Ученые СПбГУ изучают сверхмелкий космический мусор

Санкт-Петербургский университетНаука

Микроскопическая угроза

Ученые СПбГУ изучили сверхмелкий космический мусор и выяснили, как долго он может «жить» на разных орбитах. Выводы исследователей помогут защитить космические аппараты от повреждений и разработать способы очистки околоземного пространства от загрязняющих микрочастиц.

Автор: Евгения Орлова

Спутник EURECA, 1993 год. NASA

Начиная с 1980-х годов математики Университета вели проекты, посвященные сверхмелкому космическому мусору размером от нескольких нанометров (1 нанометр = 10−9 метра) до сотен микрон (1 микрон = 10−6 м), по заказам ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С. П. Королёва, а также при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований и Международного научно-технического центра. В настоящее время работы выполняются в рамках гранта Российского научного фонда № 23-21-00038 «Численное и аналитическое исследование условий длительного удержания в окрестности Земли техногенных микрочастиц».

Ущерб спутникам и планете

С каждым годом проблема загрязнения космоса микроскопическим мусором становится лишь актуальнее. Число техногенных частиц в околоземном пространстве постоянно увеличивается: они содержатся в выбросах твердотопливных двигателей ракет, появляются в результате деградации материалов, расположенных на поверхности действующих космических аппаратов и крупного космического мусора.

По словам Евгения Константиновича Колесникова, профессора СПбГУ (кафедра физической механики), сейчас количество загрязняющих сверхмелких частиц оценивается в несколько триллионов. Это значительно превышает объемы остального мусора в космосе. По данным Европейского космического агентства за 2024 год, объектов размером более 10 сантиметров там насчитывается более 40 500, а размером от 1 до 10 сантиметров — чуть больше 1 000 000.

В ходе изучения микроскопических объектов в космосе математики СПбГУ выяснили, что споры некоторых земных бактерий, вынесенных в космос на поверхностях космических аппаратов, способны выдержать нагрев при входе в плотные слои атмосферы и вернуться на Землю. Подробнее.

«Техногенных микрочастиц в ближнем космосе столь много, что под их воздействие попадают все орбитальные космические аппараты. Микромусор сталкивается с ними на скорости до 20 километров в секунду. Это может приводить к повреждению или выходу из строя важных внешних элементов: солнечных батарей, иллюминаторов, двигателей ориентации, системы терморегулирования», — объясняет Евгений Колесников.

Он добавляет, что опасность техногенных частиц подтверждена в ходе обследования спутников Eureca, LDEF, Solar Maximum Mission, PALAPA и элементов орбитальной космической станции «Салют». На поверхностях этих аппаратов исследователи обнаружили множество дефектов от столкновения с микрообъектами.

Но спутники и ракеты — не единственное, чему угрожает микроскопический космический мусор. Он также может негативно влиять на экологию Земли. Так, техногенные частицы из радиоактивных материалов способны опускаться в плотные слои атмосферы и на поверхность планеты, тем самым вызывая радиоактивное загрязнение.

«Продукты выбросов ракетных двигателей, например частицы оксида алюминия, могут влиять на химические реакции в озоновом слое стратосферы, что приводит к уменьшению содержания озона в этом слое. В результате усиливается негативное воздействие жесткого ультрафиолетового излучения Солнца на биосферу», — добавляет Евгений Колесников.

Смоделировать движение

Рассчитав траекторию техногенных микрочастиц, можно определить, какие из них попадут на Землю или заденут космический корабль. Но сделать это непросто. Если на перемещение объектов крупного мусора в космосе преимущественно влияют гравитационное поле Земли и сопротивление атмосферы, то на движение микрообъектов воздействует значительно большее число факторов. При расчете их траектории необходимо дополнительно учитывать давление солнечного излучения и взаимодействие накапливающегося на техногенных частицах электрического заряда с магнитным и электрическим полями околоземного пространства. Также требуется принимать во внимание эффект годичного движения Солнца и воздействие солнечной активности на верхнюю атмосферу и плазменную оболочку Земли.

«Для проведения таких расчетов еще в 1990-х годах мы с коллегами создали свою первую программу, которая позволила математически моделировать движение одиночных техногенных микрочастиц, — говорит Евгений Колесников. — От проекта к проекту она совершенствовалась и в настоящий момент по полноте учета факторов, воздействующих на перемещение микрообъектов в ближнем космосе, превосходит все известные отечественные и зарубежные аналоги».

Установка для длительного экспонирования (спутник LDEF) поднимается
над грузовым отсеком корабля «Челленджер» в ходе миссии STS 41C. 1984 год. NASA

Именно с помощью этой программы математики СПбГУ определяли, сколько времени на разных орбитах в окрестностях Земли могут существовать техногенные частицы. «Численные эксперименты проводились в основном с микрообъектами из алюминия, оксида алюминия и углерода. Первый является важным конструкционным материалом, так что его частицы могут присутствовать в мелкодисперсных продуктах деградации поверхности космических аппаратов. Второй составляет основную часть продуктов выброса твердотельного ракетного двигателя. Третий используется в теплозащитных покрытиях спутников и кораблей», — объясняет Евгений Колесников.

Первый советский спутник связи «Молния-1» в экспозиции музея К. Э. Циолковского в Калуге. Wikimedia Commons

Все зависит от высоты

Прежде всего исследователи СПбГУ моделировали путь частиц, которые, оказавшись в космическом пространстве, начинали свое движение на круговых или близких к ним орбитах — то есть на тех, что по форме напоминают окружность. При этом для анализа были подобраны орбиты разных высот: начиная с низких околоземных, на которых, по данным Управления по вопросам космического пространства ООН за 2024 год, находится более 89 % всех искусственных спутников, и заканчивая геостационарной. Последняя расположена над земным экватором на высоте 35 786 километров. На ней космические аппараты движутся со скоростью вращения планеты, за счет чего всегда остаются на одном и том же месте относительно Земли. Это особенно важно для обеспечения спутниковой связи, телевидения, погодного наблюдения. Поэтому геостационарная орбита занимает второе место по количеству размещенных на ней спутников: там находится около 8 % от их общего количества.

«Наши расчеты показали, что при низких начальных круговых орбитах высотой 700, 1000 и 1500 километров большое время „жизни“ (свыше одного года) имеют лишь достаточно крупные частицы с радиусом не менее нескольких микрон, — рассказывает Евгений Колесников. — В то же время при начальных орбитах высотой от 3000 до 35 786 километров долго существовать способны как крупные частицы, так и сверхмелкие — с радиусом порядка сотых долей микрона и менее».

Математики определили, что основной фактор, который приводит к длительному удержанию в околоземном пространстве микроскопических объектов мусора, — взаимодействие их электрического заряда с магнитным полем Земли.

Облачные долгожители

В ходе исследований ученые СПбГУ также изучали природу астрозольных облаков, или астрозолей. Это скопления большого количества техногенных микрочастиц, которые обнаружили специальными детекторами на низкоорбитальных космических аппаратах, в том числе на спутнике LDEF, корабле Space Shuttle, орбитальных станциях «Салют» и «Мир».

Измерения в космосе показали, что срок «жизни» астрозольных облаков — около месяца. Однако это не совпало с максимальным временем существования техногенных частиц на круговых орбитах тех космических аппаратов, на которых выявили астрозоли. «Например, время орбитального существования микрочастицы из алюминия радиусом 100 микрон при начальной круговой орбите высотой 450 километров (высота орбиты спутника LDEF) в условиях низкой солнечной и геомагнитной активности составляет всего 8,6 суток», — рассказывает Евгений Колесников.

Такой парадокс навел исследователей на мысль, что астрозольные облака состоят из частиц, которые движутся не по круговым, а по вытянутым эллиптическим орбитам с низко расположенным перигеем (ближайшей к Земле точкой орбиты) и высоким апогеем (наиболее удаленной от Земли точкой орбиты). По словам Евгения Колесникова, при подобной траектории сверхмелкие объекты космического мусора должны испытывать сильное сопротивление атмосферы лишь на небольшом участке в окрестности перигея. Благодаря этому во время движения энергия и скорость микрочастиц уменьшаются медленнее. Как следствие, мусорные микрообъекты имеют более длительный срок «жизни» на орбите.

«Источником подобного рода частиц могут являться микроскопические продукты разрушения материала поверхности крупных объектов. Таких, например, как спутники „Молния“, которые движутся по вытянутым эллиптическим орбитам с низким перигеем, — отмечает Евгений Колесников. — Чтобы проверить эту гипотезу, мы смоделировали движение микрочастиц с начальными орбитами, совпадающими по параметрам с орбитой „Молнии“. Расчеты показали, что на этих орбитах микрочастицы действительно способны существовать длительное время, что подтвердило правильность нашего предположения о природе астрозольных облаков».

Радиоактивное падение

В рамках еще одного проекта математики Университета решили выявить, какие из частиц после схода с орбиты могут опуститься на поверхность планеты и нарушить ее биосферу. Поскольку наибольшую опасность для Земли представляют радиоактивные объекты, ученые проверяли именно их.

Научный коллектив провел численные эксперименты для микрочастиц урана-235, плутония-238 и плутония-239. «Они могут попадать в околоземное пространство при разрушении крупных пассивных техногенных объектов, содержащих радиоактивные материалы. Источниками способны служить, например, неработающие спутники с заглушенными ядерными реакторами и радиоизотопными батареями», — отмечает Евгений Колесников.

Он добавляет, что математики СПбГУ смоделировали движение радиоактивных микрочастиц от низкой круговой орбиты высотой 300 километров до Земли и определили, какие из объектов выдержат нагрев при входе в плотные слои атмосферы. Расчеты показали, что до поверхности планеты вне зависимости от угла наклона орбиты «доберутся» частицы плутония с радиусом не более 35 микрон и частицы урана с радиусом до 200 микрон.

Уборка в космосе

Параллельно с изучением особенностей движения частиц микроскопического космического мусора математики Университета разрабатывают концепции очистки околоземного пространства от этого техногенного загрязнения.

«Наш научный коллектив предложил несколько вариантов освобождения ближнего космоса от мелкомасштабного мусора, — объясняет Евгений Колесников. — Например, это можно осуществить, используя эффект сильной электростатической зарядки микрочастиц при воздействии на них пучка нейтральных атомов водорода. Такой способ позволил бы перевести микроскопические объекты на орбиту с малым временем орбитального существования и тем самым быстро от них избавиться». Также математики предлагают удалять техногенные частицы с низких околоземных орбит, воздействуя на них сильноточными (силой тока до нескольких тысяч ампер) пучками электронов, разогнанными почти до скорости света.

В перспективе эти способы позволят защитить космические аппараты от вредного воздействия и тем самым продлить эффективность и срок их службы. Также разработки математиков СПбГУ помогут обезопасить Землю от вредных микрочастиц и сделают более экологичным освоение космоса.

Искусственные спутники, вышедшие из строя ступени ракет-носителей и космический мусор на геостационарном кольце. Wikimedia Commons

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Путь от бастарда до монарха Путь от бастарда до монарха

Как бастарду Вильгельму I удалось превратить свою мечту о короне в реальность?

Дилетант
Трезвые разговоры в баре: Манойло и Канделаки Трезвые разговоры в баре: Манойло и Канделаки

Каково сниматься в адаптации турецкого сериала и как не разочаровать маму

СНОБ
«Я слишком ленив, чтобы измениться»: упражнение, которое поможет взять ответственность за свои чувства «Я слишком ленив, чтобы измениться»: упражнение, которое поможет взять ответственность за свои чувства

Как вы ощущаете свои эмоции — как хозяин или как гость?

Psychologies
«История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие» «История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие»

Кто разрешил спор о природе лавы

N+1
За мечтой — в кошелек? За мечтой — в кошелек?

«Анора» — философский фильм о мечтах и реальности

Монокль
Открытие памятника Сталину Открытие памятника Сталину

Идея поставить памятник советскому вождю в Праге возникла в 1949 году

Дилетант
Онлайн – место рыбное Онлайн – место рыбное

Почему кибермошенники чаще взламывают системы Android, чем iOS?

Ведомости
Что такое тест СМИЛ (MMPI) и для чего он нужен Что такое тест СМИЛ (MMPI) и для чего он нужен

Что такое тест СМИЛ и как его проходить правильно

РБК
Положительная мотивация: 4 совета, как войти в состояние потока и добиться поставленных целей Положительная мотивация: 4 совета, как войти в состояние потока и добиться поставленных целей

Как работает положительная мотивация и почему она нужна каждому из нас?

Psychologies
Tabor уехал домой Tabor уехал домой

Почему сервисы онлайн-знакомств теряют аудиторию

Ведомости
Фатальное влечение: 10 эротических фильмов про обреченные отношения Фатальное влечение: 10 эротических фильмов про обреченные отношения

Кино, посвященное фатальным эротическим отношениям — на работе и за ее пределами

Правила жизни
Про сильный пол Про сильный пол

С возрастом нарушается работа важных органов и систем мужского организма

Лиза
Система Юпитера: Бешеная луна Система Юпитера: Бешеная луна

Гигантизм позволил Юпитеру сохранить свою систему регулярных лун в целости

Наука и техника
Вероника Полонская. Последняя любовь Маяковского Вероника Полонская. Последняя любовь Маяковского

Об отношениях Вероники Полонской и поэта Владимира Маяковского

Коллекция. Караван историй
5 новых технологий, которые радикально изменят современный автопром 5 новых технологий, которые радикально изменят современный автопром

Современные автомобили давно стали гаджетами на колесах. Но что впереди?

РБК
Женственность и сексуальность: чем они отличаются и как их развить Женственность и сексуальность: чем они отличаются и как их развить

Психолог рассказывает о природе женственности и сексуальности

Psychologies
Когда не развернуться Когда не развернуться

Как организовать хранение в маленькой квартире

Лиза
Блокада Ленинграда: призраки войны на улицах города Блокада Ленинграда: призраки войны на улицах города

Пронзительные коллажи Сергея Ларенкова в годовщину снятия блокады Ленинграда

Maxim
Точно по расписанию Точно по расписанию

Задержка менструации может быть признаком различных проблем со здоровьем

Лиза
«Смерть — единственная вещь, которая всех объединяет»: Никита Ефремов о буддизме, нейросетях и кризисе среднего возраста «Смерть — единственная вещь, которая всех объединяет»: Никита Ефремов о буддизме, нейросетях и кризисе среднего возраста

Актер Никита Ефремов — про буддистский взгляд на мир и работу в Голливуде

Psychologies
Эволюция, создавая жабры рыб, по той же программе создала уши человека Эволюция, создавая жабры рыб, по той же программе создала уши человека

Формирование ушей у млекопитающих следует той же программе, что и у жабр рыб

ТехИнсайдер
Слышали, что вампиры появились в Румынии? Вот как могло возникнуть это предубеждение Слышали, что вампиры появились в Румынии? Вот как могло возникнуть это предубеждение

Мифы о вампирах могут иметь реальную медицинскую основу

ТехИнсайдер
Преисполненная светом Преисполненная светом

Дизайнерский интерьер, наполненный винтажной мебелью и предметами искусства

SALON-Interior
Хорошего понемногу: почему спать слишком долго вредно для здоровья Хорошего понемногу: почему спать слишком долго вредно для здоровья

Чрезмерный сон может привести к печальным последствиям

ТехИнсайдер
Психоскопия ближнего поля Психоскопия ближнего поля

Даже за совсем умозрительной фантастикой может скрываться серьезная научная база

N+1
5 признаков, указывающих на то, что вы по-настоящему зрелая личность 5 признаков, указывающих на то, что вы по-настоящему зрелая личность

Можете ли вы похвастаться тем, что достигли психологической зрелости?

Maxim
Игорь Пасечник Игорь Пасечник

Стоит ли восстанавливать давно разрушенное?

Собака.ru
Валерий Фокин: Театр вписан в контекст времени Валерий Фокин: Театр вписан в контекст времени

Режиссер Валерий Фокин — о библейских текстах и вкусах современного зрителя

Ведомости
Стесняюсь спросить: почему важно развивать навыки работы с искусственным интеллектом здесь и сейчас? Стесняюсь спросить: почему важно развивать навыки работы с искусственным интеллектом здесь и сейчас?

Почему развитие навыков работы с ИИ — обязательный шаг, который нельзя отложить

Правила жизни
Крещение Крещение

Крещение: история светлого праздника (и при чем тут обряд купания в проруби)

Лиза
Открыть в приложении