Очень дешёвое топливо, по остальным характеристикам занимает промежуточное положение между топливными парами керосин + жидкий кислород и жидкий водород + жидкий кислород. Используется в: BE-4 (РН Vulcan, New Glenn), Raptor (SpaceX Starship) и др.

О Ч И Щ Е Н И Е О К О Л О З Е М Н О Г О П Р О С Т Р А Н С Т В А

В настоящее время очищение космоса происходит частично естественным путём – торможением обломков в верхних слоях атмосферы, где они и сгорают. Эффективных практических мер по уничтожению космического мусора на орбитах на настоящем уровне технического развития человечества не существует[7]. Рассматривают проекты спутников, испаряющих обломки мощным лазерным лучом или меняющих их орбиту ионными пучками, или наземные лазеры, которые должны тормозить обломки для входа в атмосферу (Laser broom), либо аппарат, который будет собирать мусор для его дальнейшей переработки[8]. Но все разработки являются дорогостоящими, либо нереализуемыми в рамках современного состояния науки.

Поскольку экономически приемлемых методов очистки космического пространства от мусора пока не существует, основное внимание в ближайшем будущем будет уделено мерам контроля, исключающим образование мусора.

К О Н Т Р О Л Ь Э К О Л О Г И Ч Е С К О Г О С О С Т О Я Н И Я

О К О Л О З Е М Н О Г О П Р О С Р А Н С Т В А

Международное сотрудничество по вопросу экологии космоса развивается по следующим направлениям:

 экологический мониторинг околоземного пространства, наблюдение за «космическим мусором» и ведение каталога объектов «космического мусора»;

 разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия «космического мусора»;

 разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности околоземного пространства.

В нашей стране создана и функционирует Общегосударственная система наблюдений и контроля за загрязненностью объектов природной среды (ОГСНК). В рамках космического мониторинга проводятся наблюдения и контроль загрязнений и антропогенных воздействий на биосферу, для чего используются информацию, получаемую с орбитальных станций, и данные дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы Земли с борта различных космических аппаратов.

В федеральную систему мониторинга входят: наблюдение за районами космодрома и падения ракетоносителей. В настоящее время выделено несколько территорий для падения на Землю возвращающихся остатков ракет и спутников (районы Алтайского, в Архангельской области, в Якутии). Аналогичные зоны есть в США, в Китае, Франции, Индии и др.

Для решения проблемы космического мусора в околоземном пространстве принимается соответствующее законодательство, как в российской правовой сфере, так и в области международного права. С 1990 г. в России существует «Программа работ по снижению вредного воздействия ракетно-космической и боевой ракетной техники на окружающую среду». Уже сегодня существует такое требование к материалам космических аппаратов, как выделение минимального количества токсичных веществ при сгорании в атмосфере. Другим важным направлением является увеличение ресурса или срока активного существования космических аппаратов.

В России вступил в силу национальный стандарт по борьбе с засорением космоса. Требования начали действовать с 1 января 2019 года. Документ устанавливает требования о том, что космическая техника должна быть сконструирована так, чтобы исключить образование мусора при штатной работе. Также вводятся требования по предотвращению аварий — взрывов топлива или столкновений с другой космической техникой. Документ предписывает анализировать каждый случай засорения космического пространства мусором, чтобы определять причины произошедшего и вырабатывать требования по их предотвращению в дальнейшем. Запускаемые объекты должны находиться на низкой околоземной орбите высотами от 6 до 8 тыс. км не более 25 лет и либо самостоятельно сходить с орбиты, либо уводиться на орбиту захоронения, на которой они будут оставаться в течение 100 лет. Документ разработал головной научный институт Роскосмоса — ЦНИИмаш. Весной и летом 2018 года Совет РАН по космосу провел два заседания по данной проблеме. На них объявили о разработке лазера, с помощью которого получится уничтожать мусор на пути полета МКС. Кроме того, российские ученые из НИИ ядерной физики МГУ разработали ультрафиолетовый радар для обнаружения космического мусора с борта МКС [5].

П Р А К Т И Ч Е С К А Я Ч А С Т Ь

Мной в школе был проведён опрос на тему:

Знают ли ученики о экологических проблемах, связанных с использованием космической техники?

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Распространение сферы деятельности человека на околоземное и земное пространство неизбежно связано с увеличением антропогенных воздействий на околоземную и земную среду. Я пришла к выводу, что чтобы справиться с проблемой замусоривания земного и околоземного пространства необходимо совместное действие всех государств и постоянный мониторинг за выброской радиоактивных веществ и количеством выбрасываемого мусора в земное и околоземное пространство.

С П А С И Б О З А В Н И М А Н И Е