پسماندهاي فضايي

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق:

خلاصه مقاله:از سال 1957 زماني که اتحاد جماهير شوروي موفق شد ماهواره اسپوتنيک1 را در مدار قرار دهد، آلودگي فضا به دست بشر آغاز شد. اين آلودگي، عمدتاً مربوط به قطعات رها شده در فضا، انفجارات خواسته يا ناخواسته و محمولههاي غيرقابل استفاده است. سطح فناوري پرتاب ماهوارهها در آغاز عصر فضا و عدم شناخت دقيق مهندسان و متخصصان نسبت به مخاطرات پسماندهاي فضايي، باعث شد كه در سالهاي اوج اين فعاليتها حجم قابل توجهاي پسماند در مدارهاي گوناگون زمين رها شود. چند سالي كه از عصر فضا گذشت
كمكم خطرات ناشي از پسماندهاي فضايي، خود را به اشكال مخاطرهآميزي نشان دادند. در بررسي محمولههايي كه به زمين باز ميگشتند، نشانههايي از برخوردهاي كوچك و بزرگي ديده ميشد كه پارهاي از آنها بسيار خطرناك به نظر ميرسيدند. پس از آغاز راهپيماييهاي فضايي، خطرات ناشي از برخورد پسماندهاي بسيار كوچكي كه ميتوانست به راحتي پوشش نازك و حساس لباس فضانوردان را پاره كند، معضل ديگري بود كه آژانسهاي فضايي را به تحقيق و تفكر بيشتري واداشت. اين موضوع در سال 1991، زماني كه دستكش يكي از فضانوردان شاتل فضايي آتلانتيس هنگام پيادهنوردي فضايي و در اثر برخورد پسماند بسيار كوچكي پاره شد، اهميت ويژهاي يافت

فضاي اطراف زمين را اجرام سماوي و غيرسماوي، پلاسما، امواج الکترومغناطيسي و يونها در برگرفته است. ملموسترين و فيزيكيترين پديدهاي كه در اطراف زمين مشاهده ميشود، مدارگردها هستند. در تعريف، مدارگردها اجسامي هستند با وزن، ابعاد و شكل ظاهري متفاوت كه با تبعيت از قوانين سهگانه كپلري به دور اجرام عظيم سماوي ميچرخند.

مدارگردهاي اطراف زمين را ميتوان به دو گروه مدارگردهاي سماوي مانند ماه، سنگهاي آسماني و غبارهاي بينسيارهاي و مدارگردهاي دست ساز مانند ماهوارهها، ايستگاهها و پسماندهاي فضايي تقسيم كرد. مدارگردهاي غير سماوي را ميتوان در دو گروه اجرام قابل استفاده نظير ماهوارهها و اجرام غيرقابل استفاده نظير مراحل پاياني راکتهاي حامل و يا ماهوارههاي از کار افتاده تقسيمبندي نمود. پسماندهای فضايی به اين گروه از مدارگردهای ساخته دست بشر که غير قابل استفاده بوده و يا عمر مفيدشان به پايان رسيده باشد، گفته ميشوند. تخمين زده ميشود که در حال حاضر حدود 330 ميليون قطعه پسماند با ابعاد مختلف از قطر يک ميليمتر تا ماهوارههاي از کار افتاده چند صد کيلوگرمي در مدارهاي مختلف زمين سرگردان باشند.

اکثر پسماندهاي فضايي در دو منطقه عمده اطراف زمين انباشته شدهاند. منطقه لئو يا محدوده کمارتفاع مداری، اولين منطقه آلوده فضا شمرده ميشود. اين منطقه كه از ارتفاع 200 کيلومتري سطح زمين آغاز شده و تا حدود 2000 کيلومتري ادامه پيدا ميکند ميزبان بيشترين تعداد ماهوارههاي هواشناسي و نظامي است. منطقه دوم، ناحيه کم ضخامت مدار زمينآهنگ يا ژئو در ارتفاع حدود 36000 کيلومتري زمين است که تقريبا تمامي ماهوارههاي مخابراتي و تلويزيوني در اين ناحيه واقع شدهاند.

شناخت اين دو منطقه احتياج به روشهاي متفاوتي دارد. براي مثال، مطالعه اثر بازدارندگي جو و يا ناهمگوني شتاب جاذبه زمين که در مدارهاي لئو بسيار حياتي است، در مدارهاي ژئو اهميت چنداني ندارد؛ اما در مقابل، مطالعه اثر جاذبه خورشيد و ماه براي مدارگردهاي منطقه ژئو مهم است.

شكل 1- پراكندگي جمعيت پسماندها در اطراف زمينمهمترين دليل مطالعه پسماندهاي فضايي، خطراتي است كه وجود اين پسماندها براي ماموريتهاي فضايي به وجود ميآورند. سرعت مورد نياز برای قرار دادن جسمی در مدار زمينآهنگ به ارتفاع 36000 كيلومتر از سطح زمين، حدود 3 كيلومتر بر ثانيه است. اين سرعت با كاهش ارتفاع افزايش میيابد تا جاييکه سرعت لازم برای تزريق مدارگردي در مدار 200 کيلومتري از سطح زمين به حدود 8 كيلومتر بر ثانيه ميرسد.

برخورد حتي کوچکترين شئ با سرعتهاي اشاره شده ميتواند براي پروازهاي سرنشيندار يا بيسرنشين تهديدي جدي بهحساب آيد. به عبارتي، خطر اصلي پسماندهاي فضايي مربوط به انرژي جنبشي بسيار زياد آنها است که در اثر يک تصادم، رها شده و باعث ايجاد خسارت زيادي خواهد شد. برخورد ريزترين پسماند با سطح نازك و به شدت حساس لباس فضانورداني كه براي انجام مأموريتهاي فضايي، مجبور به راهپيمايي در اطراف سفينه خود ميشوند، ميتواند خطرات عمدهاي براي آنها دربرداشته باشد. پسماندي به قطر فقط نيم ميليمتر قادر به سوراخ كردن لباس فضايي و خراشيدن پوست بدن فضانوردان خواهد شد. پسماندهاي بزرگتر، حتماً خطرات بيشتري براي آنها خواهد داشت.

وضعيت ماهوارهها، عليرغم داشتن پوششهاي مقاومتر، بهتر نيست. برخورد يک پسماند فضايي کوچک با يک ماهواره و يا ايستگاه فضايي فعال ميتواند باعث از کار افتادن آنها شود و حتي در صورت بزرگتر بودن پسماند، سبب متلاشي شدن ماهواره نيز خواهد شد. به عنوان مثال اگر پسماندي با قطر حدود 1 سانتيمتر با سرعتي معادل 8 كيلومتر بر ثانيه، كه براي مدارهاي كمارتفاع سرعت محتملي است، به ماهوارهاي برخورد كند، انرژياي معادل يك نارنجك دستي آزاد خواهد كرد. متاسفانه چنين پسماندهاي بسيار كوچكي قابل مشاهده، رهگيري و فهرستبرداري نيستند و بهطبع، نميتوان مسير آنها را حدس زد و از آنها دوري نمود. روی همين اصل گسترش تحقيقات برای بهبود طراحی، فرايند ساخت و استفاده از مواد جديد و ترکيبی در دستور کار تمامی دفاتر طراحی فضايی قرار دارد.

شكل 2- اين تصوير نمونهاي از برخورد پسماندهاي فضايي با صفحه خورشيدي تلسكوپ هابل را نشان ميدهد.

موضوع برخورد و تصادم با پسماندها خطرپذيري اقتصادي استفاده از فضا را به شدت افزايش داده و ادامه تحقيقات فضايي و سفرهاي اکتشافي را با بنبست مواجه خواهد کرد. به همين دليل براي آژانسهاي فضايي و صاحبان ماهوارههاي تجاري، علمي و نظامي بسيار مهم است که اطلاعات دقيق و جامعي از جمعيت، مشخصات و موقعيت پسماندها داشته باشند.
از آغاز عصر فضا تا زمان حاضر، ميزان پسماندهاي فضايي ناشي از فعاليتهاي بشري براي کشف و استفاده تجاري، علمي و نظامي از فضا حدود 9000 قطعه فهرست شده است. پسماندهايي که در حال حاضر و به دليل محدوديتهاي ابزاري، ميتوان فهرست كرد، پسماندهايي با قطر بيش از 10 سانتيمتر در محدوده کمارتفاع مداری و با قطر بيش از يک متر در محدودههای مرتفع نظير مدارهای زمينآهنگ هستند. طبق برآوردهاي آماري تعداد کل پسماندها بسيار بيشتر از اين رقم است. حدس زده ميشود که تاکنون حدود 330 ميليون قطعه پسماند با قطري بيش از يک ميليمتر در فضا رها شده باشند. منابع عمده آلودهكننده فضا را ميتوان در 6 دسته مهم جا داد كه عبارتند از:

اشياي بهجا مانده از مأموريتهاي فضايي؛ شناختهشدهترين پسماندها را ماهوارههاي از کار افتاده، اشياي بهجا مانده از ماموريتهاي فضايي و قطعات پخش شده از تعداد بيشماري انفجار تشكيل ميدهد. اشياي به جا مانده از ماموريتهاي فضايي شامل کابلها، فنرها، پيچها و محافظهايي است که طي انجام مراحلي از ماموريت، مانند جدايش بلوکها و شروع به کار حسگرها، دوربينها و يا موتورها در فضا رها شدهاند. در ضمن تخمين زده ميشود که حدود 40% پسماندهايي از اين قبيل در اثر انفجارات خواسته و يا ناخواسته در فضا توليد شده باشند.

تصادمهاي فضايي؛ تصادمهاي فضايي نيز اگرچه به ندرت رخ میدهند، اما به دليل عدم کنترل بر آنها، بسيار مهم هستند. اهميت تصادم بين مدارگردها از دو جنبه قابل بررسي است. اهميت اول مربوط به دستهاي از تصادمها است كه حداقل يكي از طرفهاي برخورد، مدارگرد فعالي مانند يك ماهواره باشد. اين نوع تصادمها به دليل صدماتي كه ميتواند منجر به از كار افتادن مدارگردهاي فعال و يا شكست مأموريتهاي فضايي شود، مهم هستند. اهميت دوم تصادمهاي فضايي مربوط به بحث جاري يعني توليد پسماندهاي فضايي است. هنگاميكه دو مدارگرد با هم برخورد ميكنند، به احتمال قوي قطعات و يا تكههايي از آنها جدا شده و با توجه به ميزان و نوع ضربه ناشي از برخورد، مسير مستقلي را در پيش ميگيرند. به اين ترتيب هر چند مجموع جرم پسماندها تغييري نميكند اما جمعيت آنها افزايش مييابد. با افزايش تعداد پسماندهاي فضايي در اطراف زمين، ميبايست منتظر افزايش تعداد چنين تصادفاتي باشيم. هماكنون روزانه صدها گذر نزديك بين مدارگردهاي فهرست شده اتفاق ميافتد.

آلياژ نَك؛ بخش بسيار اندكي از پسماندهاي فضايي را قطرات فلز مايعي تشكيل ميدهد که شامل آلياژي از دو فلز قليايي سديم و پتاسيم است. از اين آلياژ ويژه كه نَك ناميده ميشود، به عنوان مايع خنککننده در رآکتورهاي اتمي واقع در مدار استفاده ميشده است. نشت اين آلياژ فقط در محدوده سالهاي 1980 تا 1988 اتفاق افتاد و قطرات نشتشده قطري بين 100 ميکرومتر تا 5 سانتيمتر داشتهاند.

خاكستر موتورهاي سوخت جامد؛ قسمت ديگري از پسماندهاي فضايي به دليل عملکرد موتورهاي سوخت جامد توليد شدهاند. معمولا براي بهبود عملکرد اينگونه موتورها، کاهش ناپايداري اکسيداسيون و افزايش نيروي پيشران، در هنگام توليد سوخت حدود 18% ذرات ريز اکسيدآلومينيوم نيز به مخلوط سوخت اضافه ميشود. هنگاميكه موتورهاي سوخت جامد روشن است، اين مواد به شکل خاکستر و به قطر 50 ميکرومتر تا 3 سانتيمتر از دهانه موتور خارج شده و در مدار باقي ميمانند.

ذرات بسيار ريز؛ افزون بر غبار ريز ذرات آلومينيوم، دو گونه پسماندهاي فضايي ريزتري نيز وجود دارند. گونه اول، اجکتا نام دارد كه در اثر برخورد پسماندهاي کوچک با سطح ساير اجرام مداري به وجود ميآيد. گونه دوم، شامل ذرات و غبار رنگ يا ساير پوششهاي مدارگردها نظير عايقهاي حرارتي است که در اثر خوردگي و يا مجاورت با اکسيژن و تابش مستقيم خورشيد، از سطح اصلي کنده شده و در فضا رها ميشوند.

سيمهاي مسي وست فورد نيدلز؛ آخرين گروه پسماندها، خوشهاي از سيمهاي مسي کوتاه و بلند است که در مدار 3600 کيلومتري زمين در حال حرکت هستند. اين خوشه حاصل دو آزمايش در قالب پروژهاي تحت عنوان "وست فورد نيدلز" مربوط به اوايل دهه 1960 است که به منظور استفاده از فضا براي امور مخابراتي شكل گرفته بود. هدف از پروژه اين بود که با ايجاد يک حلقه مسي در اطراف زمين، سطح مناسبي براي بازتاب امواج الکترومغناطيس به وجود آيد. طي اين عمليات، تعداد 480 ميليون دوقطبي مسي در دو مرحله در مدار زمين قرار گرفتند.

اهميت هر يك از موارد فوق، به درصد آلودگي آنها مربوط ميشود. روشن است كه كنترل و مطالعه روي منابع آلودهكنندهاي كه درصد كمي از آلودگي كلي را به خود اختصاص ميدهند، در اولويت نخواهد بود. نمودار (1) سهم جمعيت هر گروه از منابع آلوده كننده فضا را به تفكيك نشان ميدهد. ملاحظه ميشود كه مدارگردهاي فعال و مفيدي كه هماكنون مشغول ارايه خدمت هستند، فقط حدود 6% از كل جمعيت مدارگردهاي دستساز را به خود اختصاص ميدهند. نمودار (2) نيز سهم جرم مدارگردهاي مختلف را از آغاز عصر فضا تا به امروز نشان ميدهد. ملاحظه ميشود كه پسماندهاي ناشي از فروپاشي هرچند سهم عمدهاي از جمعيت پسماندهاي فضايي را شامل ميشوند اما سهم اندكي از جرم آنها را دربر ميگيرند.

نمودار 1- سهم جمعيت مدارگردهاي دستساز

نمودار2- نمودار تفكيكي تغيير جرم مدارگردها بر حسب سال فرسايش و فروافتادن پسماندهاي فضايي كه عمدتاً ناشي از اثرات بازدارنده اتمسفر است، روش طبيعي کاهش پسماندها هستند. پسماندي که در مدارهاي کمارتفاع به دور زمين ميچرخد، در اثر اغتشاشات ناشي از اتمسفر به طور مداوم انرژي جنبشي خود را از دست ميدهد و در نتيجه ارتفاع مداري آن کاهش مييابد. چنين پسماندي افزون بر مقابله با نيروي بزرگ بازدارنده اتمسفر، به دليل سرعت زيادي كه دارد، آرام آرام داغ شده و ميسوزد. اگر پسماند کوچک باشد، در اثر فرسايش کاملا سوخته و قبل از برخورد با سطح زمين از بين ميرود. ولي اگر پسماند بزرگ باشد، بخش باقيمانده آن به زمين برخورد خواهد کرد. موضوع برخورد با زمين از دو جهت قابل تامل است: اول، مكان و زمان برخورد و دوم، پسماندي كه به زمين برخورد خواهد كرد. موضوع اول زماني اهميت مييابد كه پسماند در شهرها، مراكز پرجمعيت و يا مجتمعهاي صنعتي حساس و ارزشمندي مانند پالايشگاهها، سدها و يا نيروگاههاي اتمي سقوط كند و اما اهميت موضوع دوم زماني آشكار ميشود كه پسماندهاي خطرناكي مانند راكتورهاي اتمي سفينههاي فضايي و يا مخازن مملو از سوخت و مواد شيميايي خطرناك در ليست فروافتادن قرار ميگيرند. شكل (3) نمونهاي از يك پسماند فضايي فروافتاده را نشان ميدهد.

سه راه طبيعي براي فرسايش يا فروافتادن پسماندها ميشناسيم كه هر كدام از آنها به گونهاي با اثرات بازدارنده جو زمين در ارتباط هستند:

تغيير چگالي جو؛ اين موضوع، در مورد پسماندهايي كه در جو بسيار رقيق يا اندكي بالاتر از آن به دور زمين ميچرخند، اهميت دارد. چگالي اتمسفر در ارتفاع مشخصي از سطح زمين و در طول زمان، همواره ثابت نيست و به شدت به فعاليتهاي دورهاي خورشيد كه بازهاي يازده ساله دارد، وابسته است. در اوج فعاليتهاي خورشيدي كه تابش اشعههاي ماوراءبنفش و گاما به شدت افزايش مييابد، لايههاي مختلف اتمسفر زمين به تناسب انرژي بيشتري دريافت كرده و افزايش حجم ميدهند. اين امر باعث ميشود چگالي اتمسفر در لايههاي فوقاني به شدت افزايش يابد. افزايش چگالي اتمسفر در لايههاي فوقاني باعث افزايش ميزان فرسايش و نيروي بازدارندگي خواهد شد كه اين موضوع باعث ميشود روند فرسايش و سقوط پسماندهاي اين منطقه در اوج فعاليتهاي خورشيدي شتاب بيشتري گيرد.

مدارهاي بيضي شكل بسيار كشيده؛ دومين عامل فرسايش يا فروافتادن پسماندها مربوط است به دستهاي از آنها كه در مدارهايي با تفاوت فاحش در ارتفاع نقاط اوج و حضيض ميچرخند و يا به عبارتي ديگر شکل مداري آنها بيضي بسيار کشيده است. اثر نيروهاي جاذبه ماه و خورشيد مخصوصا در حالتهاي خاصي نظير مقارنه باعث اختلالات کوچکي در مدارهاي اين دسته از پسماندها ميشود. از آنجاکه در اين مدارها نقطه حضيض بسيار نزديک به محدوده جو غليظ است، كمترين اختلال در مدار امکان فرو رفتن مدارگرد در جو غليظ زمين را به شدت افزايش ميدهد. هر بار كه مدارگرد در مسير خود از لايههاي غليظ جو عبور ميكند، بخشي از انرژي مداري خود را از دست داده و در نتيجه، ارتفاع مدار آن پايينتر آمده و فرايند فرسايش يا سقوط، سرعت بيشتري ميگيرد.

فشار تابشي خورشيد؛ آخرين عامل که اهميت کمتري نيز دارد نيروي ناشي از فشار تابشي خورشيد است. اثر اين نيرو بر مدارگردهاي بزرگ و سنگيني نظير ماهوارهها به قدري اندک است که ميتوان آن را فراموش نمود. اما همين نيروي اندک روي پسماندهايي که نسبت سطح به جرم بزرگي دارند، تاثير قابل ملاحظهاي دارد که نميتوان از آن صرفنظر کرد. اين منبع انرژي به عنوان روش طبيعي دفع و فرسايش ذرات و غبارهايي نظير آنچه در مورد خروجي موتورهاي سوخت جامد و يا اجكتا گفته شد، بسيار مفيد است. فشار تابشي خورشيد در دورههايي يازده ساله افزايش مييابد و بيشترين حجم رانش پسماندهاي ريز به سمت جو غليظ در آن زمان صورت ميگيرد.