VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Графеновая «авоська» для сбора космического мусора (модель)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Каждая страна, обладающая возможностью вывода космических летающих объектов на околоземной поверхности, вносит свой вклад в создание космического мусора. 2 апреля 2019 года ТАСС передал заявление директор НАСА Джеймс Брайденстайн о том, что 23 марта 2019 года Индия испытала противоспутниковое оружие. После этого испытания на околоземной орбите на высоте около 300 км появилось дополнительно около 400 фрагментов космического мусора [1]. И для международной космической станции (МКС) риск попадания космических объектов увеличился на 44%. Одновременно с заявлением Брайденстайна о том, что «намеренное создание облаков космического мусора несовместимо с полетами человека в космосе» МИД Российской Федерации выпустило официальное заявление, в котором назвало внешнеполитическим приоритетом Москвы предотвращение гонки вооружений в космическом пространстве. Появившиеся на околоземной орбите обломки могут угрожать российской миссии «Прогресс МС-11», запуск которой намечен на 6 апреля.
Для нас стала актуальной проблема очистки околоземной орбиты для безопасного полета человека на космических кораблях и МКС. Возможность сбора космического мусора позволят людям не только не опасаться за свою жизнь, но и суметь своевременно принять меры для безопасного полета вокруг Земли.
Поэтому мы сформулировали цель работы – расширить свои знания о возможных способах сбора космического мусора. Объектом исследования стали околоземные орбиты, содержащие обломки космических кораблей разных размеров и движущихся с различными огромными скоростями, которые летают с середины 50-х годов ХХ столетия.
Предметом исследования стал способ сбора космического мусора при помощи графеновой сетки («графеновая авоська»).
Гипотеза исследования: если научиться собирать космический мусор с околоземных орбит, то можно избежать поражающего действия даже небольшого осколка.
Нами были определены и решались следующие задачи:
-изучить научно-популярную литературу по способам избавления околоземные орбиты от космического мусора;
- определить свой способ уборки космического мусора;
- научиться составлять модель по сбору космического мусора и дальнейшей его транспортировки;
- выступить с сообщением о проделанной работе на конференциях и конкурсах школьных научных проектов.
Методы исследования:
1. теоретический метод: анализ литературы по способам очистки околоземных орбит от космического мусора;
2. практический метод: создание устройства, способного проводить сбор космического мусора и дальнейшей его транспортировки.
Работа состоит из содержания, введения, двух глав, заключения, списка используемых источников и литературы.
Глава 1. Космический мусор на орбитах Земли
1.1 История появления космического мусора
Наша работа посвящена социально значимой для всех жителей Земли экологической проблеме – безопасности искусственных спутников Земли от космического мусора (КМ). Управлением ООН по вопросам космического пространства в октябре 2009 года были опубликованы данные о том, что вокруг Земли вращается около 300 000 обломков мусора. На низких околоземных орбитах (НОО), на высоте 2 000 км, находится 42% всего КМ, что составляет до 5 000 тонн техногенных продуктов. В Интернете представлены сведения о том, что обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными и радиолокационными и оптическими средствами примерно 10% от общего количества объектов (поперечником более 1 см) и только около 6% отслеживаемых объектов – действующие. Около 22% объектов прекратили функционирование, 17% представляют собой отработанные верхние ступени и разгонные блоки-носителей, и около 55% – отходы, технологические элементы, сопутствующие запускам, и обломки взрывов и фрагментации. Большинство объектов находится на орбитах с высоким наклонением, плоскости которых пересекаются, поэтому средняя относительная скорость их взаимного пролета составляет около 10 км/с. Эти объекты обладают огромным запасом кинетической энергии и при столкновении с действующим космическим летательным аппаратом могут повредить его или даже вывести из строя. Космические державы вносят свой вклад в создание КМ: Китай – 42%, США – 27,5%, Россия– 25,5%, остальные страны – 7% [2].
Актуальность темы исследования связана с дальнейшим безопасным освоением космоса. Ведь при столкновении спутника с мусором часто образуется новый мусор (синдром Кесслера), что в будущем может привести к неконтролируемому росту засорённости космоса. Если космический мусор, расположенный на высотах ниже 600 км, в течение нескольких лет входит в атмосферу и сгорает в ней, то мусору, расположенному на высотах 800 км, на это требуется десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше – сотни лет [3]. Понимание всемирным сообществом серьезности указанной проблемы привело к формированию, вместо национальных комитетов, международных органов: Межагентский координационный комитет по космическому мусору (IADC) и Научно-технический подкомитет Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях (STCS UN COPUOS). Международное сотрудничество по проблематике «космического мусора» развивается по следующим приоритетным направлениям:
-Экологический мониторинг околоземного космического пространства (ОКП), включая область геостационарной орбиты (ГСО): наблюдение за «космическим мусором» и ведение каталога объектов «космического мусора»;
-Математическое моделирование «космического мусора» и создание международных информационных систем для прогноза засоренности ОКП и её опасности для космических полетов, а также информационного сопровождения событий опасного сближения КО и их неконтролируемого входа в плотные слои атмосферы.
-Разработка способов и средств защиты космических аппаратов от воздействия высокоскоростных частиц «космического мусора».
-Разработка и внедрение мероприятий, направленных на снижение засоренности ОКП [4].
1.2 Способы устранения космического мусора
Предлагаемые способы решения проблемы:
- разработка мер контроля, исключающих образование мусора (предотвращение орбитальных взрывов, сопутствующих полету технологических элементов, увод отработавших ресурс космических аппаратов на орбиты захоронения (значительно выше орбит ГСО-спутников), торможение об атмосферу и т.п.) [1];
-испарение обломков мощным лазерным лучом или применение локальных ядерных взрывов [4].
- создание беспилотных аппаратов, оборудованных сетями, способных улавливать фрагменты весом более 2 кг [5].
-при создании космических аппаратов его создателям следует разрабатывать системы ликвидации космических остатков.
1.3 Предлагаемый способ очистки околоземных орбит от космического мусора
Мы предлагаем создать на борту МКС:
- графеновый «зонтик», обеспечивающего безопасность МКС от космического мусора. Уникальные механические (большая твердость), тепловые (теплопроводность), электрические и оптические свойства графена [6] позволят конструкторам космических аппаратов в будущем осуществить не только безопасность МКС, но и сбор КМ, а также их вторичную переработку на заводах на Луне, работающих на водородном топливе;
- системы солнечных батарей на основе графенных материалов на борту МКС;
- системы радиолокационных установок для обнаружения элементов КМ различных размеров со спутниками-автоматами, работающих на принципе пылесоса, с сеткой, удерживающей пойманные фрагменты.
Выводы: Планы государств, мечтающих о космическом могуществе и стремящихся к этому господству, могут привести к еще большему загрязнению околоземных орбит. Поэтому космический мусор на околоземных орбитах является реальной проблемой, решением которой необходимо заняться в самое ближайшее время.
Глава 2. Конструирование и сборка модели защитного устройства «графеновая «авоська» для сбора космического мусора
2.1. Изготовление чертежей схемы модели установки для сбора космического мусора
Модель установки состоит из трех частей: графеновый раструб, тело мусоросборщика с системой автономной спутниковой навигацией (АСН) и трехслойная графеновая сетка, названной нами «графеновой авоськой» (рис. 1).
Рис. 1. Конструктивные особенности модели устройства для сбора космического мусора «графеновая авоська»
Предполагаемый диаметр графенового раструба примерно в 1,5 раза больше диаметра самого мусоросборщика. Диаметр мусоросбощика около 3,5 м и длиной около 7 м. Диаметр не велик, но мы полагаем, что такое соотношение длины и диаметра вполне пригодны для осуществления движения по орбите. У космического корабля такие параметры: длина – 7,2 м, а диаметр – 2,72 м.
Рассчитаем время одного оборота спутника по круговой орбите на высоте 300 км вокруг Земли. Известны масса Земли 6·1024 кг, а также радиус Земли 6400 км.
Дано: Решение:
M=6·1024 кг
R=6,4·106 м
G=6,6·10-11Н·м/кг2
T-? Ответ: ≈90 мин
Таким образом, за время, равное примерно 1,5 ч устройство очистит околоземную орбиту на высоте около 300 км от космического мусора. Конечно, эта пока идея безопасного сбора космического мусора, для воплощения которой потребуется множество математических расчетов и других инженерных решений.
Также в конструкции показаны щетки-транспортеры, сопровождающие космический мусор в «авоську», индикаторы, сообщающие о наполняемости сетки, клапаны, перекрывающие доступ космических обломков. Теперь установка готова к движению по направлению к Луне для утилизации космического мусора (рис.2).
Для того чтобы космический мусор не скапливался на поверхности Луны, необходимо процесс сборки космических обломков и их утилизацию решать одновременно.
Также полагаем, что очисткой околоземной орбиты займется не один мусоросборщик, а целая космическая флотилия таких устройств. И тогда полоса очищенной околоземной орбиты значительно возрастет.
И тогда космические орбиты станут более безопасными для движения космических кораблей и МКС, сохраняя жизни космонавтов, дорогостоящего оборудования и перспектив освоения космоса
Рис.2. Этапы сбора космического мусора и транспортировка его на поверхность Луны
2.2. Конструирование и сборка модели установки для сбора космического мусора
Определив конструктивные особенности нашего устройства, мы продумали: из каких материалов можно сделать такую модель.
В нашем распоряжении были следующие приборы и материалы:
2 алюминиевые банки разного размера, пергаментная бумага, пищевая фольга, медная проволока (0,5 метра), бумажный скотч, прозрачный скотч, клей, клеевой пистолет, нож, плоскогубцы, лист картона (~0,4х0,4 метра), глобус, игрушечные рельсы и паровозик («ЛЕГО»), стяжки (10-20 шт.), канцелярский нож.
Нами были проведены следующие работы:
1) На листе картона сделали разрезы и прикрепили на стяжки рельсы.
2) В центре листа картона вырезали круг (диаметром ~ диаметру глобуса) и вставили в него глобус (рис.3). Так мы попробовали представить околоземную орбиту
Рис.3. Модель околоземной орбиты
3) Отрезали донышко и крышку у обеих банок (рис.4, а).
4) Вырезали из пергаментной бумаги квадрат и сделали из него модель «авоськи» при помощи клея и бумажного скотча (рис.4, б).
Рис.4 (а и б). Этапы выполнения работы по сборке модели космического мусоросборщика
5) К маленькой банке прикрепили 5 отрезков из медной проволоки (размером по 11см).
6) Закрепили бумажным скотчем на проволоке раструб-конус, собранный при помощи скотча.
7) Поместили алюминиевую банку меньшего размера в банку большего
8) К полученной конструкции прикрепили на бумажный скотч модель «графеновой авоськи».
9) Закрепили скотчем по бокам алюминиевой банки солнечные панели (сделанные из пищевой фольги, пергаментной бумаги и закрепленные на проволоке).
10) Собрали модель установки космического мусоросборщика и установили на паровозик. На рисунке 5 показана модель установки по сбору космического мусора в собранном состоянии.
Рис.5. Модель установки по сбору космического мусора в собранном состоянии
А на рисунке 6 показана эта же установка, но уже в рабочем режиме на околоземной орбите.
Рис.6. Модель установки по сбору космического мусора в рабочем режиме
Вывод: Предложенный нами способ очистки космического мусора заключается в его сборе посредством устройства, способного удержать остатки космического мусора в одном контейнере – в «графеновой авоське» с большой механической прочностью. И не только удержать, но и использовать в дальнейшем переработанный мусор для нужд человечества.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенный способ очистки околоземных орбит для безопасного движения космических пилотируемых и непилотируемых спутников и международных космических станций Земли основан на технологиях недалекого будущего по созданию графеновых полотен, из которых впоследствии будут созданы необходимые части космических мусоросборщиков.
Можно полагать, что в будущем возрастет интенсивность использования космических спутников различного назначения с разным сроком эксплуатации. И проблема столкновения этих летательных устройств с остатками космических кораблей только возрастет. Следовательно, нужно использовать всевозможные способы защиты от космического мусора.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. https://news.mail/ru/incident/36822935/
2.http://www.newsru.com/world/20apr2010/kosm_musor.html].
3 http://madan.org.il/node/1022
4. http://www.computerra.ru/
5. http://www.newsby.org/news/2008/07/13/text10530.htm
6. http://elementy.ru/news/430782
ПРИЛОЖЕНИЕ
Работа над моделью космического мусоросборщика с «графеновой авоськой»