Как сильно космические ракеты вредят экологии?
Один из самых популярных блогеров на космическую тему, Тим Додд (Everyday Astronaut) опубликовал обстоятельный анализ выбросов, производимых ракетами — от летавшей в 1960-е годы Titan II GLV до разрабатываемой SpaceX многоразовой сверхтяжелой космической BFR. Последняя, напомню, состоит из первой ступени Super Heavy и космического корабля Starship. Информацию Додд собирал около пяти месяцев, с привлечением дополнительного исследователя. Автор предупреждает, что его обзор не учитывает вред, причиняемый экологии остатками ракет, падающими на землю или в океан, а также самим производством. Экологический ущерб от последнего значительно превосходит вред от запусков, что лишний раз оправдывает ставку компании SpaceX на многоразовое использование ракет.
Начнем с того, что огромное облако, появляющееся при старте ракеты, представляет собой обыкновенный водяной пар. Около миллиона литров воды используется для поглощения ударной волны — во избежание разрушения ракеты и стартовой площадки. Вода из резервуаров мощными струями льется вокруг ракеты, преобразует звуковую энергию в тепловую и испаряется — отсюда и облако пара. В сочетании со специальными емкостями воды у основания твердотопливных бустеров Space Shuttle, издаваемый космическим челноком шум удается уменьшить с 195 дБ до 142 дБ (что эквивалентно взлетающему истребителю). Дополнительным плюсом такой системы является тушение пожара в случае непредвиденного возгорания.
Соответственно выбросы от самой ракеты производятся в процессе полета и со стороны выглядят гораздо менее эффектно, чем облако пара на старте. Данные по основным выбросам даны в метрических тоннах:
Titan II GLVСоюз-ФГAtlas V (N22)Falcon 9Delta IV HeavySpace ShuttleSLSBFRПериод эксплуатации1964-19662001-2019с 2019с 2010с 20041981-2011в разработкев разработкеГрузоподъемность на НОО (тонн)3.571315.5 1
22.8 2292895100ГорючееАэрозин
Тетраоксид диазота.КеросинЖидкий водород + твердое топливоКеросинЖидкий водородЖидкий водород + твердое топливоЖидкий водород + твердое топливоЖидкий метанCO2 (углекислый газ)36243259425—4435382683H2O (водяной пар)166411115263297613462199Сажа0.2132.130—4.25.1—NOx (оксиды азота)0.30.40.810.578.51.7Хлор——21.4——250302.5—Al2O3 (оксид алюминия)——30——350423.5—Соединения серы0.3———————
1 многоразовая опция
2 одноразовая опция
К этому можно добавить перечень выбросов, производимых конкретными видами ракетного топлива:
- керосин (RP-1) — углекислый газ, водяной пар, оксиды азота, сажа (продукт неполного сгорания углеводородов), немного серытвердое топливо — оксид алюминия, сажа, углекислый газ, хлористый водород, оксиды азота, водород.
Твердое топливо используется, например, в боковых бустерах Space Shuttle (обеспечивая 85% его тяги). Такие же бустеры (только четыре вместо двух) получит будущая SLS. Это пожалуй самое вредное из всех видов топлива, используемого в современных ракета-носителях. На втором месте, по вредности — керосин (который мало чем отличается от бензина и дизельного топлива, сжигаемого транспортом на ДВС). На третьем — жидкий метан (природный газ, используемый в качестве топлива большинством электростанций), при сгорании он распадается на углекислый газ с водяным паром (и немного — оксиды азота). И, наконец, на четвертом — водород, который сгорая не выделяет почти ничего, кроме водяного пара (и немного — оксиды азота).
Особо следует отметить самовоспламеняющуюся топливную смесь — она используется, например, в Titan II GLV, а также в Протон-М. Это топливо очень токсично при хранении, но при сгорании производит примерно такой же эффект, что и керосин (разве что побольше оксидов азота).
Одна из главных «страшилок» современной экологии — углекислый газ. И хотя, по словам Тима Додда, выделяемый при сгорании жидкого водорода или метана водяной пар усиливает парниковый эффект в большей степени, автор обзора предпочел (или был вынужден, за неимением других данных) оценить роль ракетных запусков в выбросах именно углекислого газа.
По его расчетам получается, что:
- коммерческих авиаперелетов выполняется 37.8 млн, против 114 орбитальных запусков (по данным за 2018)выбросов CO2 от авиации — 918 млн тонн, против 22.78 тыс тонн от космических ракетчтобы сравняться с коммерческими авиаперевозками, надо делать 12.6 тыс ракетных запусков ежедневно (или 937 запусков — BFR, или 3.5 тыс запусков — отдельно Starship)на коммерческую авиацию приходится всего 2.4% общих выбросов углекислого газа, соответственно на ракеты — 0.000006%.
В то же время Тим Додд отмечает, что для озонового слоя гипотетические 3.5 тыс ежедневных запусков Starship (который на одной из презентаций SpaceX позиционировался в качестве средства быстрой доставки пассажиров на противоположный конец Земли) могут стать губительными. Другой вопрос, что из-за сильных перегрузок и высокой стоимости такие полеты если и состоятся когда-нибудь, то в гораздо меньшем количестве.
В таблице ниже я попытался систематизировать вред, причиняемый основными видами ракетных выбросов:
Вред здоровьюРазрушение озонового слояКислотные дождиПарниковый эффектОксиды углерода√√H2O (водяной пар)?√Сажа√NOx (оксиды азота)√√√√Хлор√√Al2O3 (оксид алюминия)√Соединения серы√√
Обратите внимание — я поставил знак вопроса на пересечении водяного пара и разрушении озонового слоя (который защищает Землю от жесткого ультрафиолетового излучения). В своей статье Тим Додд о негативном воздействии водорода на озоновый слой ничего не говорит. Между тем, группа ученых из Калифорнийского технологического института заявила, что широкое использование водородного топлива автомобильным транспортом приведет к значительному увеличению водорода в атмосфере и может привести к разрушению озонового слоя. Ряд специалистов отмечает негативное влияние непосредственно ракет. Например, в статье Останиной Н.Г. «Воздействие ракетно-космической техники на озоновый слой» (журнал «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», 2012) говорится следующее: При запуске ракет в атмосферный газ выбрасывается большое количество молекул воды, они разрушают озоновый слой, а в ионосфере образуются дыры диаметром в сотни километров. Под озоновой дырой понимают пространство в ионосфере, характеризующееся понижением концентрации озона. Так как воды на больших высотах нет, то даже сам факт её появления в ионосфере становится фактом загрязнения природной среды и нарушением естественного равновесия. Могут возникнуть искусственные облака и зоны пониженной плотности, что вызывает нарушение связи.
Далее следует куда более сильное заявление: Разрушение озонового слоя, при запусках космических ракет, образование озоновых дыр совпадает с началом полётов «Шаттлов». В результате полётов «Шаттла», стратосферных самолётов, запусков ракет и использования фреонов к настоящему времени произошло истощение озонового слоя на 8-9 %. Трехсот запусков «Спейс Шаттла» достаточно, чтобы полностью уничтожить озоновый слой Земли.
Таким образом, вопрос о степени негативного воздействия водородного и метанового топлива (как главных источников водяного пара) остается открытым — впрочем, как и о степени негативного воздействия твердого топлива. Рассматривать вред от тех или иных химических элементов по отдельности вряд ли правильно — необходимо учитывать их совокупный эффект. И конечно же следует принимать во внимание конкретные слои атмосферы: то, что не слишком вредит нижним слоям, может нарушить экологическое равновесие в верхних — и наоборот. Очевидно, что без ракет пока не обойтись, при этом альтернативы химическому топливу в обозримом будущем не видно. Что не отменяет необходимости в адекватной оценке причиняемого им вреда экологии.
Источник: