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

Гита, жена Мономаха Гита, жена Мономаха

Первой женой Мономаха была дочь Гарольда Годвинсона, павшего при Гастингсе

Дилетант
7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег 7 дорогих бьюти-процедур, которые однозначно стоят своих денег

Что действительно нужно для получения результата и своевременного омоложения

VOICE
Базальтовые бусины в невесомости подтвердили вклад трибоэлектричества в формирование планет Базальтовые бусины в невесомости подтвердили вклад трибоэлектричества в формирование планет

Зачем ученые отправили в суборбитальный полет кучку базальтовых бусин

N+1
Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга

Намеренная дефазировка увеличила КПД квантового двигателя на два процента

N+1
Время выбрасывать Время выбрасывать

Как грамотно организовать свое рабочее место и четко планировать день

Лиза
«Над отношениями не надо работать»: 6 токсичных представлений о любви «Над отношениями не надо работать»: 6 токсичных представлений о любви

К чему приводят нереалистичные ожидания в отношениях

Psychologies
Студенты перестали мечтать о быстрых головокружительных карьерах Студенты перестали мечтать о быстрых головокружительных карьерах

У российских студентов скорректировались приоритеты при выборе места работы

Ведомости
Как и когда люди начали лечить животных: история ветеринарии Как и когда люди начали лечить животных: история ветеринарии

Какими были первые человеческие шаги в ветеринарии

ТехИнсайдер
Перекрестье чувств Перекрестье чувств

Разбираемся, что такое синестезия – загадочная способность к смешению чувств

Вокруг света
Аx, белый теплоход… Аx, белый теплоход…

Astondoa Ax8 — моторная яхта-кроссовер из стеклопластика

Y Magazine
Вернись, денежка! Вернись, денежка!

Как жертве мошенников добиться возврата украденного

Лиза
Бородатый анекдот Бородатый анекдот

«Почему, чёрт возьми, развалился Советский Союз?»

Дилетант
Пока не стало слишком поздно: 60 важных вопросов, которые нужно задать родителям Пока не стало слишком поздно: 60 важных вопросов, которые нужно задать родителям

60 вопросов, которые пока еще не поздно задать своим родителям

Psychologies
На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле

Что вы знаете о золоте?

ТехИнсайдер
Под контролем алгоритмов Под контролем алгоритмов

Как улучшить спутниковую связь и интернет

Санкт-Петербургский университет
Марсианин и хроники Марсианин и хроники

Новый сериал о спецагентах с человеческим лицом и скромным бюджетом

Weekend
Альфрид Лэнгле — Forbes: «Кризис должен быть стимулом проживать жизнь по максимуму» Альфрид Лэнгле — Forbes: «Кризис должен быть стимулом проживать жизнь по максимуму»

Как справиться с чувством беспомощности? Объясняет Альфрид Лэнгле

Forbes
Знаковое место Знаковое место

Стильный, функциональный, авторский интерьер в духе timeless

SALON-Interior
Мутации определяют ход биологических часов организма Мутации определяют ход биологических часов организма

Биологический возраст организма определяется накоплением случайных мутаций

ТехИнсайдер
Как взлетает мирный атом Как взлетает мирный атом

О новых возможностях мирного атома и критических технологиях безопасности

Монокль
Защита двойного назначения Защита двойного назначения

Щит для стабилизации космических аппаратов

Санкт-Петербургский университет
Без паники! 10 быстрых приемов против стресса Без паники! 10 быстрых приемов против стресса

Нужно снять напряжение? Вот способы, которые не требуют специальной подготовки

Лиза
Служебный роман Служебный роман

В каких ситуациях служебный роман может быть плохой идеей

Лиза
Холодный букет Холодный букет

Какие цветы будут хорошо смотреться в вазе зимой

Лиза
Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет

В Гебель-Эльба, Египет, впервые за 5000 лет встретили пятнистую гиену

N+1
Чисто-начисто Чисто-начисто

7 неожиданных вещей которые можно мыть в посудомойке

Лиза
Любимые напитки кинозлодеев Любимые напитки кинозлодеев

Попытка погружения в тему алкогольных предпочтений злодеев вызвала у нас шок

Maxim
Репортаж из томографа Репортаж из томографа

Как наш мозг принимает решения?

Ведомости
Плохая идея: куда точно не нужно идти на первое свидание Плохая идея: куда точно не нужно идти на первое свидание

Разбираемся, куда и почему лучше не идти с незнакомцем/незнакомкой в первый раз

Maxim
Куда исчезли зеркала на крыльях автомобилей: вас давно мучает этот вопрос, но спросить было не у кого Куда исчезли зеркала на крыльях автомобилей: вас давно мучает этот вопрос, но спросить было не у кого

Зачем с кузовов автомобилей убрали мини зеркала

ТехИнсайдер
Открыть в приложении