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

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».

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.

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.

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