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 GLV | Союз-ФГ | Atlas V (N22) | Falcon 9 | Delta IV Heavy | Space Shuttle | SLS | BFR | |
| Период эксплуатации | 1964-1966 | 2001-2019 | с 2019 | с 2010 | с 2004 | 1981-2011 | в разработке | в разработке |
| Грузоподъемность на НОО (тонн) | 3.5 | 7 | 13 | 15.5 1 22.8 2 | 29 | 28 | 95 | 100 |
| Горючее | Аэрозин Тетраоксид диазота | Керосин | Жидкий водород + твердое топливо | Керосин | Жидкий водород | Жидкий водород + твердое топливо | Жидкий водород + твердое топливо | Жидкий метан |
| CO2 (углекислый газ) | 36 | 243 | 259 | 425 | — | 443 | 538 | 2683 |
| H2O (водяной пар) | 16 | 64 | 111 | 152 | 632 | 976 | 1346 | 2199 |
| Сажа | 0.2 | 13 | 2.1 | 30 | — | 4.2 | 5.1 | — |
| NOx (оксиды азота) | 0.3 | 0.4 | 0.8 | 1 | 0.5 | 7 | 8.5 | 1.7 |
| Хлор | — | — | 21.4 | — | — | 250 | 302.5 | — |
| Al2O3 (оксид алюминия) | — | — | 30 | — | — | 350 | 423.5 | — |
| Соединения серы | 0.3 | — | — | — | — | — | — | — |
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 серы
- твердое 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 ракет
- чтобы 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 здоровью | Разрушение озонового слоя | Кислотные дожди | Парниковый эффект | |
| Оксиды 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.