|
Космический мусор представляет растущую опасность
|
|
|
|
Что касается космического мусора, то всё, что поднимается в воздух, всё чаще падает вниз — и это небезопасно. При запуске космических аппаратов некоторые компоненты, включая неперезарядные ракетные ускорители, сбрасываются для уменьшения веса, и они намеренно сгорают при входе в атмосферу. Спутники также входят в атмосферу в конце своего срока службы, предположительно сгорая. Но во многих случаях это происходит не так, как прогнозировалось.
|
|
|
|
Обломки частично сгоревших компонентов космических аппаратов и спутников, входящих в атмосферу Земли, могут представлять опасность для людей и сооружений на Земле. Рост числа запусков, в основном за счёт частных компаний, таких как SpaceX, превращает некогда отдалённую опасность в растущую угрозу.
|
|
|
|
Наша группа исследований материалов в Университете Висконсин-Стаут изучает материалы, которые позволяют возвращающемуся в атмосферу мусору выживать. Мы ищем способы безопасной модификации их исключительных термостойких свойств, чтобы сделать их более безопасными для входа в атмосферу.
|
|
|
|
Обломки, упавшие на Землю
|
|
|
|
С 2021 года обломки, сходящие с орбиты, неоднократно падали на частную и государственную собственность по всему миру. Наиболее примечательные случаи связаны с фрагментами карбонового багажного отсека космического корабля SpaceX Dragon, который остается прикрепленным к пилотируемой капсуле до последних часов перед входом в атмосферу. Эти отсеки больше, чем 15-местный микроавтобус, и используются для хранения.
|
|
|
|
|
|
|
Фрагменты багажного отсека миссии Crew 7 на Международную космическую станцию упали в Северной Каролине, а фрагменты миссии Crew 1 — в Новом Южном Уэльсе, Австралия. Аналогично, обломки миссии Axiom 3 упали в Саскачеване, Канада.
|
|
|
|
Помимо обломков багажного отсека, значительную часть собранного мусора составляют компоненты из карбонового волокна, удерживающие газы под давлением для регулировки ориентации космического аппарата. Некоторые из последних случаев сбора мусора произошли в Австралии, Аргентине и Польше.
|
|
|
|
Большая часть мусора, входящего в атмосферу, сгорает, так почему же эти фрагменты падают на поверхность Земли?
|
|
|
|
Вход в атмосферу
|
|
|
|
Спутники, такие как Starlink компании SpaceX, находятся на низкой околоземной орбите, обычно на высоте от 190 до 1240 миль (от 300 до 2000 километров) над поверхностью Земли. Чтобы оставаться там, им необходимо двигаться очень быстро, со скоростью около 17 000 миль (27 000 км) в час. Для достижения такой скорости ракета с миллионом фунтов топлива должна была разогнать его, и часть этой энергии все еще содержится в импульсе спутника.
|
|
|
|
По мере того, как объект на орбите дрейфует вниз, ближе к верхним слоям атмосферы Земли, он начинает сталкиваться с молекулами воздуха, замедляя движение. Количество тепла, выделяемого в результате этого взаимодействия, быстро поглощает спутник, плавя металл при температуре более 3000 градусов по Фаренгейту (1600 градусов по Цельсию).
|
|
|
|
Другие запуски
|
|
|
|
Страны по всему миру запускают объекты в космос с 1950-х годов, так почему же вход в атмосферу вызывает опасения сейчас?
|
|
|
|
Начиная с 1960-х годов, в космос ежегодно запускалось около 100 объектов — по крайней мере, так было до 2016 года. С тех пор это число экспоненциально растет. В 2016 году было запущено 200 объектов. Но к 2025 году это число достигнет 4500, что означает, что 20% всех объектов, запущенных в космос с 1950-х годов, были запущены в прошлом году.
|
|
|
|
Большинство этих запусков осуществлялось компаниями из США, такими как SpaceX и Rocket Labs. Подобные компании, а также компании за пределами США, планируют создание крупных спутниковых группировок, состоящих из сотен тысяч или даже миллиона спутников.
|
|
|
|
Чем больше объектов и полезных нагрузок запускается, тем больше случаев входа в атмосферу. Операторы спутников обязаны выводить свои списанные спутники с орбиты через 25 лет в соответствии с правилами, установленными международными комитетами. Группы по всему миру, включая Федеральную комиссию связи США, добиваются сокращения окна для вывода с орбиты до пяти лет. Благодаря этим правилам, полный поток космического мусора от этих недавних запусков не будет ощущаться еще 10 или более лет.
|
|
|
|
Запущенные сегодня объекты и принятые сегодня политические решения окажут долгосрочное влияние на безопасность в будущем.
|
|
|
|
Углеродное волокно
|
|
|
|
По мере технологического прогресса в мире, эффективность запуска объектов в космос также росла.
|
|
|
|
Спутники и космические аппараты становятся легче, прочнее и термостойче благодаря таким материалам, как армированные углеродным волокном пластмассы и новые металлы. Эти прочные материалы востребованы из-за своей легкости, но они также позволяют обломкам, сходящим с орбиты, выдерживать температуры при входе в атмосферу.
|
|
|
|
Углеродное волокно, ранее использовавшееся исключительно в космической технике, теперь применяется в таких обычных изделиях, как велосипедные рамы и кузова гоночных автомобилей. Оно по-прежнему является золотым стандартом для изготовления высокопрочных и легких материалов для компонентов космических аппаратов, таких как фюзеляжи ракет, промежуточные ступени — защитные кожухи между ступенями ракеты — и сосуды высокого давления, которые подвергаются экстремальным температурам и высоким механическим напряжениям и деформациям.
|
|
|
|
Простые металлы, такие как алюминий и сталь, плавятся и сгорают, в то время как сложные материалы, такие как углеродное волокно, которое производится при температуре до 5000 °F (3000 °C), сгорают непредсказуемо, изменяя способ разрушения сброшенных компонентов при входе в атмосферу.
|
|
|
|
Начиная с начала 2000-х годов, большая часть собранного космического мусора содержит либо армированные углеродным волокном пластиковые секции, либо металлические компоненты, обернутые углеродным волокном. Углеродное волокно может непреднамеренно служить теплозащитным экраном для более тяжелых и опасных обломков.
|
|
|
|
Проектирование с учетом возможности разрушения
|
|
|
|
Проектирование с учетом возможности разрушения — это важная область исследований, направленная на снижение риска, связанного с обломками, спускающимися с орбиты. Вместо того чтобы полагаться на контролируемое и тщательно рассчитанное схождение с орбиты, в результате которого компоненты, пережившие вход в атмосферу, оказываются в океане по окончании срока службы, компоненты космических аппаратов проектируются таким образом, чтобы обеспечить их полное разрушение во время схождения с орбиты в атмосфере.
|
|
|
|
Проектирование с учетом возможности разрушения может принимать множество форм. Оно варьируется от использования более термочувствительных материалов до перемещения более трудновоспламеняющихся компонентов в области космического аппарата, которые будут нагреваться во время входа в атмосферу, или использования соединений, которые разрушаются при высоких температурах, чтобы разделить конструкции на более мелкие компоненты, способствующие их сгоранию.
|
|
|
|
Учитывая, что исторически основное внимание уделялось созданию космических аппаратов из самых легких, прочных и термостойких материалов, может показаться нелогичным намеренно ослаблять некоторые из них. Ключ к решению проблемы заключается в разработке более совершенных материалов, которые сохраняют свою прочность во время миссии, но ослабевают под воздействием высокой температуры при входе в атмосферу.
|
|
|
|
Источник
|
