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

Герман на холме Герман на холме

Поколениями немцы пытались представить, от кого Арминий мог освободить Германию

Дилетант
Евгений Цыганов: «В конечном счете сериал не про глянец, а про выбор» Евгений Цыганов: «В конечном счете сериал не про глянец, а про выбор»

Евгений Цыганов — о Мастере и своей роли рефлексирующего сноба

Ведомости
Миллионы за штопку дырок Миллионы за штопку дырок

За год белые хакеры обнаружили более 6000 уязвимостей в российских IТ-системах

Ведомости
Юра Борисов номинирован на «Оскар»: в чем секрет успеха фильма «Анора» Юра Борисов номинирован на «Оскар»: в чем секрет успеха фильма «Анора»

Почему голливудский фильм «Анора» стал сенсацией в мире кинематографа

Psychologies
Без единого шурупа Без единого шурупа

Механики СПбГУ на первой космической стройке

Санкт-Петербургский университет
Вода королевы Вода королевы

О некоторых удивительных ароматах и ингредиентах раньше сочиняли легенды

Вокруг света
Как улучшить настроение за 5 минут: простые, но отлично работающие способы Как улучшить настроение за 5 минут: простые, но отлично работающие способы

Несколько приемов, которые помогут быстро встряхнуться и улучшить настроение

VOICE
Грибной сезон Грибной сезон

Адаптогены на страже красоты: изучаем баночки и ищем правильные ингредиенты

Лиза
5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников 5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников

Пять фактов о домашнем насилии, которые важно знать каждому

Psychologies
Йога для двоих Йога для двоих

Йога для двоих – идеальный способ провести время вместе

Лиза
«Поговорите со своим страхом»: 3 совета, как психологически подготовиться к смене работы «Поговорите со своим страхом»: 3 совета, как психологически подготовиться к смене работы

Разбираемся, как безболезненно сменить род или место деятельности

Psychologies
Каким получился онлайн-спектакль Цыганова «Мрамор» по пьесе Бродского Каким получился онлайн-спектакль Цыганова «Мрамор» по пьесе Бродского

О спектакле, поставленном в квартире Бродского и сыгранном в день его памяти

РБК
Только не перезванивайте: 5 простых способов, как узнать, кто звонил с неизвестного номера Только не перезванивайте: 5 простых способов, как узнать, кто звонил с неизвестного номера

Как понять, что с незнакомого номера звонит злоумышленник?

ТехИнсайдер
Мария Каллас. Обманутые надежды Мария Каллас. Обманутые надежды

У тебя могут быть талант, слава и деньги, но они не сделают тебя счастливой

Караван историй
Секс в положении Секс в положении

Как будущей маме получать удовольствие в постели и не навредить малышу

Лиза
DDoSтать до потолка: как и почему за 2024 год изменились сетевые кибератаки DDoSтать до потолка: как и почему за 2024 год изменились сетевые кибератаки

Как изменился ландшафт DDoS и что этому способствовало

Forbes
Не дай себе замерзнуть! Не дай себе замерзнуть!

7 рабочих лайфхаков, которые помогут согреться в холода

Лиза
Будет как новая: 5 способов очистить пластиковую разделочную доску Будет как новая: 5 способов очистить пластиковую разделочную доску

Несколько способов, чтобы почистить разделочную доску

VOICE
Алексей Олейников: Хочу расследовать «Смерть чиновника» Чехова Алексей Олейников: Хочу расследовать «Смерть чиновника» Чехова

Писатель Алексей Олейников — об историческом детективе и антропологии

СНОБ
Защита двойного назначения Защита двойного назначения

Щит для стабилизации космических аппаратов

Санкт-Петербургский университет
Гингивит: десна болит Гингивит: десна болит

Что делать, если десны воспалились?

Лиза
Поле битвы — спорт: почему в США сорвался запуск уникального стримингового сервиса Поле битвы — спорт: почему в США сорвался запуск уникального стримингового сервиса

Нюансы скандального дела Venu Sports и монополии медиаимперий

Forbes
В 2024 году британец плыл 62 часа в ледяной воде реки Юкон! Вот сколько километров он преодолел В 2024 году британец плыл 62 часа в ледяной воде реки Юкон! Вот сколько километров он преодолел

Ультрамарафонец Росс Эджли преодолел сотни километров по ледяным водам реки Юкон

ТехИнсайдер
Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега

Робот KOU-III не может летать — он использует винты для равновесия

N+1
Собраться с духами: чем японские и китайские сказки отличаются от европейских? Собраться с духами: чем японские и китайские сказки отличаются от европейских?

Что собой представляет фольклор Азии и как он отражается в современной культуре?

Правила жизни
Легонький пояс Легонький пояс

Где искать шедевры текстильной промышленной архитектуры царской России

Weekend
Горький привкус: почему не останавливается отток населения из Нижнего Новгорода Горький привкус: почему не останавливается отток населения из Нижнего Новгорода

Из-за каких причин жители вроде бы процветающего Нижнего покидают город?

Forbes
5 типичных ошибок, которые мешают нам избавиться от влияния тяжелого детства 5 типичных ошибок, которые мешают нам избавиться от влияния тяжелого детства

Что нам мешает избавиться от негативного шлейфа прошлого?

Psychologies
От мегалодона до мамонта: что, если бы животные эпохи плейстоцена дожили до наших дней От мегалодона до мамонта: что, если бы животные эпохи плейстоцена дожили до наших дней

Каким бы был мир, если бы гигантские грызуны и акулы дожили до наших дней?

ТехИнсайдер
Гид по декольте Гид по декольте

Почему о зоне декольте тоже стоит заботиться?

Лиза
Открыть в приложении