Проблема загрязнения околоземного космического пространства техногенными обломками и способы его искусственной очистки. Перспективы создания орбитальных промышленных станций по сбору и переработке мусора

рода Великий Новгород / Е. В. Гавриловец // Аллея науки. -2018. - Т. 8. - № 5(21). - С. 434-436.

3. Гельфонд, А. Л. Город у реки. Идентичное и глобальное / А. Л. Гельфонд // Приволжский научный журнал. - 2017. -№ 4(44). - С. 137-141.

4. Енин, А. Е. Развитие общественных пространств прибрежных территорий на примере крупных городов России / А. Е. Енин, А. С. Касьянова // Архитектурные исследования. - 2020. -№ 4(24). - С. 86-95.

5. Клименко, И. В. Методы архитектурного формирования новых культурно-туристических комплексов в прибрежных зонах Санкт-Петербурга / И. В. Клименко // Наука, образование и экспериментальное проектирование. - 2021. - №1. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-arhitekturnogo-formiro-vaniya-novyh-kulturno-turisticheskih-kompleksov-v-pribrezhnyh-zonah-sankt-peterburga (дата обращения: 14.04.2022).

6. Bradbury, M. The contemporary waterfront, from city to park / Matthew Bradbury // Urban transformation: controversies, contrasts and challenges. - 2010. - No 1-9. - URL: http://www. iphs2010.com/ abs/188.pdf (date of access: 22.03.2022).

7. Honey-Roses, J. The impact of COVID-19 on public space: an early review of the emerging questions - design, perceptions and inequities / Jordi Honey-Roses, Maged Senbel, Michael K. McCall // Cities & Health. - 2020. - Vol. 4(4). - Pp. 1-17. - URL: https://doi. org/10.1080/23748834.2020.178007 4 (date of access: 01.03.2022).

8. Lacilla, E. Waterfront Public Realm Design: Towards a Sustainable Identity Urban Projects in Vancouver and Portland / Elena Lacilla, Jose Maria Ordeig // Journal of Sustainable Development. - 2016. -Vol. 9, №. 2. - Pp. 169-180. - URL: http://doi.org/10.5539/jsd. v9n2p169 (date of access: 30.11.2021).

9. Revitalizing urban waterfronts: identifying indicators for human well-being / Leann Andrews, Ken P. Yocom, Nicole Faghin [et al] // AIMS Environmental Science. - 2016. - No 3(3). - Pp. 456473. - URL: https://doi.org/10.3934/environsci.2016.3.456 (date of access: 25.01.2022).

10. Sanoff, H. Community participation in riverfront development / Henry Sanoff // International Journal of CoCreation in Design and the Arts. - 2003. - Pp. 61-78. - URL: https://doi. org/10.1080/1571088 0512331326022 (date of access: 14.12.2021).

А. И. Шибаева, М. И. Зыкова, А. Л. Нечаев 10.24412/cl-35672-2022-1-0026

A. I. Shibaeva, M. I. Zykova, A. L. Nechaev

Проблема загрязнения околоземного космического пространства техногенными обломками и способы его искусственной очистки. Перспективы создания орбитальных промышленных станций по сбору и переработке мусора Danger of near-Earth space's pollution. Methods of artificial cleaning and recyclin of space debris. Perspectives in the creation of future orbital space debris cleaning and recycling stations

Ключевые слова: мусор, космос, переработка, космическая станция, промышленная архитектура. Keywords: debris, space, recycling, space station, industrial architecture.

Аннотация: В статье рассматривается опасность загрязнения околоземного пространства космоса объектами искусственного происхождения, ее причины и возможные способы искусственной очистки и переработки космического мусора, в том числе с использованием методов переработки астероидов и повторного использования ресурсов. Также поднимаются вопросы применения промышленной архитектуры в многофункциональных орбитальных станциях, вопросы стабилизации станции в космосе, создания искусственной гравитации, формирующей необходимую среду для работы технологических цепочек, энергообеспечения станции и вопросы возможной переработки астероидов.

Abstract: In this article discussed the danger of near-Earth space's pollution by objects of artificial origin, causes and possible ways of artificial cleaning and processing of space debris, including the methods for the recycling of asteroids, and got the reusing resources. Also was raised the application of industrial architecture in multifunctional orbital stations, issues of spacecraft stabilization in space, artificial gravity to create the necessary environment for the operation of technological chains and issues of station power supply.

Опасность техногенного загрязнения космоса

С незапамятных времен Вселенная волнует разум человека. Тысячи лет назад в наших силах было лишь наблюдать за небесными телами и ориентироваться по звездам. Однако в середине XX века человечество шагнуло в новую эру, где напрямую смогло прикоснуться к неведомому. Начиная с пятидесятых годов прошлого века мы, в силу возможностей современных технологий, активно осваиваем ближний космос и, нужно сказать, добились значительных успехов. Сегодня осуществляются исследования Луны, Марса, Венеры и других тел, создана первая МКС, делаются высококачественные снимки дальнего космоса,

произведено более 4900 запусков аппаратов разного значения, около 6600 спутников вышли на орбиту Земли. Из них 3600 остаются там до сих пор и только 1000 функционирует нормально. И, казалось бы, уже сегодня можно утверждать, что межзвездные полеты и колонизация планет не просто мечта, но возможное и реальное будущее. Тем не менее все еще существует достаточно проблем и ограничений, помимо не созданных еще технологий, которые могут стать достаточно серьезным препятствием в дальнейшем освоении звездного пространства.

Так, в начале космической эпохи, проблема опасности загрязнения околоземного пространства обсужда-

лась чисто теоретически. Официальное же признание на международном уровне она получила только после доклада Генерального секретаря ООН зимой 1993 года на тему «Воздействие космической деятельности на окружающую среду», где подчеркивалось, что не может существовать такого понятия, как «засорение национального околоземного пространства», так как космическая деятельность одинаково негативно влияет на все государства. Таким образом, сегодня эта опасность превратилась в одну из самых актуальных международных проблем, наравне с глобальным потеплением и техногенными загрязнениями Земли.

Классификация космического мусора

Впервые термин «космический мусор» появился в 80-е годы XX века.

КМ - это все объекты искусственного происхождения и их фрагменты в околоземном пространстве, которые по тем или иным причинам больше не функционируют и не могут быть использованы для каких-либо целей. Это как старые спутники, так и отходы, обломки, куски, образовавшиеся после взрывов, верхние ступени ракет и т. д. И около 65% этого загрязнения произошло из-за столкновений на орбите [1, с. 1].

Традиционно космический мусор разделяют на три класса по размеру.

Первый класс — это малогабаритные объекты с поперечным сечением меньше 1 см. Направление его движения невозможно предусмотреть и контролировать с Земли. После столкновения установка скорее всего будет дальше функционировать, но, возможно, частично откажет бортовая электроника.

Второй класс — предметы размером от 1 до 10 см. Столкновение с таким обломком может привести к прекращению функционирования аппарата и образованию малого мусора.

Есть еще крупный космический мусор, представляющий собой третий класс объектов, диаметром поперечного сечения больше 10 см. Авария с ними сопоставима с автокатастрофой, случившейся на скорости 28 тыс. км/час. Аппарат будет полностью уничтожен, и в результате образуется очень много мелких обломков [2, с. 2].

Таким образом, можно выделить следующий опасный аспект существования больших объемов КМ: скорость и непредсказуемые траектории движения, которыми обладает каждый из элементов, могут привести к столкновению с функционирующими аппаратами или к столкновению друг с другом. Последнее опасно возможной цепной реакцией, называемой синдромом Кесслера. По последним данным в космосе находится около 128 млн частиц техногенных загрязнений разме-

к <1 г м и ч \ \ к и и \] И С П I1

ШГОРОГПОРЩИКИ КПК Ш1Ш1 ИИ1ЖКIП:

«ПХОЙЫСЯ ИВ 11||ГМИ1', ни «с предсгпЙлймы онкйьея лраммчесиа »но'иьиосгн.

ш

П чпм оппгнпсть?

шири IВетоIв шШМ;"

итарые "ШР -' $

при»!!', НИ ..•

кппшиинклцми мм горл

МНЦЫН КЛМНЧ|11.НН ЫКДО

>100000000 500000 >21000

fJJ

:аси * »га™

асдни* мимкиимй ччсое

¿¡^ СТОЛКНОВЕНИЕ ^ СКОРОСТЬ КОЛИЧЕСТВА

А П1ИПРПМ А ,,ПД1:ИИ1: А йт,™№,и: "«Г."" ишимк1 нвных ш мсжжмиых

Итппгмп работы СКМ

мсжходиых шин: 1 на

ттт ш'оьтлш

Т Т ДИНйтН !ГПЕ!ЛИЧП5НЗ! ЧИСПН КРУПНЫХ ОБЪЕКТОВ

клсмтЕсиоп) иш

1РШМЯШКН чборкп кимнЕСКвга МУСПРП .....__ _ Ликвидация космических аппаратов

< 1ЛН1Ш ней шчжньл I мггпдичмдя I * № ГмГ-*^ Г - - &Ырл6оТ0ПШИ4? СВОЙ рвСурС КОСЛЙЧККН? ЛППдрйТЫ С ИИ1КИ* ОрбИТ МЮППИВчМй! Й <Ж69Н4

М1 | ДРИДЗОТ ччии I В '"Н.СДи! ,„ [ННи*-Т 4-, -• -

.—.и»*-™ ,_, __, I Г I 1МЖТпШН' I «Кладбище коошческ!» корабле* - Процесс а^ц^шя ___

1=

Процесс затопления

Рис. 1. Способы переработки КМ

ром более 1 мм и 34 тыс. кусков размером более 10 см. И в скором времени такое большое количество мусора в околоземном пространстве может сделать полеты в космос невозможными. Также это может привести к невозможности использовать спутники - мы окажемся без связи, прогнозов погоды и других полезных вещей.

Существующие теоретические предложения по способам очистки околоземного пространства

Глобально существует два аспекта решения проблемы по очистке орбиты от техногенных загрязнений: профилактика на этапе космостроения и непосредственное избавление от остатков его производства в космосе.

К первому аспекту преимущественно относится все то, что сейчас можно назвать «зеленой космонавтикой», а именно: облегчение веса аппаратов, увеличение срока эксплуатации и защиты, обязательная утилизация и т. д.

Второй же аспект на сегодняшний день можно разделить на две составляющие. Первая - уничтожение космического мусора, вторая - его буксировка на более высокие орбиты. Полное уничтожение сложно выполнимо, потому что нужны способы разложения фактически до атомарного уровня, чтобы не произвести еще больше мелких осколков. Методы же увода делятся в основном на две группы: активные и пассивные. К активным способам можно отнести все то, что предполагает непосредственное прямое взаимодействие с КМ. Их также можно разделить на бесконтактные (лазеры, ионное воздействие, физические поля) или на контактные (с жесткой или гибкой связью между аппаратом-уборщиком и мусором). Пассивные же - любые гипотетические предложения, основанные на использовании возможностей естественной среды, например, паруса-арканы, работающие на солнечном ветре [3, с. 6].

Возможность переработки космического мусора

В контексте современной ситуации ограниченных ресурсов как на Земле, так и в Космосе технологии по сбору, переработке и повторному использованию мусора актуальны как никогда. Например, в 2019 году была представлена отечественная разработка небольшого устройства СКМ, которое не только собирает мусор, но и перерабатывает его в псевдожидкое топливо для поддержания своей же работы. Также существует пример подобной технологии у японского стартапа Аз^озсак, который предлагает удалять с орбиты неработающие спутники и сброшенные секции ракет с помощью агрегата с магнитными панелями, на которые будут притягиваться подобные объекты, а затем сгорать вместе с ними в атмосфере Земли.

По мнению авторов, наиболее перспективным направлением является создание полноценной многофункциональной орбитальной станции по сбору и переработке мусора разных габаритов. В теории станция с технологией подобного типа также подходит и для переработки астероидов (рис. 1). Это было подтверждено приглашенным консультирующим специалистом Леоновым В. А., который является научным сотрудником Института астрономии РАН. Астероиды главного пояса - это огромные запасы металлов. Астероиды пояса Койпера и кометы - водяные и газовые льды. Ресурсы в космосе важнее всего, а астероиды - кладезь редких элементов.

Космическая архитектура и перспективы создания многофункциональной промышленной станции

Космическая архитектура как отрасль давно является полем для споров. Тем не менее, на сегодняшний день это не фантазия, и не миф, а перспективная реальность.

Рис. 2. Станция по переработке КМ

По мнению авторов, наравне с постулатом: архитектура - это «польза - прочность - красота», также верно утверждение, что архитектура - это организация пространства под определенные технологии. Хотя традиционно в контексте космической архитектуры говорится о теории и практике проектирования и строительства жилой среды в безвоздушном пространстве, авторы уверены, что и промышленная архитектура не менее актуальна для космоса. Соответственно, если есть технологическая цепочка в космосе, то непременно будет и архитектор, который решит такую задачу.

Безусловно, проектирование космической архитектуры довольно специфично, потому что необходимо учитывать много особенностей, связанных с экстремальными условиями среды. Например, нет четкой границы, откуда начинается космическое пространство. Количество воздуха и температура уменьшается постепенно по мере удаления от земной поверхности, и даже сейчас нет единой точки зрения на то, что считать началом космоса. Международная авиационная федерация считает, что эта граница пролегает на высоте в 100 км (линия Кармана), потому что там для создания подъемной аэродинамической силы нужно, чтобы летательный аппарат двигался с первой космической скоростью.

Также в космосе отсутствуют газы, из которых можно было бы получить воздух. Однако там есть отдельные атомы разных химических элементов, из которых можно получить молекулы газов, но этого недостаточно для образования воздуха. Из-за этого жидкое трение будет слабо влиять на перемещение космического корабля, поэтому нет надобности придавать космическим кораблям обтекаемую форму. А вот ракеты, необходимые для вывода корабля в космос, должны быть обтекаемыми, чтобы снизить ее сопротивление в слоях земной атмосферы.

Не менее важный аспект в космической архитектуре - размер, обусловливающий возможность выводить объект на ту или иную орбиту, околоземную или бо-

лее высокую. Этот момент нужно учитывать в процессе формирования технологической цепочки для космического архитектурного объекта. Дело в том, что сейчас мы можем только доставить в орбитальное пространство некие механизмы, устройства, уже ограниченные в своих размерах и в помещениях, которые они содержат. Примером такой последовательной модульной сборки как раз является МКС.

Проектные предложения

Оба проектных предложения находятся на геостационарной орбите Земли (далее ГСО), расположенной на высоте около 40 тысяч километров над экватором Земли (0° широты). Находясь на ГСО, станции совершают один оборот, равный периоду вращения планеты относительно звезд (звездные сутки - 23 часа 56 минут 4,091 секунды). Также обе станции разработаны с целью контакта с мусором разного размера.

The trash web

Запроектированный завод по переработке космического мусора располагается на геостационарной орбите. Для сохранения стабильного расположения этого завода в одной точке орбиты необходимо поддерживать в здании микрогравитацию, которая создается вращением объекта вокруг своей оси.

Форма здания подсказана кинетической скульптурой «Начало» художника Анатолия Волгина. Это сложно закрученная спираль с ядром в центре, опутанная множеством тонких нитей, которые показались похожими на лучи лазера. Труба спирали навела на мысль о трубе мусоропровода. Кроме того, вся скульптура вращается вокруг своей оси. Так и появился этот проект.

Придуманная система переработки мусора полностью роботизирована и не требует для своей работы наличия гравитации и присутствия людей. Для функционирования системы нужна только электроэнергия, вырабатываемая солнечными батареями, расположен-

Рис. 3. Станция по переработке мусора Toothless

ными на поверхности шарообразных функциональных модулей и на специальных установках вне поверхности здания.

В проекте задумано превращение остатков аппаратуры в псевдожидкое топливо (также используемое для работы завода), сбор и разделение драгоценных металлов из спутников (потом переправляются на Землю), переработка мусора с МКС, площадка для приема шаттлов на случай, если потребуется ремонт. Связь между различными функциональными элементами осуществляется с помощью трубы-мусоропровода. Сбор осколков осуществляется посредством выбрасываемых сетей-неводов, расположенных на поверхности этих труб. Станция оснащена системой лазерного сжигания обломков. Мусор с МКС поставляется на специальных шаттлах (рис. 2).

Проект Toothless

Представленный проект Toothless - это роботизированная орбитальная станция по сбору и переработке КМ. Ее основой являются два тора, насаженных на общий «стержень». Каждый из них вращается вокруг центральной оси навстречу друг другу, что позволяет создать искусственную гравитацию внутри объекта, а также стабилизировать его в космическом пространстве. Несмотря на отличие диаметра и площади сечения торов, они имеют одинаковую массу, что уравновешивает систему.

Работа станции производится в два этапа. Каждый из них основан на разных технологиях. Первый - это обнаружение и активный сбор мусора с помощью небольших космических аппаратов-«мусорщиков». Для объектов разных габаритов используются КА с разными способами взаимодействия. Это могут быть как физические поля при работе с малогабаритными предметами, так и арканы или сети для осколков большого размера. Второй этап работы непосредственно связан с приемом и переработкой КМ. Все необходимые технологические цепочки располагаются в «верхнем» кольце, а в «нижнем» находятся отсеки для хранения, шлюзы стыков с грузовыми КА. Методология переработки в данном проекте основана на теоретическом исследовании системы утилизации космического мусора и преобразования энергии на Международной космической станции [3, с. 9].

Работу станции обеспечивает солнечная энергия. Большая часть поверхности станции облицована солнечными батареями. Также есть еще дополнительные «малые» батареи в виде «юбки» у «нижнего» тора и «большие», расположенные в специальных отсеках, которые выдвигаются при необходимости в дополнительной энергии или для торможения.

В проекте предусмотрена возможность использования астероидов как в качестве объекта переработки, так и естественных «мусорщиков» в частных случаях (рис. 3).

Таким образом авторы могут утверждать, что проблема очистки техногенных загрязнений и переработки КМ - острая необходимость сегодня. Ресурсы не безграничны ни на Земле, ни в Космосе. Поэтому решение этой проблемы не только улучшит экологическую обстановку в ближнем космосе, но и даст толчок в развитии технологий освоения планет и дальнего космоса. Соответственно, это не только повлечет за собой формирование новых отраслей, но также может стать новым витком в промышленной космической архитектуре.

Список цитируемой литературы:

1. Горькавый, Н. Н. Проблемы экологии ближнего космоса оценки эффективности искусственной очистки / Н. Н. Горькавый. - Москва : Космосинформ, 1993. — С. 142-146.

2. Зыкова, М. И. Проблемы переработки космического мусора на околоземной орбите и пути их решения / М.И. Зыкова // Наука, образование и экспериментальное проектирование: тезисы докладов международной научно-практической конференции, 4-8 апреля 2022 г. В 2 т. Том 2. - Москва : МАРХИ, 2022. - С. 866.

3. Леонов, В. А. Исследования сгорания элементов космического мусора в земной атмосфере при телевизионном дистанционном мониторинге / В. А. Леонов, А. В. Багров. - Москва : Специальная астрофизическая обсерватория РАН, 2011.

4. Роскосмос: [официальный вебсайт]. - URL: https://www. roscosmos.ru/26238/ (дата обращения: 27.03.2019).

5. Рыхлова, Л. В. Проблема заселенности космоса объектами искусственного происхождения / Л. В. Рыхлова // Проблема загрязнения космоса. - Москва : Космосинформ, 1993. — С. 7-21.

6. Шибаева, А. И. Проблема загрязнения космоса объектами искусственного происхождения / А. И. Шибаева // Наука, образование и экспериментальное проектирование: Тезисы докладов международной научно-практической конференции, 4-8 апреля 2022 г. В 2 т. Том 2 / Московский архитектурный институт. - Москва : МАРХИ, 2022. - С. 867-868.

7. Amrith Mariappan, V. Theoretical studies on space debris recycling and energy conversion system in the International Space Station / Amrith Mariappan, V. - DOI: 10.1002/eng2.12317 // Engineering Reports. - 2021. - Vol. 3, Issue 5. - URL: https://onlinelibrary.wiley. com/doi/epdf/10.1002/eng2.12317 (date of access: 12.11.2020).

8. Aslanov, V. S. Debris removal in GEO by heavy orbital collector / V. S. Aslanov // ScienceDirect Space Policy. - 2019. - №47 -С. 194-206. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/ abs/pii/S0094576519311841 (date of access: 2019.07.21).

9. Aslanov, V. S. Debris removal in GEO by heavy orbital collector / V. S. Aslanov // ScienceDirect Acta Astronautica. - 2019. - №164. -С. 184-191. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/ abs/pii/S0094576519311841 (date of access: 21.07.2019).

10. Autonomous Space Debris Capturing System for Recycling / Bhavesh Dadhich, Rishav Guha, Saumya Shekhar, Vinayak Malhotra // IEEE Aerospace Conference, 6-13 March 2021.

11. Liou, J.-C. Risks in Space from Orbiting Debris / J.-C. Liou, N. L. Johnson. - New York : Science. - 2006, January. - Vol. 311. -Pp. 340-342. - URL: https://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/library/ sciencemag-risks-in-space-from-orbiting.pdf (дата обращения: 27.03.2019).

12. Priyant, C. Mark. Review of Active Space Debris Removal Methods / C. Priyant Mark, Surekha Kamath // ScienceDirect Acta Astronautica. - 2019. - №164. - С. 184-191. - URL: https://www. sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0265964618300110 (date of access: 12.05.2018).