Космический мусор

Распространение космического мусора. Каждая точка обозначает объект в каталоге, обычно> 5 см. (не в масштабе)

Космический мусор , также называемый космическим мусором , состоит из не имеющих практического значения искусственных объектов, которые находятся на орбитах вокруг Земли и представляют опасность для космических путешествий .

Согласно таким моделям, как MASTER-2005 (Справочник по наземной среде по метеороидам и космическому мусору) от ЕКА , на орбитах вокруг Земли находится более 600 000 объектов диаметром более 1 см. Около 13 000 объектов с расстояния 5 см постоянно наблюдаются с помощью системы космического наблюдения США . Объединенный центр космических операций в Стратегическом командовании США знали , в 2009 году более чем 18500 искусственных небесных тел.

В рамках измерительных кампаний спорадические измерения выполняются с помощью радиолокационных систем и телескопов , чтобы, по крайней мере, статистически регистрировать более мелкие объекты и проверять модели космического мусора, такие как MASTER. Это достигается с помощью бистатического радара с радиотелескопом Голдстоуна диаметром до 2 мм для объектов на околоземной орбите (LEO). Оптические телескопы имеют меньший предельный размер для геостационарной орбиты (GEO): телескоп космического мусора ЕКА в обсерватории Тейде на Тенерифе достигает 10 см .

Удар в крыло солнечного элемента спутника СММ . Диаметр отверстия 0,5 мм, ударник значительно меньше.

Рециркулируемые поверхности спутников - еще один источник информации о распределении космического мусора. К ним относятся солнечные элементы космического телескопа Хаббл . На последнем было зарегистрировано и оценено большое количество ударных кратеров. Спектроскопический анализ позволил сделать выводы о составе и, следовательно, возможных источниках столкновения объектов.

распределение

Зависимость плотности частиц размером более 1 мм от высоты . Данные за 2001 год

Количество частиц зависит от высоты. Ниже 400 км они сгорают за несколько лет. Они накапливаются на орбитах от 600 до 1500 км ( солнечно-синхронная орбита ) и 36 000 км (геостационарная орбита), которые предпочитают спутники .

Количество на м² в год в зависимости от размера частиц

Поток частиц (количество частиц, которые проходят площадь в один квадратный метр в год) зависит от размера. На нескольких порядках величины измеренное распределение (красная кривая на диаграмме) подчиняется степенному закону с показателем степени 4 (синяя прямая линия). Эти частицы являются метеороидами природного происхождения. Отклонение для частиц размером менее 0,1 мм вызвано солнечным ветром. Космический мусор превышает 10 мм.

Риски

Относительная скорость между космическим мусором и околоземным спутником с большим наклонением орбиты составляет порядка десяти километров в секунду. Из-за высокой скорости частица с массой 1 г имеет энергию 50 кДж, что соответствует взрывной силе около 12 г в тротиловом эквиваленте , так что и частица, и материал сразу же взрываются.

Пилотируемые модули Международной космической станции (МКС) оснащены двустенными метеороидными щитами ( щит Уиппла ) и могут выдерживать удары космического мусора диаметром несколько сантиметров за счет эффекта рассеяния, возникающего при ударе в первой стене.

Даже сейчас на некоторых орбитах нельзя пренебрегать вероятностью выхода из строя действующих спутников из-за ударов космического мусора. Даже удары более мелких частиц до субмиллиметрового диапазона могут повредить чувствительные полезные нагрузки или пробить скафандры.

В 2007 году Китайская Народная Республика умышленно сбила с земли свой метеорологический спутник Fengyun-1C, чтобы продемонстрировать свои возможности противоспутниковых ракет. Однако в результате в космосе образовалось облако из не менее 40 000 обломков. Самым крупным случайным столкновением в космосе на сегодняшний день стало столкновение спутника 10 февраля 2009 года . Деактивированный российский спутник связи и спутник Iridium столкнулись на высоте 789 км над северной Сибирью. Оба спутника были уничтожены. В результате столкновения высвободилось значительное количество дополнительного космического мусора.

Частота столкновения объектов размером порядка 10 см с одним из множества спутников оценивается как одно событие каждые 10 лет.

Пилотируемая Международная космическая станция, а также многие спутники могут выполнять маневры уклонения, чтобы избежать столкновения (вероятность p = 1/10 000) с одним из примерно 13 000 объектов, орбиты которых постоянно отслеживаются. Спутник наблюдения Земли Envisat совершил два таких маневра еще в 2004 году . Космическим шаттлам, таким как Discovery, пришлось совершить в общей сложности шесть маневров уклонения. К 2009 году МКС успешно выполнила восемь маневров уклонения.

суммы

К весне 2010 года за 50 лет космических путешествий было произведено около 4700 запусков ракет с хорошими 6100 спутниками. Из них осталось 15 000 фрагментов ракет и спутников, вплоть до завершенных разгонных блоков. Согласно каталогу США, это 15 000 объектов размером не менее десяти сантиметров, и, вероятно, существует 7 000 объектов, которые хранятся в секрете. Если минимальный размер уменьшить до одного сантиметра, оценивается 600 000 объектов, к которым добавляется около миллиона более мелких частиц. В результате общая масса космического мусора составляет около 6300 тонн, из которых 73% объектов находятся на околоземной орбите (НОО), но это только 40% от общей массы, то есть около 2700 тонн. Особенно страдает высота 800 километров, предпочтительная траектория полета разведывательных спутников. МКС пролетает от 350 до 400 километров; До сих пор ей приходилось несколько раз избегать предметов, размер которых превышал один сантиметр. На геостационарной орбите (GEO) на высоте 36000 километров вокруг Земли находится только 8% фрагментов, а здесь - большие телекоммуникационные спутники весом в тонны, а общий вес оценивается в 33%, то есть около 2000 тонн. Остальные 19% объектов с массой 27% находятся на других трассах.

«Даже если вы остановите космические полеты сегодня, нынешней массы мусора на орбите будет достаточно [из-за каскадного эффекта ...], чтобы продолжать создавать новый мусор. [...] В долгосрочной перспективе увеличение количества космического мусора может означать, что некоторые орбиты в противном случае больше не могут использоваться для космических путешествий ».

- Хайнер Клинкрад (руководитель отдела космического мусора ЕКА в Дармштадте).

Источники и стоки

Создание нового космического мусора

Помимо спутников, которые больше не используются, существует большое количество событий и механизмов, которые приводят к образованию космического мусора.

Обособленная вторая ступень ракеты Delta II на орбите, захваченная экспериментальным спутником XSS 10
Объекты, связанные с миссией

Объекты, выпущенные как часть объектов, связанных с миссией (MRO), такие как взрывные болты и крышки. Также целые разгонные ступени ракет и двойные пусковые устройства, которые выходят на орбиту со спутниками или космическими зондами и остаются там.

Ракета разгонного блока космического зонда Surveyor 2 - необычный случай : она временно вернулась на околоземную орбиту в 2020 году и попала в заголовки газет, поскольку изначально была принята за "захваченный" астероид главного пояса.

Взрывы

от спутников или верхних ступеней - они вызваны преднамеренными взрывами, воспламенением остаточного топлива от верхних ступеней и испарением криогенных компонентов топлива на верхних ступенях, в которых еще остаются остатки топлива. Расширение этих топлив при испарении может привести к взрыву верхних ступеней. Взрывы также могут быть вызваны разрядами батарей спутников. Считается, что с начала космических полетов на орбите произошло около 200 взрывов.

Спутники-убийцы

Спутники, которые использовались во время холодной войны - и, вероятно, до сих пор - специально для нейтрализации вражеских спутников-шпионов . Наиболее саморазрушительно вызывают умышленное столкновение с целью, иногда сопровождающееся взрывом. Ни их количество, ни количество их жертв публично не известны, поскольку и они сами, и их цели находятся под строжайшей военной тайной.

полосы каталогизированных фрагментов Fengyun-1C через месяц после теста ASAT
Распределение осколков по высоте на НОО по данным Fengyun-1C и столкновение в 2009 г.
Противоспутниковые ракеты (ASAT)

Использование этого оружия может выбросить обломки, образовавшиеся в результате уничтожения спутников (таких как Fengyun-1C ), на самые разные орбиты, в том числе на те, которые достигают больших высот.

Столкновения космических кораблей

Речь идет не о царапинах, вызванных неудачными маневрами стыковки, а о случайных встречах с высокой относительной скоростью, обычно в GEO от 100 до 1000 м / с, но, возможно, также и с 1,5 км / с (спутник против стадии перехода Хомана ), в НОО со скоростью обычно 10 км / с, что позволяет демонтировать обе ракеты. Примерами являются отделение стабилизирующей мачты спутника Cerise (выдвижная мачта) старым разгонным блоком ракеты Ariane и впечатляющее столкновение спутника 10 февраля 2009 г. , во время которого было внесено более 2000 занесенных в каталог обломков и примерно полмиллиона частиц размером более 1 мм. созданный.

Продолжающиеся столкновения

В 1978 году консультант НАСА Дональд Дж. Кесслер предсказал сценарий, известный как синдром Кесслера , согласно которому при ударе мелких осколков и метеороидов образуется множество более крупных фрагментов, и проблема мусора будет расти с ускоренной скоростью, даже если бы больше не было спутников. запущен.

Деградация поверхности

ЕКА космического мусора телескоп часто встречаются яркие объекты, быстрое погружение в высокой атмосфере указывает на очень высокое отношение площади к массе до 30 м² / кг. Это может быть теплозащитная пленка от спутников.

West Ford Dipoles

В начале 1960-х годов предполагалось, что диффузная сфера из многих миллионов тонких проволок (18 мм × 0,018 мм) должна была служить отражателем для радиосвязи. Изоляция во время выпуска была успешной лишь частично; образовывались хлопья, небольшое количество которых все еще бродило на высоте более 2500 км.

Твердый движитель

генерируют частицы оксида алюминия микрометрового размера в процессе горения . В конце выгорания могут появиться и более крупные шлаковые объекты, диаметр которых может достигать нескольких сантиметров.

Теплоноситель реактора

от космических ядерных реакторов "Бук" с советских спутников-шпионов серии, известной на Западе как RORSAT . На 16 из этих спутников активная зона реактора была оттолкнута после завершения миссии, в результате чего был выпущен теплоноситель первого контура охлаждения NaK-78 (примерно 8 кг каждый). NaK распределялся в каплях разного размера на орбитах спутников RORSAT. Однако из-за различных нарушений пути и вращения линии соединения NaK также все больше распределяется по другим путям.

Сжигание космического мусора с низких орбит

Продолжительность жизни на разной высоте

Детали на низких орбитах замедляются из-за остаточного сопротивления воздуха и в конечном итоге сгорают в атмосфере . На больших высотах трение с воздухом уменьшается, поэтому более крупным объектам требуются десятилетия, чтобы сгореть с высоты 800 км, и несколько тысяч лет с высоты 1500 км. Однако тонкие провода проекта Вест-Форд , если они не были согнуты, вернулись через несколько лет с высоты более 3500 км, согласно расчетам с учетом радиационного давления Солнца.

Поскольку для орбит предпочитаются высоты 800 км и 1500 км, угроза коммерческим и научным космическим полетам растет. Концепции того, как решить эту проблему, в настоящее время не работают из-за связанных с этим затрат.

Примеры частичного выгорания

С очень большими спутниками и особенно с термостойкими компонентами может случиться так, что они частично выдержат повторный вход в атмосферу, и некоторые очень тяжелые фрагменты достигнут Земли. Примеры включают ROSAT с термостойкими зеркалами из стеклокерамики или 5,9-тонный спутник исследования верхней атмосферы .

виды деятельности

Предупредительные меры

Во избежание столкновений с частями космического мусора все более крупные частицы (размером от 1 см) постоянно отслеживаются ответственным НАСА и военными обсерваториями. Если обнаруживается курс столкновения с МКС или другим маневренным космическим кораблем, это обычно делается достаточно рано (за несколько дней), чтобы этот космический корабль мог начать маневр уклонения. Поскольку МКС в любом случае необходимо вернуть на несколько более высокую орбиту, это не требует дополнительных затрат топлива.

Чтобы избежать попадания космического мусора во все современные ракеты, ступени, выходящие на орбиту, снова замедляются с помощью дополнительного зажигания двигателя, так что они рано или поздно сгорают в атмосфере. ESA предлагает не ограничивать время до повторного входа , связанных с полетами объектов (ТОиР см выше ) , в зависимости от площади поперечного сечения:

  • А - площадь поперечного сечения
  • t - продолжительность использования

На верхних ступенях, которые выходят на высокие орбиты и не могут генерировать достаточные тормозные импульсы, по крайней мере, остатки топлива израсходованы или слиты для предотвращения возможного взрыва. В феврале 2021 года, после почти восьмилетних переговоров, Международная организация по стандартизации сделала это обязательным в стандарте ISO 20893. Сами геостационарные спутники больше не используются до тех пор, пока не будут полностью исчерпаны запасы топлива, а выводятся на кладбищенскую орбиту с определенным остатком .

Чтобы замедлить лавинообразный рост количества мелких объектов, вызванный столкновениями с более крупными, было предложено удалить, по крайней мере, более крупные неактивные объекты. Были предложены различные идеи, как избавиться от нескольких объектов за одну длительную миссию. Проблемными аспектами являются взаимодействие с неконтролируемыми вращающимися объектами и большая потребность в опорной массе для многочисленных изменений траектории.

Меры по уборке космического мусора

Компания ClearSpace.today была основана в 2018 году инженером Люком Пиге как дочерняя компания EPFL в Лозанне . В декабре 2019 года Совет министров ЕКА решил протестировать и провести очистку космического мусора с 2025 года с помощью миссии ClearSpace-1 . Здесь «охотничий спутник» с четырьмя механическими рычагами должен упаковать кусок космического мусора подходящего размера, а затем броситься вместе с объектом в атмосферу Земли, где оба сгорят. С этой целью ЕКА внесло 90 миллионов швейцарских франков в проект, который, как ожидается, будет стоить около 120 миллионов швейцарских франков в общей сложности - для утилизации единственного мусора.

Измерения

Космический мусор можно обнаружить с земли с помощью оптических телескопов или радаров. Некоторые радары могут обнаруживать частицы миллиметрового диапазона на низких орбитах. Точное измерение параметров пути и непрерывное слежение за объектами возможно только с диаметрами от 5 см на НОО и 50 см на ГЕО. Траектории этих объектов постоянно отслеживаются Американской системой космического наблюдения, а их элементы траектории публикуются в каталоге объектов. Этот каталог в настоящее время содержит около 13 000 объектов, но для общественности доступны только данные об орбитах около 9600 объектов. Измерения на месте - единственный способ определить населенность и параметры орбиты более мелких частиц. Для этой цели уже были протестированы несколько концепций детекторов. Наиболее известными европейскими детекторами являются детектор DEBIE и детектор GORID (идентичный детекторам Galileo и Ulysses). Оба детектора определяют энергию удара высокоскоростной частицы через состав плазмы, образовавшейся при ударе. Электроны и ионы в плазме отделяются друг от друга с помощью электрических полей, а соответствующее напряжение измеряется с помощью заряженных решеток. Форму и ход импульсов напряжения можно использовать для определения массы и скорости столкнувшейся частицы с помощью калибровочных кривых, записанных на земле. В дополнение к измерению чистой плазмы датчик DEBIE также измеряет импульс удара с помощью пьезоэлементов, так что имеется сигнал сравнения для измерения плазмы. В 2007 году отказались от плана использования на МКС системы сбора космического мусора (LAD-C) для сбора и анализа космического мусора .

Немецкий экспериментальный радар космического наблюдения и слежения (GESTRA)

Немецкий аэрокосмический центр (DLR) имел GESTRA космического радиолокатора , разработанный для мониторинга космических объектов на околоземной орбите. Обработаны данные измерений, полученные в центре космической локации DLR Space Management и Air Force в Удеме (Нижний Рейн) . Ввод системы в эксплуатацию запланирован на начало 2021 года.

Установка для длительного воздействия (LDEF)

LDEF спутник был эксперимент предназначен для изучения долгосрочных эффектов космической среды. Хотя планировалось, что он будет намного короче, спутник оставался на орбите почти шесть лет, прежде чем был обнаружен миссией STS-32 и возвращен на Землю. Помимо множества повреждений, которые были видны только микроскопически, было еще одно, видимое невооруженным глазом. Исследование спутника принесло много информации о космическом мусоре и микрометеоритах .

Каталоги

Каталоги искусственных спутников, например NORAD , ограничены неповрежденными объектами. Мусор, образовавшийся в результате разрушения, регистрируется в отдельных базах данных по космическому мусору. Один, как и NORAD, поддерживается USSTRATCOM . Это также основа для коллекции DISCOS ( База данных и информационная система, характеризующая объекты в космосе ) ЕКА .

Смотри тоже

литература

веб ссылки

Commons : Space junk  - альбом с фотографиями, видео и аудио файлами
Викисловарь: Космический мусор  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. Д. Спенсер и др.: Исследование космического мусора в Министерстве обороны США. Вторая европейская конференция по космическому мусору, 1997 г., ESOC, Дармштадт, Германия (1997 г.), ESA-SP 393., стр. 9, @ adsabs.harvard.edu
  2. Герхард Хегманн: Почти авария: вышедшие из употребления спутники в облаке обломков на встречных курсах . В: МИР . 8 января 2017 г. ( welt.de [доступ 9 марта 2020 г.]).
  3. spaceweather.com
  4. ЕКА: Космический мусор: насколько велик риск? 22 марта 2005 г.
  5. Джозеф Н. Пелтон: Космический мусор и другие угрозы из космоса. Спрингер, Нью-Йорк, 2013 г., ISBN 978-1-4614-6713-7 .
  6. ^ Орбитальный мусор и будущий окружающая среда Рекультивация nasa.gov, доступ к 7 марта 2015.
  7. Космическая станция должна избегать космического мусора. spiegel.de, 28 января 2012, доступ на 29 января 2012 года .
  8. Космическая станция спасается от обломков спутников. spiegel.de, 13 января 2012, доступ на 29 января 2012 года .
  9. Космическая станция кружит вокруг космического мусора. spiegel.de, 27 октября 2011, доступ на 29 января 2012 года .
  10. Информация ЕКА по вДи-н от 2 июля 2010 г., стр. 3.
  11. 2020 SO - это не астероид, а разгонный блок ракеты . Spektrum.de, 3 декабря 2020 г.
  12. США «Окружение космического мусора, операции и обновления политики». (PDF) В: НАСА. УВКПООН, доступ к 1 октября 2011 .
  13. Уве Райхерт: Экологическая катастрофа на орбите. В кн . : Звезды и космос . 46, № 4, апрель 2007 г., стр. 24, ISSN  0039-1263
  14. http://www.esa.int/ger/ESA_in_your_country/Germany/Weltraummuell_Wie_hoch_ist_das_Risiko_einzuschaetzen/(print)
  15. Дональд Дж. Кесслер, Бертон Г. Кур-Пале: Частота столкновений искусственных спутников - Создание пояса обломков. (3,4 МБ PDF) В: Journal of Geophysical Research Vol 81. No. 46 1 июня 1978, стр 2637-2646. , Архивируются с оригинала на 15 мая 2011 года ; по состоянию на 3 мая 2010 г. (на английском языке).
  16. ^ A b West Ford Needles: где они сейчас? В: НАСА : Ежеквартальные новости орбитального мусора. Том 17, выпуск 4, октябрь 2013 г., стр.
  17. К. Видеманн, Х. Краг, П. Вегенер, П. Вёрсманн: Ежегодник DGLR за 2002 год, том II, стр. 1009-1017. Орбитальное поведение скоплений медных иголок из экспериментов Вест Форда ( воспоминание от 8 января 2010 г. в Интернет-архиве ).
  18. С. Стаброт, П. Вегенер, М. Освальд, К. Видеманн, Х. храповик, П. Вёрсманн: Введение зависимости диаметра горловины сопла в гранулометрический состав SRM. В кн . : Успехи космических исследований. 38, 2006, стр. 2117-2121.
  19. 王小 月:重磅! 我国 制定 的 航天 国际 标准 正式 发布. В: spaceflightfans.cn. 26 февраля 2021 г., по состоянию на 26 февраля 2021 г. (китайский).
  20. ISO 20893: 2021 Космические системы - Подробные требования по предотвращению образования космического мусора для орбитальных ступеней ракет-носителей. В: iso.org. Accessed 26 февраля 2021 .
  21. Ж.-К. Лиу, Николас Л. Джонсон: исследование чувствительности эффективности активного удаления мусора на НОО. Acta Astronautica, 2009 г., DOI: 10.1016 / j.actaastro.2008.07.009 ( онлайн ).
  22. а б Джо Сиглер: Генеральная уборка на орбите - предполагается, что швейцарский спутник очистит космос. Швейцарское радио и телевидение , 10 февраля 2021, доступ на 11 февраля 2021 года .
  23. ЕКА впервые в мире приступило к удалению космического мусора. Проверено 9 декабря 2019 года .
  24. Мэгги Макки: Единственный в мире детектор космической пыли в мусорном ведре. 12 февраля 2007, доступ к 9 октября 2013 .
  25. Больше безопасности в космосе - космический радар GESTRA готов к работе. Немецкий аэрокосмический центр , 13 октября 2020, доступ к 25 октября 2020 года .
  26. Страница НАСА о LDEF (англ. С картинками)
  27. ^ Ситуация с космическим мусором в 1995 г.
  28. ДИСКОС ЕКА