XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Космический мусор и способы его утилизации?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Климентьев И.П. 1

---

1Инженерный лицей БПОУ "Омавиат"

Попович С.В. 1

---

1Инженерный лицей БПОУ "Омавиат"

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современный мир уже сложность представить без интернета, мобильной связи, цифрового телевидения и разных мобильных приложений. Все это стало возможным благодаря освоению космоса и запуска первых спутников связи. Первые спутники связи был запущен в 1957 году и с тех пор их регулярно выводят на орбиту.[1] Так же, в космос ежегодно запускается более 3500 тысяч спутников, а вместе с ними конечно множество космических аппаратов. И я задумался, а куда убирают устаревшие спутники, обломки космических аппаратов и так далее. Ведь дома мы выносим мусор регулярно, а в космосе как происходит этот процесс?

Цель работы: Смоделировать макет устройства, которое теоретически сможет контролировать и осуществлять сбор космического мусора.

Задачи работы:

1. Изучить, что такое космический мусор.

2. Собрать и систематизировать информацию о причинах появления

космического мусора на орбитах Земли.

2. Выявить какие пути решения проблемы космического мусора существуют.

3. Создать макет такого устройство, которое теоретически сможет осуществлять сбор космического мусора, его утилизацию, а возможно и отправку на Землю.

4. Изучить знания одноклассников о космическом мусоре.

Предмет исследования: космический мусор.

Объект исследования: способы утилизации космического мусора.

Актуальность работы заключается в том, что в настоящее время проблема космического мусора обсуждается очень активно. Космический мусор может быть опасен для космических аппаратов, действующих спутников.В своемпроекте я хочу рассмотреть различные варианты удаления космического мусора с околоземной орбиты, посмотреть их положительные стороны и недостатки. А также придумать такое устройство, которое теоретически сможет эффективно бороться с космическим мусором. Помимо этого привлечь внимание к проблеме космического мусора своих одноклассников.

Гипотеза: Я предположил, что возможно создать макет космического аппарата по сбору космического мусора.

Методы исследования:

1. изучение литературы (интернет, энциклопедии),

2. просмотр видео материала,

3. анализ информации,

4. анкетирование, опрос

5. эксперимент (создание макета космического аппарата по сбору космического мусора).

Глава 1. Теоретическая часть

Для того, чтобы приступить к изучению информации о способах утилизации космического мусора важно узнать, что такое космический мусор, каким он бывает.

Когда мы смотрим на звёзды, трудно представить, что вокруг Земли вращается огромное количество объектов, созданных человеком. Отработанные спутники, обломки ракет, маленькие болтики и панели — всё это формирует орбитальный мусор, который создаёт потенциальную опасность для новых космических миссий.[8]

2.1. Что такое космический мусор?

Космический мусор — это отходы, оставленные людьми на орбите. К ним относятся спутники, которые вышли из строя или исчерпали свой ресурс, разгонные блоки верхних ступеней ракет-носителей, облупившиеся от ракеты слои краски, части обшивки. «Свалку на орбите» также образуют предметы, которые в открытом космосе теряют космонавты.[8]

Ученые подсчитали, что сейчас в космосе находится почти 128 млн кусков космического мусора размером более 1 мм и 34 тыс. частиц размером более 10 см. Около 3 тыс. спутников вышли из строя из-за мусора и сами превратились в космический мусор. [2]

Основными «загрязнителями» называют Россию, США, Китай, Францию и Индию. Страны договорились снижать захламленность космоса. «Но главная проблема, что на сегодняшний день не существует никаких межгосударственных договоренностей на этот счет. То есть каждый делает это по-своему, как считает нужным», — объясняет Александр Железняков, член Академии космонавтики имени Циолковского.[8]

1. 2. Как находят космический мусор?

Первый космический мусор появился на орбите Земли еще до запуска первого человека в космос. В 1958 году на орбиту Земли отправили американский спутник «Авангард–1». Спустя шесть лет он перестал выходить на связь с Землей и остался в космосе. 

Сейчас в мире существует несколько систем контроля за космическим мусором. В России эту работу ведет российская Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС ОКП). Для наблюдений за частицами в космосе ученые используют телескопы траекторных измерений. С помощью лазерных дальномеров они ищут объекты космического мусора вокруг Земли и следят за ними. Все найденные объекты вносят в несколько специальных общемировых каталогов слежения.

2. 3. Чем опасен космический мусор?

Мусор в космосе чаще всего делят по размеру: мелкий, средний и крупный.

Столкновение с мелким пока не приводило к серьезным авариям, но они могут двигаться непредсказуемо и на огромной скорости — в этом их опасность. 

Размер средних объектов не превышает 10 сантиметров. Такой мусор может повредить оборудование космического аппарата или пробить его оболочку. Крупные частицы — это объекты диаметром более 10 сантиметров. Они способны уничтожить летательные аппараты или космическую станцию.

Сейчас самая большая угроза от космического мусора — это потенциальный ущерб действующим спутникам на орбите и МКС. При этом прогнозы о его возможном вреде для освоения космоса пока расходятся.[5]

Количество космического мусора растет в основном на низкой околоземной орбите. Человечество постоянно увеличивает число спутников там, из-за чего так же растет и вероятность столкновений. Чтобы избежать столкновения, спутникам приходится уходить с траектории движения обломков. Ежегодно все спутники, включая МКС, совершают сотни маневров, чтобы избежать столкновений.

Столкновения космического мусора с МКС:

С 1999 года Международная космическая станция более 25 раз меняла направление движения, чтобы избежать столкновений с космическим мусором. Однако, это не помогло МКС остаться полностью невредимой. К 2019 году было зарегистрировано более 1 400 случаев столкновения МКС с метеоритами и космическим мусором. В результате пострадали солнечные батареи, иллюминаторы российского и американского сегментов, радиаторы и другие части станции.[5]

2.4. Пути решения проблемы космического мусора

Массового применения технологии очистки пока не нашли. Изучив информацию в интернете и книгах, выделю несколько проектов. Сейчас компании разрабатывают новые проекты по утилизации вышедших из строя спутников — для этого их нужно притянуть обратно в атмосферу, где обломки сгорят. Такие проекты очень креативны и включают в себя использование гарпунов, сетей, магнитов и даже лазеров.

• ClearSpace-1. Специализированный аппарат для удаления крупного космического мусора, разработанный специалистами ЕКА. Техническое решение основано на четырёх гибких манипуляторах из углеродного волокна. [6] (Приложение1)

• MissionRoboticVehicle (MRV). Автономный буксир с ИИ-навигацией от инженеров SpaceLogistics. Алгоритмы MRV используют компьютерное зрение для анализа формы объекта через трёхмерное лазерное сканирование. В 2024 году аппарат успешно переместил отработанный спутник Galaxy-15 с геостационарной орбиты на «кладбищенскую». [6] (Приложение1)

• RemoveDEBRIS. Британский спутник-мусоролов, запущенный в 2018 году. Захват космического мусора осуществляется с помощью сети или гарпуна, способного пробивать корпус аппарата. [6](Приложение2)

• Российский космический транспортер. Автономный аппарат с сетчатой системой захвата, созданный специалистами Центра НТИ «Цифровое материаловедение» МГТУ имени Баумана совместно с компанией «Орбитальные технологии». Тестовый запуск запланирован на 2025 год. Помимо очистки космического пространства, транспортер способен выполнять дополнительные задачи: перемещать спутники между орбитами, продлевая срок их службы, или даже возвращать их на Землю для ремонта и повторного запуска. [4] (Приложение2)

Таким образом, при изучении в интернете доступной информацию по различным проектам я отметил выявленные специалистами недостатки и преимущества.

Чаще всего среди недостатков, были:

-тяжелый вес,

-невозвращаемость,

-построение новых конструкций.

Среди плюсов выявлялись:

-манипулятор, который мог захватить крупный объект, вытеснить с орбиты, -сети.

Выводы по Главе 1:

В результате анализа литературы я выявил, что проблема космического мусора в настоящее время актуальна. Постоянно действующих космических аппаратов по сбору космического мусора нет. Есть проекты, которые в разной степени реализованы. А космический мусор опасен, он может столкнуться со спутниками, кораблями и станцией МКС. А также описал положительные стороны и недостатки, которые чаще всего специалисты отмечают в действующих проектах.

Глава 2. Практическая часть.

2.1. Создание макета устройства, который теоретически сможет контролировать и осуществлять сбор космического мусора.

Для того, чтобы создать макет космического аппарата по сбору космического мусора, я обратился к действующим проектам.

Я постарался по возможность взять лучшее с каждого проекта, который мне понравился.

Так, я включил в макет манипулятор, два вида сетей (если необходимо возвращать на Землю спутник, то используется особо прочная сеть, которая не сгорает в слоях атмосферы). Так же решил, что аппарат будет возвращаемый. Здесь я обратил внимание на три проекта:

- Российский космический транспортёр (руководитель компании-разработчика VT Empire Али Аль-Зубейди).

Уникальность отечественной разработки заключена в возможности многоразового использования мусоросборщика с опцией возвращения одного из модулей на Землю.

- Проект компании ЕКА. Они разработали ClearSpace-1 — первый в мире специализированный аппарат для удаления крупного космического мусора.

- RemoveDEBRIS - Британский спутник-мусоролов.

На первом этапе я продумал какой у меня будет макет. Что в нем будет. Для этого я от руки схематично нарисовал макет космического аппарата по сборке космического мусора. Там я прописал, где предположительно, что будет располагаться. ( Приложение 4)

Так я выделил следующие части: сеть, манипулятор, солнечные батареи, парашют.

Но я не знал, что взять за основу. Тогда изучил более подробно способы доставки грузов на МКС, еще раз просмотрел разные проекты по утилизации мусора.

Просматривая информацию о способах доставки грузов на МКС, вывода спутников на орбиту, я решил взять за основу текущие российские разработки, а именно транспортный беспилотный грузовой космический аппарат. [7](Приложение3)

На втором этапе я завершил нарисованный макет, но уже на компьютере. (Приложение 5).

Назначение космического аппарата по сбору космического мусора:

- сбор космического мусора

- отвод с опасной траектории крупного мусора

- возращение спутников на Землю

Вывод космического аппарата может происходить путем действующих ракетоносителей, а солнечные батареи помогут сохранить топливо. Так же тяговые двигатели и двигатель стабилизации и ориентации позволяют аппарату эффективно работать в космосе. Уклоняться от обломков, менять траекторию полета, ускоряться или замедляться так же помогают двигатели.

Космический аппарат я назвал Пуля-1, состоит из двух отсеков:

Первый – расположены основные тяговые двигатели, топливные баки, двигатель ориентации и стабилизации, солнечные батареи.

Второй, спускаемая часть – расположен бортовой компьютер, тяговый двигатель для спуска, двигатель ориентации и стабилизации, манипулятор, сеть в зависимости от конфигурации (сгораемая или нет), маячок обнаружения.

На Землю возвращается только спускаемый аппарат и сеть в зависимости от конфигурации и поставленных задач. Управление возможно с Земли или автоматизировано по заранее заложенному алгоритму действий.

На следующем этапе мы приступили к созданию макета. (Приложение 6) Здесь мне немного помогал папа. Так как каике-то элементы, мне было сделать тяжело. Макет решили сделать из бумаги, картона, для манипулятора использовать толстую проволоку, сеть сделали из тканевой сетки для игрушек, парашют из ткани старого зонтика.

Для скрепления деталей использовался клеевой пистолет, клей ПВА.

При создании макета сначала сделали основу: 1 и 2 отсеки. Далее соединения между блоками и добавили необходимые элементы: сеть, манипулятор, парашют. По завершению добавили солнечные батареи.

Модель сделана как конструктор, внутри без подробных схем.

То есть, его можно разобрать и посмотреть на два блока. Основной и спускаемый.

На макете подписаны основные внешние и важные внутренние части аппарата: сеть, парашют, манипулятор и клешни, двигатели стабилизации и ориентации, двигатели тяги, маячок обнаружения, бортовой компьютер, дополнительные баки топлива.

Когда макет был готов, я решил принять участие в областной выставке работ технического моделирования «Путешествие в Космоград» в рамках XX областной научно-практической конференции имени А.С. Клинышкова «Россия – космическая держава». (Приложение 7). Подал заявку и, меня допустили к выставке. Мне важно было узнать мнение членов жюри. Моя работа очень заинтересовала комиссию, у них было много вопросов.

2.2. Исследование интереса у одноклассников к теме космического мусора

По завершению работы над макетом, я решил провести опрос среди одноклассников на тему «Что такое космический мусор и как с ним бороться?». Для этого я сделал анкету из 5 вопросов (Приложение 8):

В результате проведения опроса среди одноклассников я выявил, что многие одноклассники знают о космическом мусоре (Приложение 9). Однако, часть одноклассников не слышали о нем ранее. Большинство одноклассников считают проблему космического мусора актуальной. Среди основных причин, почему важно изучать способы утилизации космического мусора ребята выделили:

1. Риск столкновения с космическими аппаратами

2. Риск повреждения МКС

3. Можно вывести спутники из строя при столкновении с космическим мусором

И основной вопрос, который меня так же интересовал – знают ли мои одноклассники о способах утилизации космического мусора? Как выяснилось, большинство не знают.

В результате опроса я выявил, что ребята знают о космическом мусоре, но не слышали о способах его утилизации.

Выводы по Главе 2:

В ходе создания макета космического аппарата по сбору космического мусора и проведения опроса я убедился, что тема космического мусора актуальна и очень важна. Мне удалось вызвать интерес к макету одноклассников, а так же к теме космического мусора.

Заключение

В результате проделанной работы я убедился в том, что проблема космического мусора сейчас актуальна. Многие страны работают над этой проблемой и даже объединяются.

Так же по итогам реализации проекта:

Достиг своей цели и создал макет космического аппарата по сбору космического мусора, а возможно и отправку его на Землю. Свой аппарат по сбору космического мусора я назвал «Пуля-1».

Поставленные задачи были решены.

-Узнал, что такое космический мусор, а так же проблема космического мусора сейчас очень актуальна.

-В ходе анализа путей решения проблемы космического мусора узнал, что постоянно действующих аппаратов нет. А есть много разных проектов. У которых специалисты выявили свои плюсы и недостатки.

-Через анкету я узнал, что моим одноклассникам мало известно о космическом мусоре и они почти ничего не знают о способах его утилизации. Однако данная тема им очень интересна.

А это значит есть большие перспективы для ее изучения дальше. А своей работы я привлек внимание одноклассников к данной теме.

Список литературы

1. Петрова Ю., Кондратьева Н, Савелбева У., Иванов В, Ласточкина В., Игнатьева А., Космос. От пылинки до галактики.- Тула: Издательство Дэвар Медиа,2023.

2. Аниськов Е., Что такое космический мусор и чем он опасен для жителей Земли.

Источник: https://trends.rbc.ru/trends/green/608044f79a79473d011318f1

3. Баркова М.Е., Космический аппарат для утилизации космического мусора в околоземном пространстве

Источник:https://trudymai.ru/upload/iblock/46f/Barkova_rus.pdf?lang=ru&issue=103

4. Белый А., Вымести из орбит: в Рф создают первый многоразовый космический мусоросборщик.

Источник: https://iz.ru/1848626/anton-belyi/vymesti-iz-orbit-v-rf-sozdaiut-pervyi-kosmicheskii-transporter-musorosborshchik

5. Космический мусор: как мы засоряем космос.

Источник: https://starwalk.space/ru/news/space-junk

6. Небесный клининг: перспективные технологии очистки космоса от мусора

Источник: https://engineer.yadro.com/article/tehnologii-ochistki-kosmosa-ot-musora/

7. Транспортный корабль снабжения.

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D1%8C_%D1%81%D0%BD%D0%B0%D0%B1%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F

8. Филиппова И., Дрейфующая свалка на орбите. Что такое космический мусор и чем он опасен для Земли.

Источник: https://snob.ru/science/drejfuyushaya-svalka-na-orbite-chto-takoe-kosmicheskij-musor-i-chem-opasen-dlya-zemli/

Приложение 1

ClearSpace-1

Mission Robotic Vehicle

Приложение 2

RemoveDEBRIS

Космический уборщик РФ

Космический уборщик РФ

Приложения 3

Транспортный космический корабль

Приложение 4

Фото схемы аппарата от руки

Приложение 5

Схема аппарата на компьютере с дополнениями

Приложение 6

Этапы работы по созданию макета

Приложение 7

Областная выставка работ технического моделирования «Путешествие в Космоград» в рамках XX областной научно-практической конференции имени А.С. Клинышкова «Россия – космическая держава»

Приложение 8

Анкета

Дорогой одноклассник, предлагаю принять участие в моей научно-исследовательской работе на тему «Что такое космический мусор и как с ним бороться?». Прошу ответить на вопросы ниже. Спасибо!

1. Знаешь ли ты, что такое Космический мусор?

Да Нет

2. Как ты понимаешь, что такое Космический мусор?

А) Все космические тела

Б) Обломки кораблей, неисправные или устаревшие спутники. Все, что остаётся от полетов в космосе.

3. Как ты думаешь, почему важно утилизировать космический мусор? (можно выбрать несколько вариантов)

А) Есть риск столкновения с космическими кораблями

Б) Есть риск повреждения МКС

В) При столкновении со спутниками может вывести их из строя или нарушить работу

Г) Портит экологию

Д) Создает оболочку вокруг Земли, что делает опасным полеты в космос

4. Как ты считаешь, проблема космического мусора в настоящий момент актуальна и важно активно разрабатывать способы его утилизации?

Да Нет

5. Знаешь ли ты какие-то способы утилизации космического мусора

Да Нет

Приложение 9

Результаты опроса одноклассников