Текст книги "Юный техник, 2006 № 08"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Наведем порядок на орбите?

За последние десятилетия на орбите скопилось немало космического мусора – обломков ракет-носителей, вышедших из строя спутников… Собираются ли что-то с ними делать?

Алексей Смирнов,

г. Санкт Петербург

Охота за шпионами

Недавно астрономы Пулковской обсерватории удивили специалистов всего мира, обнаружив в туче космического мусора на орбите два спутника-шпиона, старательно запрятанных туда американцами. Те справедливо полагали, что среди многочисленных обломков никто не заметит объектов размерами не более нотной тетради каждый. Однако наши специалисты сумели-таки выявить шпионов. Американцам оставалось лишь развести руками и согласиться» что пулковские астрономы – одни из лучших в мире.

Однако наши астрофизики не гнались за похвалой. Их больше беспокоит то обстоятельство, что Пулковская обсерватория, основанная еще в 1839 году и заслужившая авторитет точностью своих измерений, постепенно остается не у дел. Само ее расположение – на севере, где не часто бывают безоблачные ночи, в пригороде Санкт-Петербурга, ночное освещение улиц и проспектов которого дополнительно мешает наблюдениям, ведет к тому, что вскоре обсерватория может стать бесполезной. К тому же инструменты обсерватории давно не обновлялись и сейчас представляют разве что исторический интерес. Вот специалисты Пулкова и нашли себе дело, имеющее практическое значение.

Астрономы Пулковской обсерватории стали настоящими детективами.

Свистят они, как пули у виска…

Свалка же на орбите образовалась из-за того, что начиная с первых космических полетов в космос вместе с полезной нагрузкой выводятся еще и части ракет-носителей, обтекатели, пустые баки и т. д. Оставленные без присмотра, они время от времени сталкиваются друг с другом, дробятся. И со временем на орбите образовался целый рой космических обломков, начиная с микроскопических и кончая крупными, диаметром в несколько метров.

Однако из-за того, что эти обломки имеют скорость порядка 8 км/с, столкновение даже с самыми незначительными из них несет серьезный риск. Сантиметровый обломок металла способен нанести разрушения, сравнимые со взрывом артиллерийского снаряда, утверждают специалисты.

Между тем даже лучшие радары способны засечь обломок величиной не менее 10 см. Поэтому, несмотря на то что бортовые радары неустанно прочесывают пространство на 50 км впереди движущегося «шаттла», риск столкновения все же существует. Правда, за полувековую историю космических полетов пока зафиксирован лишь один случай достоверного выхода из строя спутника из-за столкновения с обломком на орбите – в 1995 году французский спутник-шпион «Сириус» столкнулся с фрагментом ракеты-носителя и вышел из строя.

Однако замечено, что те же «челноки» практически из каждого полета возвращались с царапинами на стеклах и выбоинами на обшивке. Еще 20 лет тому назад, на третий день первого полета космического «челнока», капитан Фредрик Хокк из кресла второго пилота заметил, как в толстом лобовом стекле появилась темная точка и от нее разбежалась тонкая паутинка микротрещин.

Уже на Земле анализ показал, что в точке содержатся следы алюминия и титана. Судя по всему, в стекло ударил крошечный кусочек облупившегося лакокрасочного покрытия с какой-то ракеты. Если бы кусок был массивнее, стекло могло не выдержать, заключили эксперты. Причем в будущем угроза таких столкновений существенно возрастет, так как число спутников на околоземных орбитах быстро увеличивается. А с ними случается всякое. Так, 21 ноября 2000 года российский спутник «Космос-2367» рассыпался всего в 30 км от между народной космической станции.

Мусорят в космосе, сжигают в атмосфере…

«Если мы ничего не предпримем в ближайшие десятилетия, – говорит Николас Джонсон, возглавляющий сектор исследований космических обломков в Хьюстоновском центре космических полетов имени Джонсона, исправлять положение будет сложнее. Нам необходимо подумать о том, как прекратить засорение космического пространства, найти какие-то способы уборки уже имеющегося мусора»…

В самом деле, если в 1961 году службы слежения обнаружили только 50 ракетных обломков, то сейчас их насчитывается уже более 10 000. И это только тех, что имеют более 10 см в поперечнике. Счет же обломкам от 1 до 10 см можно вести на сотни тысяч.

Сегодня эксперты рассматривают несколько вариантов возможного исправления ситуации. Карстен Видеман, эксперт Института аэрокосмических исследований при Брауншвейгском техническом университете, например, полагает, что самое важное – это не допустить дальнейшего накапливания обломков на орбите, иначе в скором будущем полеты на низких околоземных орбитах станут попросту технически невозможными.

Пытаясь уменьшить опасность столкновения, исследователи сейчас предлагают остатки ракетного топлива, остающегося в последних ступенях ракет-носителей, выбрасывать в космос, где оно должно распылиться. Необходимо также заблаговременно разряжать батареи посредством их короткого замыкания. Ведь большая часть мусора, как показывает статистика, образуется как раз в результате незапланированных взрывов при столкновении ступеней ракет и прочих космических объектов между собой.

Чтобы обнаруживать подобные объекты и обломки как можно раньше и в большем объеме, Видеман предлагает вывести на орбиту специальные телескопы, которые смогут идентифицировать обломки величиной даже в несколько миллиметров, практически неразличимые с Земли.

Требуются космические… мусорщики

Для очистки приземного пространства от уже имеющегося космического мусора на орбиту хотят запустить несколько роботов-мусорщиков, каждый из которых снабжен щупальцами наподобие осьминога. Диаметр охвата таких щупалец составит около 14 м.

По словам Саши Махала, сотрудника штутгартской фирмы OAF Sisterns, при подлете к объекту робот сначала вычислит оптимальную позицию для захвата. Поскольку большинство объектов в космосе беспорядочно вращается, робот, захватив объект своими щупальцами, затормаживает его. После этого производится дальнейшее сближение и стыковка робота с объектом при помощи автопилота.

После того как добыча надежно заарканена, спутник включит собственные маневровые двигатели и транспортирует добычу на другую орбиту. В зависимости от конкретных обстоятельств она может проходить либо значительно выше нынешней (и тогда объект останется в космосе навечно), либо, напротив, орбита будет выбрана такой низкой, чтобы обломок в ближайшее время сгорел в плотных слоях атмосферы. После этого робот выпустит добычу из щупалец и покинет «орбитальное кладбище», чтобы начать охоту за новым объектом. Ведь ионный двигатель такого робота рассчитан на 30 подобных операций.

В настоящее время ведутся работы по созданию демонстрационной модели подобного робота-мусорщика. Если испытания пройдут удачно, космический мусорщик будет запущен на орбиту через 3–4 года.

Пока же наши специалисты предлагают изыскать пользу из создавшегося положения. Согласно одному из проектов, тучами измельченного мусора можно прикрыться от прямого солнечного излучения и таким образом смягчить последствия начавшегося глобального потепления. Так что и от космического мусора может быть польза…

Станислав СЛАВИН

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
«Лунный тормоз»

Издавна человечество обеспокоено появлением новых и расширением старых пустынь. Причин их образования много. В частности, как полагают американские исследователи, появлению новых пустынь способствует и… Луна.

Как известно, Луну на ее орбите удерживает сила притяжения Земли. Однако, в свою очередь, и наш спутник притягивает Землю. Поэтому все, что находится на ночной, обращенной к Луне стороне нашей планеты, становится несколько легче. В результате притяжения Луны в Мировом океане, а также на суше возникают приливные горбы.

Когда мы наблюдаем, как приливная волна набегает на морской берег или проникает в низовье реки, то мы обманываемся: в действительности же приливные горбы остаются на месте, не изменяя своего положения относительно Луны. Но поскольку сама наша планета имеет суточное вращение вокруг собственной оси, происходит перемещение приливных горбов по ее поверхности.

При этом из-за энерции перемещение приливного горба, как по воде, так и по суше, отстает от вращения Земли примерно на четверть оборота. И эта дополнительная «горбовая масса» вызывает незначительное торможение Земли. «Лунный тормоз» безотказно срабатывает в течение многих миллионов лет, увеличивая продолжительность каждого последующего дня. Правда, речь здесь идет о таких ничтожных долях секунды, непосредственное измерение которых даже не представляется возможным. Однако в космическом интервале времени выясняется, что эффект торможения все же чувствуется.

Так, у окаменевших кораллов, живших в океане 400 млн. лет назад, ученые обнаружили структуры, которые они назвали «суточными кольцами». Причем на каждый год их, таких колец, приходится 395. Поскольку же продолжительность года – периода, за который Земля совершает один оборот вокруг Солнца, – с тех пор, по-видимому, не изменилась, то следует сделать вывод, что в то время в сутках было только 22 часа. А так как «лунный тормоз» действует постоянно, то длительность суток будет по-прежнему несколько возрастать. И через многие миллиарды лет, очевидно, наступит момент, когда больше не будет наблюдаться разногласия между вращением Земли и приливными горбами. Тогда Земля окажется постоянно обращенной к Луне одной и той же стороной. С освещаемой Солнцем стороны Земли горячие воздушные массы будут с постоянно высокой скоростью двигаться к ее холодной ночной стороне. В итоге на земном шаре будут беспрерывно бушевать пылевые и песчаные бури.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

Про ластик и… Вселенную

Присмотритесь к ручке или ластику на своем письменном столе. Казалось бы, что может быть обыденнее?..

Но в электронный микроскоп видно, что он представляет собой сообщество молекул. А с помощью еще более тонких физических методов можно убедиться, что молекулы состоят из атомов, а те, в свою очередь, из еще более мелких частиц. Но почему, собственно, частиц? Почему мы не ставим перед этим словом приставку «анти»?

Вопрос этот издавна требует ответа.

Где Зеркало с Зазеркальем

Еще в начале прошлого века теоретики выдвинули концепцию: Вселенная родилась в результате так называемого Большого взрыва. То есть, говоря иначе, в некоем месте примерно 14 млрд. лет тому назад взорвалось нечто. Откуда оно взялось, если раньше там не было ничего, почему оно взорвалось – неизвестно.

Много непонятного и в дальнейшем развитии событий. После того как взрыв произошел, по идее должно было образоваться примерно одинаковое количество частиц и античастиц. Природа ведь любит равновесие.

Если есть левозакрученные молекулы, то обязательно существуют и те, что закручены вправо. Если бросать монетку, то рано или поздно можно убедиться, что «орел» и «решка» выпадают примерно поровну…

Однако из экспериментов на ускорителях известно, что частицы и античастицы при взаимном сближении вступают в реакцию аннигиляции, то есть взаимно уничтожаются, а вся их масса преобразуется в энергию излучения. И будь во Вселенной с самого начала поровну частиц и античастиц, вся Вселенная, не успев родиться, сразу бы исчезла.

На практике, впрочем, частиц материи оказалось почему-то больше, чем антиматерии. Причем настолько, что их хватило на образование галактик, звезд, планет и вообще всего, что наблюдается в окружающем нас мире.

Это, конечно, замечательно. И все же непонятно, почему одному виду материи было отдано столь явное предпочтение.

Теоретики нашли выход из этого парадокса, предположив, что, кроме нашего мира, где-то во Вселенной, словно в противовес ему, существует еще один, симметрично-зазеркальный, где место частиц нанимают античастицы, вместо правой стороны предпочтение отдается левой…

В 50-е годы прошлого столетия эксперименты на ускорителе дали косвенные подтверждения этого предположения.

«Почтальон» с той стороны?

Казалось бы, на том можно и успокоиться. Однако физиков, словно Алису из известной сказки, занимал вопрос: «Можно ли проникнуть в Зазеркалье?» Или, говоря иначе, сообщается ли «тот» мир с «этим»?

Алиса, как известно, попала в Зазеркалье просто: шагнула в зеркало. У физиков такой возможности нет. Более того, возможно, границы не существует вовсе. В ходе лабораторных экспериментов им удалось обнаружить частицы, с огромной частотой превращающиеся в свои собственные антиподы и возвращающиеся в прежнее состояние.

Речь идет о Bs-мезонах – представителях класса частиц, участвующих в так называемых сильных взаимодействиях. Поначалу думали, что это, возможно, ошибка эксперимента. И для проверки первоначальных результатов был затеян международный эксперимент DZero, объединивший 700 физиков из 90 институтов в десятках стран мира. И вот весной 2006 года выяснилось: Bs-мезон действительно переходит из состояния материи в антиматерию с частотой более 20 триллионов раз в секунду.

Впрочем, достоверность полученных результатов оценивается лишь в 90 %. Для полноценного же научного открытия достоверность результата должна составлять, по крайней мере, 99,99995 %. Поэтому на ускорителе «Теватрон» в США планируется провести вскоре дополнительные исследования.

Стабильностью и не пахнет?..

Пока экспериментаторы готовятся к продолжению опытов, теоретики ломают себе головы, пытаясь объяснить полученные результаты. Ведь они противоречат многим нынешним теоретическим моделям, могут повлиять на представления об окружающем нас мире.

Вспомним о том же ластике, упомянутом в начале статьи. На первый взгляд он весьма стабилен и покоится на достаточно твердом столе. Однако на самом деле, как уже говорилось, и ластик, и стол состоят из молекул. А те из атомов, составляющих кристаллическую решетку твердого тела. Причем решетка только так называется; на самом деле никакого переплетения прутьев нет, а сами атомы непрерывно колеблются в результате тепловых флуктуаций.

А что происходит внутри атома? Вокруг ядра снуют по своим орбитам электроны. Да и внутри его не так уж спокойно; иногда ядра могут самопроизвольно раскалываться…

В общем, мир наш и так был далек от стабильности. А теперь еще выясняется, что некоторые (а может, и все?) его частицы еще имеют возможность с огромной частотой превращаться в свои антиподы и возвращаться в исходное состояние. Так что «покой нам только снится»…

Причем по мере углубления наших знаний о микромире его относительная нестабильность только увеличивается. Скажем, в начале XX века устройство того же атома представляли аналогичным Солнечной системе: вокруг ядра-светила вращались по своим орбитам электроны-планеты. Затем выяснилось, что электроны уподоблять микро-планетам нельзя. Во-первых, потому, что их вещество и энергия «размазаны» сразу по всей орбите и не могут быть, согласно принципу неопределенности, определены однозначно. Во-вторых, сами электроны представляют собой, согласно принципу дуализма, то ли частицы, то ли волны…

А дальше – еще сложней. В конце XX века возник вопрос о том, верно ли мы понимаем строение всей Вселенной. В ней вдруг обнаружились скрытые материя и энергия, да еще в каком количестве? На них, говорят, приходится около 95 % всей массы окружающего нас мира! Да и сами планетные системы, звездные галактики, похоже, как и ластик на столе, стабильны лишь на первый взгляд…

Конечна или бесконечна?

И дело не только в том, что во Вселенной все время происходят какие-то процессы: сталкиваются галактики, взрываются сверхновые, черные дыры поглощают материю и энергию, а квазары, напротив, ее исторгают…

Космологи задались еще и вопросом, конечен или бесконечен в пространстве наш мир. Новый всплеск споров на эту тему породили данные, полученные космическим зондом «Уилкинсон». Он фиксирует флуктуации температуры – своего рода рябь (отклонения от среднего уровня) на поверхности «океана» реликтового микроволнового излучения, заполняющего Вселенную с момента Большого взрыва.

Другими словами, реликтовое излучение – это своеобразное «эхо» Большого взрыва. Причем, как показывает теория, если Вселенная бесконечна, то флуктуации должны иметь не ограниченные по своим масштабам размеры – от самых мельчайших до самых огромных. Однако, как показывают замеры космического зонда, в действительности наблюдается некое ограничение флуктуаций, что свидетельствует о конечности размеров Вселенной.

Так что, по мнению американского астрофизика Дж. Уикса, Вселенная имеет не слишком большие размеры, но вводит ученых в заблуждение относительно ее масштабов и возраста. В ней существуют, например, некие пространственно-гравитационные эффекты, позволяющие нам видеть, словно в поставленных друг напротив друга зеркалах, многократно отраженные изображения одних и тех же галактик.

Мудрецы в одном тазу

Кстати, впервые о том, что наша Вселенная представляет собой некий ограниченный объем, заговорил еще в 20-е годы прошлого века петербургский теоретик Александр Фридман. А в 70-е годы XX века наш математик А. Марков показал, что подобные миры-сферы – ученый в честь Фридмана назвал их фридмонами – вполне могут существовать па самом деле. Причем снаружи фридмон может выглядеть маленьким, словно атом, а изнутри – огромным, как наша Вселенная.

Парадокс?.. Да, с точки зрения наших обыденных представлений. Однако не забывайте, что мы в основном оперируем понятиями трехмерного мира, а наша Вселенная по представлениям теоретиков многомерна, причем число измерений стремится к бесконечности, какие еще «чудеса» могут существовать в таком мире, ученым еще только предстоит выяснить.

Например, по мнению члена-корреспондента РАН Алексея Старобинского и его коллег, вполне возможно, что Вселенная существовала и до Большого взрыва. Только состояла она тогда целиком из первичной темной энергии. Часть ее оказалась неустойчивой, а потому и взорвалась. При этом возникла обычная материя, начались процессы зарождения галактик…

И это еще не все… Возможно, что наша Вселенная – всего лишь ничтожная часть неизмеримо большего мира. В нем таких вселенных, как наша, – великое множество. Они булькают, подобно мыльным пузырькам, в некоем огромном тазу, где идет большая стирка. И когда одни пузырьки-вселенные лопаются, им на смену возникают другие…

Но если взять такую модель за основу, возникает резонный вопрос: кто ведет стирку в этом супервселенском тазу? Ответ на этот вопрос знают люди верующие. «Это дело божье», – говорят они.

Ученые-материалисты с таким суждением не согласны. Но поскольку достоверной теории предложить пока не могут, среди обсуждаемых гипотез есть и такая: наш мир, дескать, родился в результате эксперимента, который ведет в своей лаборатории некая Сверхцивилизация.

В общем, споры о происхождении Вселенной и ее устройстве, похоже, по-настоящему только разгораются. И какими еще открытиями они нас удивят, ученые и сами предсказать не могут.

Максим ЯБЛОКОВ

Живые махолеты

Пчелы, как и майские жуки, и некоторые другие насекомые, летать не должны, утверждали исследователи в первой половине XX века, опираясь на известные им законы аэродинамики. Однако мохнатые летуны порхают и порхают над цветами в свое удовольствие. И лишь недавно ученые смогли разгадать их секрет, сообщает журнал Scientific American.

Оказалось, что эти насекомые в определенных условиях прибегают к не эффективному для других, но их удерживающему на высоте способу. В отличие от других летающих инсектов – мух или, например, плодовой мушки дрозофилы – пчелы в своем обычном полете делают короткие взмахи, поднимая и опуская крылья не более чем на 90 градусов, и при этом машут ими очень часто.

Этот феномен на примере вида Apis melliferaизучали сотрудники Калифорнийского технологического института. Группа под руководством Михаэля Диккинсона показала, что, если пчелы вынуждены летать в горах, на большой высоте, они прибегают к более широким взмахам, но при той же их частоте. При необходимости – например, в случае, если они набрали много нектара – пчелы могут развивать большую подъемную силу, чем обычно, изменяя угол наклона лопасти крыла по отношению к набегающему воздушному потоку.

Теоретическая же невозможность пчелиного полета впервые была определена в 30-х годах прошлого столетия французскими исследователями, которые опирались на расчеты, сделанные по тем же формулам, что используются при проектировании жесткого крыла самолета. Однако пчелы по своей аэродинамике ближе к геликоптерам. А еще лучше учитывать при этом, что пчелиное крыло делает не только до 240 взмахов в секунду, но и ведет себя весьма гибко в воздушном потоке, создавая управляемые вихри, которые и поднимают насекомое в воздух.

Единственное, что пока непонятно, смогут ли теперь использовать полученные знания ученые и конструкторы, чтобы создать летательный аппарат, способный по маневренности, экономичности, способности приземляться, где угодно, соперничать с той же пчелой?..

А. ПЕТРОВ