VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Космический мусор
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования:
Бережное отношение к окружающей среде является залогом дальнейшего развития и процветания человечества. Основным способом сбережения окружающего мира является рациональное использование всего того богатства, которым нас наградила природа, осознание важности сохранения ее для потомков.
С развитием технологий человеку стало «тесно» на своей планете и люди устремились в космос. Все знают об успехах человечества в деле покорения космического пространства, вместе с тем мало кто задумывается о том, что с момента первого запуска человеком ракеты в космос, начался и еще один этап – засорение космического пространства.
Исходя из этого, можно сделать главный вывод – будущее нашей планеты находится в наших руках. Скорейшее прекращение бездумного засорение околоземного пространства, выработка модели использования космических аппаратов и средств их выведения, если не избавит человечество от проблемы космического мусора, то снизит его объемы и подготовит благодатную почву для дальнейшей «уборки» накопившегося за долгие годы бездумной эксплуатации мусора в ближнем космосе.
Постановка проблемы:
Однажды, при просмотре телеканала Наука 2.0 я услышала о существовании некоего «космического мусора», и о том, что стремительное увеличение его объема угрожает человечеству.
Этот вопрос меня очень заинтересовал. Я слышала о существовании проблемы утилизации бытового мусора, о том, какой вред он доставляет окружающей среде, о том, насколько остро стоит эта проблема в Москве и Московской области. Так же я знаю, что сортируя мусор, я могу внести свой вклад в решение проблемы утилизации бытовых отходов. Но вот о существовании космического мусора я услышала впервые и решила разобраться в этой проблеме.
Также я знаю, что каждая развитая страна считает своим долгом обладать космическими «помощниками». Те блага, которые открываются с появлением возможности выводить на околоземную орбиту космические аппараты трудно переоценить. Это и спутники связи, позволяющие стереть границы между удаленными населенными пунктами, и метеорологические спутники, помогающие ученным предсказывать погоду, предупреждать о природных катаклизмах, и навигационные спутники, не позволяющие нам заблудиться. Неужели все эти блага находятся под угрозой некого «космического мусора»?
Объект исследования:
Космический мусор.
Предмет исследования:
Влияние космического мусора на загрязнение околоземного пространства в результате запусков космических аппаратов.
Цель исследования:
Получение и обобщение знаний о засорении космического пространства человеком и выработка путей решения проблемы космического мусора.
Задачи:
Развить интерес к теме освоения человечеством космоса.
Получить представления о том, что такое «ракета», «спутник», «орбита».
Расширить представление об этапах освоения космического пространства.
Получить начальные знания о природе появления космического мусора.
Выработать методы борьбы с постоянно увеличивающимся количеством отходов деятельности человека в космосе и уменьшение уже имеющимся мусором на орбите Земли.
Провести анкетирование учащихся.
Гипотеза: если не решить проблему с утилизацией космического мусора, то это будет представлять все большую опасность для дальнейшего освоения космоса.
Методы:
Изучение этапов освоения космоса человеком.
Изучение литературы на тему нерационального использования космоса.
Посещение Мемориального музея космонавтики в городе Москва, посещение Государственного музея истории космонавтики в городе Калуга, посещение мемориального дома-музея Константина Эдуардовича Циолковского.
Анализ длительности нахождения на орбите фрагментов ракет-носителей, отработавших спутников и их фрагментов.
Создание презентации, наглядно иллюстрирующей изученный материал.
Планируемый результат:
Обобщение имеющихся знаний по изучаемой теме.
Получение начальных знаний о космосе.
Развитие интереса к теме освоения космического пространства.
Осознание значимости рационального использования природных ресурсов и сохранения их для потомков.
Практическая значимость:работа может быть использована во внеклассной работе в начальной школе, а также на занятиях по внеурочной деятельности.
2. Теоретическая часть
«Человечество не останется вечно на земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе всё околосолнечное пространство»
К.Циолковский
Испокон веков человек мечтал о покорении далеких миров и полетах к звездам. В древние времена, ученые наблюдая за звездным небом, сделали вывод о том, что наша Земля имеет форму шара, затем выяснили, что планеты вращаются вокруг солнца. Так зарождалась астрономия – наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, структуру, происхождение и развитие небесных тел и систем [см. приложение 1].
По мере изучения космоса человечество становилось все ближе и ближе к началу космической эры.
Основоположником теоретической космонавтики являлся Константин Эдуардович Циолковский. Именно он предложил для полетов в космос использовать ракеты [см. приложение 2].
Немало лет прошло до начала практического освоения космического пространства. Продолжателем идей Циолковского стал гениальный конструктор ракетной техники Сергей Павлович Королев. Возглавляемый им Ракетный научно-исследовательский институт занимался разработкой техники, позволяющей добраться человеку до космоса.
Результатом продолжительной работы стало началом космической эры – началом покорения человеком космоса.
4 октября 1957 года произошло знаковое событие для человечества – был выведен первый искусственный спутник Земли [см. приложение 3].
Спутник, ставший первым искусственным небесным телом, был выведен на орбиту ракетой-носителем Р-7. Космический аппарат ПС-1 (простейший спутник-1) представлял собой шар диаметром 58 сантиметров, весил 83,6 килограмма, был оснащен четырьмя антеннами для передачи сигналов, и его позывные услышал весь мир.
После этой победы ученые всерьез задумались о полете человека в космос. Но прежде они решили проверить безопасность полетов на наших верных четвероногих помощниках – собаках.
Самыми знаменитыми собаками-космонавтами стали Белка и Стрелка. Ракета с ними стартовала с космодрома Байконур 19 августа 1960 года. Собаки провели в космосе 22 часа и сделали 18 оборотов вокруг Земли [см. приложение 4].
«Собачьим» полетом в космос было доказано, что околоземное пространство пригодно для кратковременного пребывания человека.
Наконец все было подготовлено для полета в космос человека. 12 апреля 1961 года на околоземную орбиту был выведен космический корабль «Восток». Его пилотировал первый в мире космонавт. С тех пор весь мир знает имя этого человека – советского космонавта Юрия Алексеевича Гагарина [см. приложение 5].
Этим событием была окончательно открыта космическая эра. За 60 лет было запущено более 6000 искусственных спутников Земли. Создали ученые и такие космические аппараты, которые совершают дальние полеты без участия людей. Обычно их называют автоматическими станциями. Такие станции исследовали Луну, Марс, Венеру, Меркурий и другие планеты.
Исследовательская часть
3.1 Источники возникновения космического мусора
В ходе изучения исследуемой темы я посетила Калужский музей истории космонавтики и Московский мемориальный музей космонавтики. Изучив экспозиции этих музеев, становится понятно насколько величественными и сложными являются эти космические машины, сколько знаний и труда было приложено конструкторами для проектирования и создания космической техники [см. приложение 6].
Мне рассказали об этапах выведения космических аппаратов в космос. Я выяснила, что ракета состоит из космического аппарата и ракеты-носителя.
Цистерны (или ступени) ставят друг на друга, а на вершине устанавливают пилотируемый отсек. Именно поэтому ракета такая высокая.
В каждой ступени есть двигатель с топливом. Первая, нижняя ступень самая большая и мощная, в ней больше всего топлива, так как она начинает разгон ракеты.
Каждая следующая ступень меньше предыдущей.
К последней ступени прикрепляется сам корабль, который и нужно вывести в космос. Корабль занимает гораздо меньше места, чем ступени.
Ракета стартует на двигателях первой ступени. Когда все топливо этой ступени расходуется, ступень отсоединяется от конструкции и падает на землю. При этом вес ракеты становится намного меньше.
Начинают работать двигатели второй ступени, затем третьей и т.д. Корабль оказывается на орбите, когда отсоединяется последняя ступень. Таким образом, корабль, как по ступеням лестницы, поднимается в космос. Такую схему работы предложил Циолковский.
Когда ракета выведена на орбиту, она может летать долго, не затрачивая на это топливо.
Первая многоступенчатая ракета, которая достигла космоса, была создана в Советском Союзе под руководством академика Сергея Павловича Королева. Такая схема построения ракет применяется до сих пор.
На приведенном ниже рисунке продемонстрирован взлет ракеты-носителя «Союз» с одноименным космическим кораблем [см. приложение 7]. В ходе этого не долгого полета от ракеты отлетают ступени. Если первая ступень падает на землю, то последующие остаются на орбите земли и лишь спустя много времени они снизятся и сгорят в атмосфере земли.
Таким образом, я выяснила первый источник появления космического мусора.
Как нам известно, ничего вечного не бывает. Вот и искусственные спутники Земли, которые вывела ракета-носитель на орбиту, не могут работать вечно. Отработав свой срок и потратив все запасы топлива, спутники остаются на своих орбитах на долгие столетия, пока не упадут обратно на Землю.
Отработавшие свой срок космические аппараты являются вторым источником возникновения космического мусора.
Уже в ходе выполнения исследовательской работы из ленты новостей я узнала об очередном «космическом происшествии». 18 декабря 2019 года российский спутник «Метеор-М» столкнулся с микрометеоритом. В ходе столкновения спутник ушел с целевой орбиты и перешел в неориентированный полет.
Следовательно, к третьему источнику появления космического мусора можно отнести столкновение выведенных в космос человеком объектов с метеоритами.
При помощи сайта http://www.stuffin.space можно наглядно убедиться в ужасающем масштабе засорения околоземного пространства человеком[см. приложение 8].
На рисунке красным цветом изображены спутники, синим – остатки ракет, а серым обломки спутников и ракет. Только малая часть изображенных объектов находится в рабочем состоянии.
Большой вклад в засорение космоса внесли военные, испытывая оружие для уничтожения спутников. В качестве примера можно привести испытание Китаем противоспутниковой ракеты, в ходе которого был сбит отработавший свой срок метеорологический спутник «Фенджин». Таким образом, вместо одного большого космического объекта образовалось целое облако обломков из примерно 2300 объектов различного размера [см. приложение 9].
Следовательно, источником вторичного засорения околоземного пространства является испытание оружия в космосе.
Я задалась вопросом: «Что же такого опасного в этих железках?». Ведь космос такой большой и безграничный. Ответом на мой вопрос послужил рассказ об первом «дорожно-транспортном происшествии» в космосе.
Этот случай произошел в 2009 году, когда столкнулись два спутника: американский действующий спутник Иридиум-33 и отслуживший свой срок российский спутник Космос-2251.
В результате столкновения оба спутника разлетелись на множество мелких осколков (примерно 600) и, окутали все Землю. Из-за этого столкновения пришлось срочно корректировать орбиту Международной космической станции, так как осколки спутников могли повредить станцию и угрожали жизни космонавтов.
Последствия столкновения можно оценить отобразив на сайте http://www.stuffin.space/ траектории полета обломков участников «ДТП» [см. приложение 10].
Космический мусор, образовавшийся в результате столкновения спутников, или вследствие испытания космического оружия представляет особой опасность из-за того, что наблюдать за ними с Земли очень тяжело, а следовательно возрастает угроза уничтожения остальных спутников. Создается опасность лавинообразного возрастания космических столкновений. По оценкам ученных в ближайшие 50 лет полет в космос будет представлять огромную опасность и дальнейшее освоение космоса будет невозможно, а следовательно, все блага которые получает человек выйдя в космос находятся под угрозой.
А действительно ли космический мусор находится на орбите Земли многие сотни и тысячи лет? Я узнала, что с начала освоения космоса человеком прошло около 60 лет, и решила узнать, какой возраст имеет самый старый космический объект.
Изучив этот вопрос, я узнала, что самый старый рукотворный объект, находящийся на данный момент в космосе – это американский спутник«Авангард-1», а также третья ступень ракеты, которая вывела его в космос 17 марта 1958 года. Убедиться в его присутствии в космосе и узнать его траекторию полета в данный момент времени можно воспользовавшись сайтом http://www.stuffin.space/[см. приложение 11].
Но больше того, что «Авангард 1» находится на орбите с 1958 года меня впечатлило то, что по прогнозам ученых, он будет находиться там еще многие сотни и тысячи лет. Следовательно, подобные объекты будут только накапливаться на орбите Земли.
3.2 Борьба с космическим мусором
Что же предпринять для того чтобы предотвратить разрастание космической свалки?
В первую очередь необходимо обратить внимание общества на существующую проблему. Прекратить испытание космического оружия и наладить взаимодействие всех стран с целью отслеживания космических объектов. Ведь именно вторичный космический мусор представляет основную опасность, так как его сложно отслеживать из-за малого размера обломков.
В дальнейшем следует предусматривать возможность возвращения отработавших ступеней ракет-носителей на землю для повторного использования или переработки, а на самих космических аппаратах предусматривать запас топлива для возвращения на Землю, во время которого спутник сгорит при приземлении.
Кроме начала рационального использования космической техники всем странам следует начать «космический субботник». Ученые предлагают несколько способов уборки космоса.
Наиболее перспективным считается использование гигантских сетей-уловителей или гарпунов. Космический аппарат, снабженный сетью должен выйти на орбиту, на которой находится скопление мусора. Далее раскрывается сеть, в которую помещается мусор. После наполнения сети космический мусоросборник направлялся бы на Землю, где вместе с мусором сгорит в атмосфере [см. приложение 12].
Еще одним вероятным способом уничтожение космического мусора является космический аппарат, оснащенный мощным лазером, который бы изменял траекторию полета космического мусора и направление его в сторону Земли [см. приложение 13].
Ученые разрабатывают и другие способы борьбы с космическим мусором, но пока они очень сложны для практического использования.
Для того, чтобы узнать, что знают учащиеся нашей гимназии о проблеме загрязнения космоса, я провела опрос [см. приложение 14], в результате которого были получены следующие данные.
Были опрошены 45 человек. Из них – 27 девочек и 18 мальчиков, возраст: 9-12 лет.
Большинство учащихся гимназии считают, что проблема загрязнения космоса является актуальной, но всё же смущает большой показатель в пользу ответа "нет". Мы считаем, что такой процент показателя обоснован незнанием подростков проблемы космического мусора.
Но, учащиеся нашей гимназии считают, что запуск космических кораблей влияет на озоновый слой Земли, лишь малая часть, считает, что это не так. На диаграмме видно, что большинство учащихся, владеют информацией о том, что такое "космический мусор".
По вопросу утилизации сломанных спутников, подавляющее большинство ответило, что падают на Землю или в океан, некоторые считают, что остаются на орбите или полностью сгорают в атмосфере. Лишь маленькая часть учащихся не знают ответа на этот вопрос.
По мнению большинства подростков необходимо бороться с космическим мусором путём сбора его специальными мусоросборниками и возвращать на землю, на втором месте - ничего не делать, на третьем месте- "затапливать в космосе". Удивил нас ответ - взрывать в космосе.
Интересная картина получается при ответе на 6-й вопрос о путях решения проблемы. Большинство опрошенных считают, что нужно продолжить космические исследования, если загрязнение околоземного пространства станет незначительным. На втором месте ответ - нужно уменьшить количество запускаемых аппаратов, далее были ответы - прекратить и не знаем. Следовательно, подростки обеспокоены экологической обстановкой в космосе.
Поэтому имеет смысл более подробно изучить вопрос загрязнения поверхности земли и особенно околоземного пространства, вызванного космическими исследованиями.
Заключение
В результате проделанной работы я познакомилась с основными этапами развития космической эры. Узнала о способах доставки космических аппаратов в космос, строении ракеты.
При посещении музеев я узнала, кто стоял у истоков ракетостроения в нашей стране. Познакомилась с работой основоположника теоретической космонавтики К.Э. Циолковского, творениями главного конструктора советской ракетной техники Сергея Павловича Королева. Узнала, как готовился и проходил полет первого человека в космос. Была удивлена, как много человечество добилось в деле освоения космического пространства.
Но, к сожалению, я узнала и об одной большой проблеме, которая сопровождает космический прогресс - это космический мусор.
Я выяснила, что засорение космоса дело рук человека. Моя гипотеза о том, что если не решить проблему с утилизацией космического мусора, то это будет представлять все большую опасность для дальнейшего освоения космоса, подтвердилась.
Но есть и положительные моменты. Люди обратили внимание на существование этой проблемы и разрабатывают способы борьбы с ней.
Список литературы
1. С.С. Вениаминов, А.М. Червонов Космический мусор — угроза человечеству. Издательство Ротапринт ИКИ РАН -2012 г.
2. Статья о разработках Роскосмосом спутника-охотника на космический мусор. (Электронный источник https://www.roscosmos.ru/26238/).
3. Трехмерная карта объектов на орбите Земли (Электронный источник http://www.stuffin.space).
4. .https://indicator.ru/news/2017/10/22/strany-lidery-kosmicheskiy-musor/
5. https://normative_reference_dictionary.academic.ru/29454/космический_мусо
6.https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100017146.pdf https://ria.ru/space/20140210/994117885.html
7. https://tass.ru/kosmos/4532045
8. https://tass.ru/kosmos/4920744
9. https://tass.ru/kosmos/5037514
10. https://tass.ru/kosmos/5391063
11.https://tass.ru/plus-one/5599027
12. http://theecology.ru/interesting/kosmicheskiy-musor-problemyi-i-puti-resheniya
13. https://www.iso.org/standard/57239.html
14. https://www.newsru.com/world/16mar2009/kamikadze.html