Текст книги "Мусор преграждает путь в Космос."

Вадим Романов
Мусор преграждает путь в Космос

Сокращения

В настоящем издании применены следующие сокращения:

КА – космический аппарат;

КК – космический комплекс;

ДУ – двигательная установка:

КМ – космический мусор;

КО – космический объект;

КРТ – компонент ракетного топлива;

КТ – космическая техника;

ОКП – околоземное космическое пространство;

ОС – окружающая среда;

РК – ракетный комплекс;

РКД – ракетно-космическая деятельность;

РКТ – ракетно-космическая техника;

РАО– радиоактивные отходы;

PH – ракета-носитель;

РБ – разгонные блоки;

РТ – ракетная техника;

а. е. – астрономическая единица;

ЕКА – Европейское космическое агентство;

GEO – геостационарная орбита;

ECO – геостационарная орбита;

ВЭО – высокоэллиптическая орбита;

LEO– низкая земная орбита;

НОО – низкие околоземные орбиты;

ООН – Организация объединённых наций.

Введение

Нет ни мира, ни покоя, если путь греха избрал,

Ты своею же рукою сам себя и наказал:

Обратись всем сердцем к Богу, скорбь свою Ему излей,

И на новую дорогу обратись, мой друг, скорей.

По материалам “Библейского радиокласса”– “Хлеб наш насущный”

Потребности человечества в освоении космического пространства определяются необходимостью контроля за использованием природных ресурсов планеты, в обеспечении глобальности телекоммуникаций, навигации, мониторинга земной поверхности, воздушного и космического пространства. Космические средства имеют важнейшее значение в создании единого информационного пространства отдельных государств и всей цивилизации. Без присутствия космической техники в околоземном пространстве уже невозможно эффективное использование транспорта, развитие науки и образования, нельзя обеспечить надёжность и достоверность гидрометеорологических прогнозов и долгосрочное прогнозирование стихийных бедствий.

В XXI веке космическая деятельность аккумулирует передовые достижения науки и техники, стимулирует создание высокоэффективных технологий для производства продукции, конкурентоспособной на мировом рынке. Освоение и использование ОКП занимает ключевое место в геополитике и является одним из факторов, определяющих статус страны, способствует обеспечению её национальной безопасности, экономическому, научному и социальному развитию. Кроме того, космические военные средства являются важнейшей составляющей оборонного потенциала стран, обладающих доступом в ОКП и в большой Космос. Иными словами, без присутствия человека в ближнем и дальнем Космосе развитие цивилизации стало немыслимым. И всё это огромное, правильнее сказать, необозримое количество проблем и задач, политических, социальных и технических решений может быть остановлено некстати появившемся на «небосклоне» тривиальным мусором!

Что же происходит в околоземном космическом пространстве и как получилось, что факт возможной его блокировки мусором стал неожиданным, а человечество неготовым к этому вызову?

В настоящее время вокруг Земли вращается более 600 тыс. рукотворных объектов диаметром более 1 см. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), 41 % составляют различные обломки, потерянные инструменты и т. п., 22 % – это отработавшие свой срок космические аппараты, 13 % от общего числа составляют следы различных экспериментов и научных проектов, 7 % – части ракет-носителей. В то же время на функционирующие космические аппараты приходится только 7 % огромного количества отходов, связанных с освоением Космоса человечеством. Получается, что 93 % объектов, вращающихся вокруг Земли, – это бесполезный и опасный мусор, разбросанный по различным орбитам. Причём удалить его одномоментно или за небольшое время из околоземного космического пространства невозможно. Взорвав мусор в ОКП, мы не уничтожим его, а лишь увеличим его количество в виде более мелких фрагментов.

Избавление от космического и орбитального техногенного мусора возможно только при его сгорании в атмосфере. По расчётам учёных, в течение нескольких лет спуститься до её уровня могут объекты, расположенные на высоте ниже 600 км. Расположенному на высотах ~800 км мусору на это требуется десятилетия, а искусственным объектам на высотах от тысячи километров и выше – сотни лет. В создавшейся ситуации мусор закрывает дорогу в Космос. Для решения этой проблемы необходимы научные исследования и изучение мусорного феномена, начало которым было заложено экскретологией – наукой о продуктах конечного выделения природы и человеческого общества [1]. В первую очередь необходимо определиться в терминологии, тогда можно надеяться на возможность научного определения изучаемых объектов, исключающую их неоднозначную трактовку и понимание.

В природоохранной, а точнее сказать в экскретологической деятельности сложилась ситуация, когда специалисты различных областей знаний понимают первичные определения неодинаково – одни очень узко, другие чрезмерно широко, произвольно заменяя одни объекты другими. Это относится к таким экскретам как отходы, отбросы и мусор. А ведь необходимо, – "чтобы новые определения согласовались с теми, которые положены в основу науки, и чтобы одинаковые термины сохраняли всегда один смысл". Иначе о какой "основе" и о какой "науке" вообще может идти речь? Узкие специалисты не понимают друг друга, они не имеют общего для всех языка. Он раздроблен на множество течений, учений и школ и применяется узковедомственно. Такого беспорядка нет даже в астрологии, которую немногие признают за науку. В разных публицистических и научных изданиях авторы одни и те же объекты называют то мусором, то отходами, то отбросами. Понятие мусора в справочниках найти непросто, а если оно там приведено, то путано и противоречиво [1].

Возникла парадоксальная ситуация – отбросы, мусор, мусорные свалки и полигоны есть, а самих этих объектов как бы и нет! Они присутствуют только в некоторых словосочетаниях (например, мусороприёмник, мусоровоз, космический мусор) или в просторечии. Нет таких определений, как мы выяснили ранее, и в научной справочной литературе.

В Большой Медицинской Энциклопедии [42] также всё, от чего избавляется человек в процессе жизнедеятельности «свалено в кучу», но называются эти объекты не отходами, как в российских федеральных законах, а отбросами.

Подробно этот вопрос обсуждается в нашей книге [1], где предлагается логически непротиворечивая терминология мусорных объектов на основе понятия экскретов.

Что касается космонавтики и смежных с ней областей знаний, то авторы многих изданий используют понятие «космического мусора» к любым вышедшим из строя техногенным объектам, их фрагментам и разрушенным при авариях изделиям и частицам. Например, в Национальном стандарте «Изделия космической техники» (ГОСТ Р 52925-2008)» [43] в разделе 3.7 космический мусор определяется так: «Все находящиеся на околоземной орбите космические объекты искусственного происхождения (включая фрагменты или части таких объектов), которые закончили своё активное функционирование». Это определение нуждается в уточнении, так как к Космосу эти объекты никакого отношения не имеют и должны быть отнесены либо к отходам, либо к техногенному мусору. В разделе 6 Федерального ГОСТа [43], кроме того, используется понятие «твёрдого мусора». Что это такое, в этом документе не разъясняется…

Основным результатом этой книги является не столько космическая научная и познавательная её направленность, а в первую очередь выяснение феномена орбитальных мусорных объектов. Всё, что бездумно называют «космическим мусором», на самом деле следует подразделить на совершенно разные объекты – разные как в физическом, так и в функциональном планах. В первом разделе книги даются понятия и определения объектов, используемых в экскретологии. Вопросы классификации орбитальных экскретов на орбитальные отходы, орбитальный техногенный мусор, орбитальные отбросы и орбитальный космический мусор приведено в разделах 2^6 нашей книги.

В седьмом разделе книги на основе литературных данных обсуждаются возможности и способы избавления от орбитальных мусорных экскретов.

Последний восьмой раздел книги посвящён рассмотрению и анализу кризиса космонавтики, который может наступить при сохранении прежних принципов и методов освоения космического пространства. В приложениях к книге приводятся данные о экскретах и порождаемых ими проблемах, а также выдержки из «Национального стандарта» по требованиям к космическим средствам ограничения техногенного засорения ОКП. Краткий тематический словарь поможет разобраться в разнообразных терминах и определениях, а многочисленные иллюстрации зримо представить, недоступную для обозрения на поверхности Земли космическую технику.

1. Понятия и определения, используемые в экскретологии

Экскретология как наука, изучающая преобразования с продуктами выделений и отторжений общества и природы, к настоящему времени ещё полностью не сформировалась, поэтому вопросы терминологии являются чрезвычайно важными. Ниже приведены кратко основные понятия и определения, используемые в «мусорном» блоке экскретологии.

Ввиду особой актуальности и важности отходов, отбросов и мусора для жизни общества этот блок требует отдельного рассмотрения (выделен пунктиром на Рис. 1.1.). Изучению объектов этого блока применительно к объектам космонавтики, в сущности, и посвящена наша книга.

Более детально, с разделением на природные и антропогенные, сведения об экскретах приведены в нашей книге «Начала экскретологии» [1].

Экскретология и экскреты

Экскретология (от латинского excretum – выделенное) – наука о выделениях и отторжениях, выбросах, потерях и удалениях антропогенных (связанных с человеком и его деятельностью) и природных объектов, их возникновении, трансформации, возможной утилизации, использовании и уничтожении. Такими объектами – экскретами – являются конечные продукты деятельности человека и других живых организмов, а также вещества и продукты, возникающие при различных – как правило экстремальных – природных процессах. Рассматриваются материальные объекты в виде физических тел. О нематериальных экскретах смотри в Приложении книги [1].

Рис. 1.1. Схема классификации выделяемых природой и обществом объектов как составных частей экскретологии. «Мусорный» блок экскретов выделен пунктиром

В широком смысле экскретами являются любые естественно-природные и антропогенные объекты, закончившие свой жизненный цикл, выделенные и/или отторгнутые организмами (в том числе и общественными), выбрасываемые за ненадобностью или уничтожаемые каким-нибудь способом.

В справочной литературе (например, в словаре русского языка Д. Н. Ушакова [2]) понятие отторжения определяется так:

«Отторгать —, отторгнуть что от чего, оторвать, отделить дергая, порвав; отодрать, отнять силою». В нашей книге процесс отторжения трактуется более расширенно и предполагает:

а). для живых организмов – выделение, отделение и изоляцию от привычных биогеоценозов в том числе со смертельным исходом;

б). для неорганических объектов – выделение, отделение, изоляцию от первоначального физического тела, потерю или выбрасывание, деструкцию или уничтожение.

Классификации выделяемых природой и обществом объектов как составных частей экскретологии представлена на схеме Рис. 1.1.

Элементы экскретологии – это отходы, мусор, отбросы, а также утраты, находки и потери, виктимы и девиаты. В этом разделе книги выясняется какой смысл вкладывается в определение этих объектов.

Можно сказать, что экскретами являются все материальные объекты природных сред и человеческого общества, отслужившие «свой срок», закончившие жизненный цикл или появившиеся (возникшие) при деструктивных, катаклизменных или катастрофических явлениях.

Классификация экскретов по принадлежности к природным или антропогенным приведена на схеме Рис. 1.2. Подробно о «немусорных» экскретах: потерях, находках, виктимах, утратах и девиатах можно прочитать в нашей книге [1].

Рис. 1.2. Схема классификации экскретов по принадлежности к природным или антропогенным

Отходы

Часто не только на бытовом уровне, но и в публикациях отходы отождествляют с мусором, что приводит к путанице и неразберихе.

Понятие отходов является базовым не только для экскретологии, но и для смежных наук, посвящённых охране и защите природы, тем важнее дать ему правильное и однозначное определение. В политехническом словаре [3] отходы производства определены как остатки основных и вспомогательных материалов, образующиеся в производственном процессе. Такое толкование понятия отходов слишком узкое. Оно не включает в себя возможные непроизводственные отходы: бытовые, сельскохозяйственные, медицинские и отходы многих других сфер приложения человеческого труда.

Более общее и расширенное определение этого понятия даётся в словаре-справочнике [4]:

– Отходы – непригодные для производства данной продукции виды сырья, его неупотребимые остатки или возникающие в ходе технологических процессов вещества (твёрдые, жидкие, газообразные) и энергия, не подвергающиеся утилизации в рассматриваемом производстве (в том числе с.-х. и в строительстве). Отходы одного производства могут служить сырьём для другого. Как правило, в категорию отходов не включают природные вещества, неявно используемые в технологических циклах, – воздух, его кислород, проходящую «транзитом» воду и т. п. Нередко не учитываются и энергетические отходы…

Приведённое выше определение заранее предполагает наличие некоторого производственного процесса и не охватывает другие области человеческой деятельности. Например, для бытовых отходов можно использовать следующее определение.

Отходы – произведённые человеком вещества, тела, продукты и объекты, потерявшие потребительские свойства и не пригодные для использования по прямому назначению. Однако это не означает, что их нельзя использовать для каких-нибудь других целей, например, утилизируя ценные компоненты или вещества.

Востребованные отходы – вторичное сырьё.

Невостребованные отходы представляют собой ненужный хлам, отправляются на свалку или уничтожаются.

Мусор

В справочной литературе понятие мусора вероятно из-за его многоликости и сложной идентификации даётся крайне редко; в словаре-справочнике [4] он определяется так:

«Мусор – совокупность твёрдых бытовых отходов и отбросов, образующихся в бытовых условиях. Синоним: твёрдые бытовые отходы. Мусор включает стекло, металлы, кости, дерево, бумагу и пр.».

Такое же определение имеется и в словаре [5].

При критическом рассмотрении это определение не выдерживает ни какой критики, тем не менее оно получило широкое повсеместное распространение и имеет аббревиатуру ТБО. Не понятно, почему мусор – только бытовые отходы, и о какой «твёрдости» может идти речь, когда видишь на мусорке тряпьё, ветошь, пластиковые плёнки и другие совсем не жёсткие выброшенные предметы и вещи. Кроме того, не любая совокупность твёрдых бытовых отходов является мусором – некоторые после «доработки» успешно используются в хозяйстве, а биологические отходы могут быть утилизированы и превращены в ценное удобрение.

На бытовом уровне мусор определяют как отбросы, сор [6]. Отброс – негодный остаток чего-нибудь, сор – мелкие сухие отбросы, мелкий мусор [там же].

В общем случае мусором могут быть названы произведённые человеком твёрдые или условно твёрдые предметы, вещества, продукты, потерявшие потребительские свойства и невостребованные отходы, выбрасываемые или уничтожаемые им за ненадобностью, а также твёрдые или условно твёрдые предметы, вещества, продукты, возникающие в природных средах после разрушения её объектов при катаклизмах, катастрофах или авариях, захламляющие, загрязняющие или отравляющие природные среды, нарушающие нормальную (установившуюся) жизнь биологических объектов.

Понятие твёрдого или условно твёрдого предмета, вещества или продукта в этом определении означает, что рассматриваемые объекты не жидкие и не газообразные, а относятся к твёрдой фазе. Твёрдое тело характеризует агрегатное состояние вещества со стабильностью формы в виде кристаллических или аморфных объектов [7], а понятие твёрдости характеризует сопротивляемость вдавливанию или царапанию [8]. Строго говоря, любое тело при достаточном охлаждении становится твёрдым.

При нормальных условиях примерами твёрдых тел могут быть металлы, соединения металлов с неметаллами (металлиды), некоторые минералы. Примерами твёрдых аморфных тел служат стекло и изделия из него, янтарь, смолы, битумы и полимеры [7]. При экскретологических исследованиях наряду с понятием твёрдого тела целесообразно использовать понятие условнотвёрдого тела как мерило содержания в нём влаги (в основном воды). На практике именно водность (влажность) выбросов является определяющей характеристикой при рассмотрении их классификации и динамики в природных средах.

Влажность определяется как отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе (реже к объёму) материала в сухом состоянии и выражается в процентах. При этом массу материала берут в естественном влажном, а не в насыщенном водой состоянии.

Вычисляют массовую влажность W_m и объёмную W₀ по формулам (%):

W_m=((m₂-m₁)/m₁) × 100;

W₀=((m₂-m₁)/V) × 100,

где

m₁ и m₂ – масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, [г];

V– объём материала в сухом состоянии, [см³].

Понятие условнотвёрдого тела можно конкретизировать применительно к мусору, произведённому человеком – антропогенному мусору, и возникающему в природе – естественно-природному мусору или сокращённо природному мусору. Подробно эти вопросы рассмотрены в разделах 2.1.3. и 2.2.2. нашей книги [1].

Антропогенный мусор, как правило, имеет сложный состав, то есть является гетерогенной смесью. Он состоит в основном из твёрдых веществ с некоторыми количествами жидкостей и газов. Они представлены в объёме выброса в разных долях и комбинациях. Природный мусор часто однороден и может моделироваться гомогенным выбросом.

В природные среды отходы, отбросы и мусор попадают, как правило, в виде выбросов, в которых загрязняющие вещества представляют собой смесь твёрдых тел, жидкостей и газов. Характеристикой, определяющей принадлежность выброса к объектам мусора, является, очевидно, степень его «твёрдости», то есть доля твёрдого вещества в нём. Опишем эту характеристику математически [1].

В общем случае масса М компактного объёма разнофазной смеси загрязняющих веществ выброса может быть записана в следующем виде:

М = Мт + Мж + Мг, (1)

где

Мт, Мж, Мг – соответственно, масса твёрдой, жидкой и газообразной его составляющих.

Вводя массовые концентрации отдельных фракций выброса с помощью выражений:

α = Мт/М;

β = Мж/М;

γ = Мг/М,

можно формулу (1) представить так:

1 = α + β + γ.

Откуда выражение для доли твёрдой фазы в выбросе записывается в следующем окончательном виде:

α=1-β-γ. (2).

При получении этих соотношений предполагалось, что выброс представляет собой компактный объём с примерно равномерным распределением в нём различных компонентов, а его газовая составляющая γ – это смесь воздуха с газами, выделяющимися из твёрдой и жидкой фаз.

Соотношения параметрова, β и γ в каждом конкретном выбросе загрязняющих веществ определяют его плотность («твёрдость») и следовательно принадлежность к одной из трёх категорий мусорных отходов: твёрдым, жидким или полужидким. Причём, объект является мусорным при

α ≥ α*,

где

α* – критическое значение массовой плотности загрязняющего выброса, задаваемое из физических или технологических соображений.

Необходимо отметить, что из-за слабой разработанности экскретной тематики в нашей стране эти термины нельзя считать устоявшимися и имеющими конкретные числовые значения. Для примера можно рассмотреть состояние этого вопроса в одной из наиболее «продвинутых в мусорном отношении» стран – в США, где традиционно используется классификация мусора на основе различных числовых значений записанных выше параметров.

При рассмотрении выбросов загрязняющих веществ в виде смесей твёрдых тел и жидкостей "твёрдыми отходамиАзоИй waste в США считаются «материалы, содержащие менее 70 % воды» [31], то есть со значением коэффициента

β < 0,7 (α* = 0,3).

При учёте формулы (2) и значения = 0,3 приходим к соотношению, определяющему твёрдость выброса, то есть принадлежность его к мусорному объекту. Оно записывается так:

α + γ ≥ 0,3. (3)

Из соотношения (3) следует, что при массовом содержании твёрдого вещества и газов в выбросе, превосходящем 30 %, его следует причислить к «твёрдым отходам» (в России – ТБО).

Если пренебречь газовой составляющей γ (на практике почти всегда присутствие газа в твёрдофазных и жидкостных выбросах носит «следовый» характер), то есть считать, что α < 1 то, приходим к приближённой оценке «твёрдости» мусорных отходов:

α ≥ 0,3. (4)

Таблица № 1.2.

Содержания воды в физических телах при влажности окружающего воздуха 80 % [119]и соответствующие значения параметра α

«Жидкими отходами» liquid waste признаются отходы, содержащие менее 1 % твёрдого вещества, то есть при

α <0,01 (β + γ > 0,9). (5)

Существуют также «полужидкие отбросы»sludge, содержащие от 3 % до 25 % твёрдых материалов:

0,25 ≤ а ≥ 0,03. (6)

(Неопределенность числовых значений этого параметра в диапазонах концентраций от 1 % до 3 % и от 25 % до 30 % – на совести авторов публикации [8]). Области определения параметра а представлены на рисунке 1.3.

Природный мусор универсальный и носит неизменный характер независимо от географических, метеорологических или временных характеристик исходных объектов. В отличие от него антропогенный мусор многолик, неоднозначен и носит индивидуальный характер. То, что является мусором для одного предприятия или человека, может представлять потребительский интерес для других объектов. Кроме того, такой мусор по-разному может пониматься и восприниматься в различных географических местах, в разных социальных группах и в различные исторические времена. Таким образом, строго говоря, понятие антропогенного мусора является весьма неопределённым и расплывчатым и трактуется применительно к конкретной обстановке.

Рис. 1.3. Области определения параметра «твёрдости» выброса загрязняющих веществ: I– жидкие отходы; II-полужидкие отбросы; III– твёрдые отходы (мусор).

Отбросы

Ещё одним элементом экскретологии – экскретом является понятие отброса (отбросов). Рассмотрим его содержание.

Например, в словаре-справочнике [4, 9] написано:

Отбросы: 1). Несъедобные или по другим причинам непригодные для дальнейшего использования пищевые продукты и предметы быта, выбрасываемые на свалку;

2). неутилизируемые бытовые и с.-х. компоненты (говорят об отбросах животноводства);

3). неиспользуемые в настоящее время отходы. Правильнее говорить о бытовых отбросах, промышленных и с.-х. отходах, включая в это понятие и отходы строительства.

Приведённое выше определение отбросов получилось громоздкое, противоречивое и трудно понимаемое. Почему неутилизируемые бытовые и с.-х. компоненты – считают отбросами, а утилизируемые разве не отбросы?

Кроме того, из приведённого выше определения довольно трудно уловить общее у картофельных очисток в мусорном ведре, отбросов животноводства (например, навоза) с битым кирпичом на стройке или металлической стружкой от токарного станка. Общее у них только то, что от них хотят избавиться!

Целесообразно было бы оставить только часть формулировки работ [4, 9] об отбросах как о выбрасываемых биологических объектах. Тогда можно провести непротиворечивую классификацию мусорных объектов, обоснованно и разумно организовать их раздельный сбор и утилизацию…

Предложим понятие отбросов в широком смысле слова, а не только применительно к человеческой деятельности, учитывая наработки других литературных источников.

Отброс – «всё, что откинуто, отброшено куда по негодности» [10], негодный остаток чего-нибудь [11]. Отбросами являются, в первую очередь, продукты жизнедеятельности живых организмов. В общем случае к отбросам можно отнести:

– отходы продуктов питания при приготовлении пищи и несъедобная пища;

– отходы жизнедеятельности человека и других живых существ (кал, моча, слёзы, слизи, слюни, сопли, серные образования в ушах, выделения желез внутренней секреции, кишечные газы, выдыхаемый воздух и т. п.);

– отмершие или выпавшие роговые, хитиновые или костные образования (выпавшие зубы, волосы, перхоть, ногти, рога, копыта…);

сменяемые кожные покровы или их части (куколки при линьке насекомых, кожа при линьке пресмыкающихся, фрагменты кожи (болячки) при заживлении ран у млекопитающих;

– опадающие листья, увядшие соцветия, обломившиеся опавшие веточки и другие естественно сменяемые объекты флоры;

– погибшие естественной смертью объекты флоры и фауны (за исключением утрат).

Отбросы объектов флоры и фауны необходимы для нормального функционирования биоценозов – совокупности животных, растений и микроорганизмов, населяющих различные участки среды их обитания с примерно однородными условиями жизни. Поэтому отбросы живых организмов в среде их проживания не мусор, а важная составная часть биоценоза, вне среды их обитания отбросы на бытовом уровне рассматриваются как мусор.

Что касается антропогенной составляющей отбросов, то она соответствует определению мусора, являясь его частным случаем (фактически отбросы – это биологический мусор). Ввиду практической важности и массовости отбросов – как природных, так и связанных с деятельностью человека, – они выделены совместно с мусором в качестве отдельного экскретного элемента (смотри схему Рис. 1.1.).

Кратко отбросы можно определить так:

1). несъедобная пища и пищевые остатки;

2). продукты выделений живых организмов и их тела после естественной гибели (кроме утрат).

Отбросы являются необходимым звеном процессов существования живых организмов.