پسماندهای فضایی

از سال ۱۹۵۷ که اتحاد جماهیر شوروی موفق شد ماهواره ‏اسپوتنیک۱ را در مدار قرار دهد، آلودگی فضا به دست بشر ‏آغاز شد. این آلودگی، عمدتاً مربوط به قطعات رها شده در ‏فضا، انفجارات خواسته یا ناخواسته و محموله‌های غیر قابل ‏استفاده می‌باشد.
سطح تکنولوژی پرتاب ماهواره‌ها در آغاز ‏عصر فضا و عدم شناخت دقیق مهندسان و متخصصان ‏نسبت به مخاطرات پسماندهای فضایی، باعث شد که در ‏سالهای اوج این فعالیتها حجم قابل توجه‌ای پسماند در ‏مدارهای گوناگون زمین رها شود. چند سالی که از عصر ‏فضا گذشت کم‌کم خطرات ناشی از پسماندهای فضایی، ‏خود را به اشکال مخاطره‌آمیزی نشان دادند. در بررسی ‏محموله‌هایی که به زمین باز‌می‌گشتند، نشانه‌هایی از ‏برخوردهای کوچک و بزرگی دیده می‌شد که پاره‌ای از آنها ‏بسیار خطرناک به نظر می‌رسیدند.
پس از آغاز ‏راهپیماییهای فضایی، خطرات ناشی از برخورد پسماندهای ‏بسیار کوچکی که می‌توانست به راحتی پوشش نازک و ‏حساس لباس فضانوردان را پاره کند، معضل دیگری بود که ‏آژانسهای فضایی را به تحقیق و تفکر بیشتری وا‌داشت. این ‏موضوع در سال ۱۹۹۱، زمانی که دستکش یکی از ‏فضانوردان شاتل فضایی آتلانتیس هنگام پیاده‌نوردی ‏فضایی و در اثر برخورد پسماند بسیار کوچکی پاره شد، ‏اهمیت ویژه‌ای یافت.
فضای اطراف زمین را اجرام سماوی و غیر سماوی، پلاسما، ‏امواج الکترومغناطیسی و یونها در بر‌گرفته است‎‏. ‏ملموس‌ترین و فیزیکی‌ترین پدیده‌ای که در اطراف زمین ‏مشاهده می‌شود، مدارگردها هستند. در تعریف، مدارگردها ‏اجسامی هستند با وزن، ابعاد و شکل ظاهری متفاوت که با ‏طبعیت از قوانین سه‌گانه کپلری به دور اجرام عظیم ‏سماوی می‌چرخند.‏ مدارگردهای اطراف زمین را می‌توان به دو گروه ‏مدارگردهای سماوی مانند ماه، سنگهای آسمانی و غبارهای ‏بین‌سیاره‌ای و مدارگردهای دست ساز مانند ماهواره‌ها، ‏ایستگاه‌ها و پسماندهای فضایی تقسیم کرد.‏
مدارگردهای غیر سماوی را میتوان در دو گروه اجرام قابل ‏استفاده نظیر ماهواره‌ها و اجرام غیر قابل استفاده نظیر ‏مراحل پایانی راکتهای حامل و یا ماهواره‌های از کار افتاده جای داد. پسماندهای فضایی به این گروه از ‏مدارگردهای ساخته دست بشر که غیر قابل استفاده بوده و ‏یا عمر مفیدشان به پایان رسیده باشد گفته می‌شوند. ‏تخمین زده می‌شود که در حال حاضر حدود ۳۳۰ میلیون ‏قطعه پسماند با ابعاد مختلف از قطر یک میلیمتر تا ‏ماهواره‌های از کار افتاده چند صد کیلوگرمی در مدارهای ‏مختلف زمین سرگردان باشند‏.‏
اکثر پسماندهای فضایی در دو منطقه عمده اطراف ‏زمین انباشته شده‌اند. منطقه لئو (‏LEO‏) یا محدوده کم ‏ارتفاع مداری اولین منطقه آلوده فضا شمرده می‌شود. این ‏منطقه که از ارتفاع ۲۰۰ کیلومتری سطح زمین آغاز شده ‏و تا حدود ۲۰۰۰ کیلومتری ادامه پیدا می‌کند برحسب ‏اتفاق میزبان بیشترین تعداد ماهواره‌های هواشناسی و ‏نظامی است و از این نظر منطقه حساسی به حساب می‌آید. منطقه دوم، ناحیه کم ضخامت مدار ‏زمین‌آهنگ یا جئو (‏GEO‏) ‌ در ارتفاع حدود ۳۶۰۰۰ ‏کیلومتری زمین است که تقریبا تمامی ماهواره‌های ‏مخابراتی و تلویزیونی در این ناحیه واقع شده‌اند. ‏
شناخت این دو منطقه احتیاج به روشهای متفاوتی دارد. ‏برای مثال، مطالعه اثر بازدارندگی اتمسفر و یا ناهمگونی ‏شتاب جاذبه زمین که در مدارهای لئو بسیار حیاتی است، ‏در مدارهای جئو اهمیت چندانی ندارد، اما در مقابل، ‏مطالعه اثر جاذبه خورشید و ماه برای مدارگردهای منطقه ‏جئو مهم می‌باشد.
● اهمیت موضوع پسماندهای فضایی
مهمترین دلیل مطالعه پسماندهای فضایی، خطراتی است ‏که وجود این پسماندها برای ماموریتهای فضایی به وجود ‏می‌آورند. سرعت مورد نیاز برای قرار دادن جسمی در مدار ‏زمین آهنگ به ارتفاع ۳۶۰۰۰ کیلومتر از سطح زمین، ‏حدود ‏km/sec‏۳ می‌باشد. این سرعت با کاهش ارتفاع ‏افزایش می‌یابد تا جایی‌که سرعت لازم برای تزریق ‏مدارگردی در مدار ۲۰۰ کیلومتری از سطح زمین به حدود ‏km/sec‏۸ می‌رسد‎‏.‏ برخورد حتی کوچکترین شئ با سرعتهای اشاره شده ‏می‌تواند برای پروازهای سرنشین‌دار یا غیرسرنشین‌دار ‏تهدیدی جدی به حساب آید. به عبارتی، خطر اصلی ‏پسماندهای فضایی مربوط به انرژی جنبشی بسیار زیاد آنها ‏است که در اثر یک تصادم، رها شده و باعث ایجاد خسارت ‏زیادی خواهد شد.
برخورد ریزترین پسماند با سطح نازک و به شدت حساس ‏لباس فضانوردانی که برای انجام مأموریتهای فضایی، مجبور ‏به راه‌پیمایی در اطراف سفینه خود می‌شوند، می‌تواند ‏خطرات عمده‌ای برای آنها در‌بر‌داشته باشد. پسماندی به ‏قطر فقط نیم میلیمتر قادر به سوراخ کردن لباس فضایی و ‏خراشیدن پوست بدن فضانوردان خواهد شد. پسماندهای ‏بزرگتر، حتماً خطرات بیشتری برای آنها خواهد داشت. ‏
وضع ماهواره‌ها، علی‌رغم داشتن پوششهای مقاومتر، بهتر ‏نیست. برخورد یک پسماند فضایی کوچک با یک ماهواره و ‏یا ایستگاه فضایی فعال می‌تواند باعث از کار افتادن آنها ‏شود و حتی در صورت بزرگتر بودن پسماند، سبب متلاشی ‏شدن ماهواره نیز خواهد شد.‏
به عنوان مثال اگر پسماندی با قطر حدود ‏cm‏۱ با سرعتی ‏معادل ۸ کیلومتر بر ثانیه که برای مدارهای کم ارتفاع، ‏سرعت محتملی است به ماهواره‌ای برخورد کند، انرژیی ‏معادل یک نارنجک دستی آزاد خواهد کرد. متاسفانه چنین ‏پسماندهای بسیار کوچکی قابل مشاهده، رهگیری و ‏فهرست‌برداری نیستند و به‌طبع نمی‌توان مسیر آنها را ‏حدس زد و از آنها دوری نمود.
روی همین اصل گسترش ‏تحقیقات برای بهبود طراحی، فرایند ساخت و استفاده از ‏مواد جدید و ترکیبی در دستور کار تمامی دفاتر طراحی ‏فضایی قرار دارد.‏
موضوع برخورد و تصادم با پسماندها ریسک اقتصادی ‏استفاده از فضا را به شدت افزایش داده و ادامه تحقیقات ‏فضایی و سفرهای اکتشافی را با بن‌بست مواجه خواهد کرد. ‏به همین دلیل برای آژانسهای فضایی و صاحبان ‏ماهواره‌های تجاری، علمی و نظامی بسیار مهم است که ‏اطلاعات دقیق و جامعی از جمعیت، مشخصات و موقعیت ‏پسماندها داشته باشند. ‏
● جمعیت و منابع تولید
از آغاز عصر فضا تا زمان حاضر، میزان پسماندهای فضایی ‏ناشی از فعالیتهای بشری برای کشف و استفاده تجاری، ‏علمی و نظامی از فضا حدود ۹۰۰۰ قطعه فهرست شده ‏است. پسماندهایی که در حال حاضر و به دلیل ‏محدودیتهای ابزاری، میتوان فهرست نمود، پسماندهایی با ‏قطر بیش از ۱۰ سانتیمتر در محدوده کم ارتفاع مداری و ‏با قطر بیش از یک متر در محدوده‌های مرتفع نظیر ‏مدارهای زمین‌آهنگ هستند. طبق برآوردهای آماری تعداد ‏کل پسماندها بسیار بیشتر از این رقم است. حدس زده ‏می‌شود که تا کنون حدود ۳۳۰ میلیون قطعه پسماند با ‏قطری بیش از یک میلیمتر در فضا رها شده باشند. ‏
منابع عمده آلوده کننده فضا را می‌توان در ۶ دسته مهم جا ‏داد که عبارتند از:‏
اشیای به جا مانده از مأموریتهای فضایی ‏شناخته‌شده‌ترین پسماندها را ماهواره‌های از کار افتاده، ‏اشیای به جا مانده از ماموریتهای فضایی و قطعات پخش ‏شده از تعداد بیشماری انفجار تشکیل می‌دهد.
اشیای به ‏جا مانده از ماموریتهای فضایی شامل کابلها، فنرها، پیچها و ‏محافظهایی است که طی انجام مراحلی از ماموریت، مانند ‏جدایش بلوکها و شروع به کار سنسورها، دوربین‌ها و یا ‏موتورها در فضا رها شده‌اند.
تخمین زده می‌شود ‏که منبع تولید حدود ۴۰% پسماندهایی از این قبیل، انفجارات ‏خواسته و یا ناخواسته‌ای بوده که در فضا اتفاق افتاده است.‏
تصادمهای فضایی تصادمهای فضایی نیز اگرچه به ندرت ‏رخ می دهند اما به دلیل عدم کنترل بر آنها، بسیار مهم ‏هستند. اهمیت تصادم بین مدارگردها از دو جنبه قابل ‏بررسی می‌باشد. اهمیت اول مربوط به دسته‌ای از تصادمها ‏است که حداقل یکی از طرفهای برخورد، مدارگرد فعالی ‏مانند یک ماهواره باشد. این نوع تصادمها به دلیل صدماتی ‏که می‌تواند منجر به از کار افتادن مدارگردهای فعال و یا ‏شکست مأموریتهای فضایی شود، مهم هستند. اهمیت دوم ‏تصادمهای فضایی مربوط به بحث جاری یعنی تولید ‏پسماندهای فضایی است. هنگامیکه دو مدارگرد با هم ‏برخورد می‌کنند، به احتمال قوی قطعات و یا تکه‌هایی از ‏آنها جدا شده و با توجه به میزان و نوع ضربه ناشی از ‏برخورد، مسیر مستقلی را در پیش می‌گیرند. به این ترتیب ‏هر چند مجموع جرم پسماندها تغییری نمی‌کند اما ‏جمعیت آنها افزایش می‌یابد. با افزایش تعداد پسماندهای ‏فضایی در اطراف زمین، می‌بایست منتظر افزایش تعداد ‏چنین تصادفاتی باشیم. هم اکنون روزانه صدها گذر نزدیک ‏بین مدارگردهای فهرست شده اتفاق می‌افتد‎‏.‏
آلیاژ نَک بخش بسیار اندکی از پسماندهای فضایی را ‏قطرات فلز مایعی تشکیل می‌دهد که شامل آلیاژی از دو ‏فلز قلیایی سدیم و پتاسیم است. از این آلیاژ به خصوص که ‏نَک نامیده می‌شود به عنوان مایع خنک کننده در ‏رآکتورهای اتمی واقع در مدار استفاده می‌شده است. نشت ‏این آلیاژ فقط در محدوه سالهای ۱۹۸۰ تا ۱۹۸۸ اتفاق ‏افتاد و قطرات نشت شده قطری بین ۱۰۰ میکرومتر تا ۵ ‏سانتیمتر داشته‌اند.‏
خاکستر موتورهای سوخت جامد قسمت دیگری از ‏پسماندهای فضایی به دلیل عملکرد موتورهای سوخت ‏جامد تولید شده‌اند. معمولا برای بهبود عملکرد این‌گونه ‏موتورها، کاهش ناپایداری اکسیداسیون و افزایش نیروی ‏پیشران، در هنگام تولید سوخت حدود ۱۸% ذرات ریز ‏اکسید آلومینیوم نیز به مخلوط سوخت اضافه می‌شود. ‏هنگامی‌که موتورهای سوخت جامد روشن است، این مواد ‏به شکل خاکستر و به قطر ۵۰ میکرومتر تا ۳ سانتیمتر از ‏دهانه موتور خارج شده و در مدار باقی می‌مانند.‏
ذرات بسیار ریز علاوه بر غبار ریز ذرات آلومینیوم، دو ‏گونه پسماندهای فضایی ریزتری نیز وجود دارند. گونه اول ‏اجکتا (‏Ejecta‏) نام دارد که در اثر برخورد پسماندهای ‏کوچک با سطح سایر اجرام مداری به وجود می‌آید. گونه ‏دوم شامل ذرات و غبار رنگ یا سایر پوششهای مدارگردها ‏نظیر عایقهای حرارتی است که در اثر خوردگی و یا ‏مجاورت با اکسیژن و تابش مستقیم خورشید، از سطح ‏اصلی کنده شده و در فضا رها می‌شوند.‏
سیمهای مسی وست فورد نیدلز آخرین گروه ‏پسماندها، خوشه‌ای از سیمهای مسی کوتاه و بلند است که ‏در مدار ۳۶۰۰ کیلومتری زمین در حال حرکت هستند. این ‏خوشه حاصل دو آزمایش در قالب پروژه‌ای تحت عنوان ‏‏"وست فورد نیدلز" مربوط به اوایل دهه ۱۹۶۰ است که به ‏منظور استفاده از فضا برای امور مخابراتی شکل گرفته بود. ‏هدف از پروژه این بود که با ایجاد یک حلقه مسی در ‏اطراف زمین، سطح مناسبی برای بازتاب امواج ‏الکترومغناطیس به وجود آید. طی این عملیات، تعداد ۴۸۰ ‏میلیون دوقطبی مسی در دو مرحله در مدار زمین قرار ‏گرفتند.
اهمیت هر یک از موارد فوق، به درصد آلودگی آنها مربوط ‏می‌شود. روشن است که کنترل و مطالعه روی منابع ‏آلوده‌کننده‌ای که درصد کمی از آلودگی کلی را به خود ‏اختصاص می‌دهند، در اولویت نخواهد بود.
● فرسایش و فرو‌افتادن
همه ساله در حدود ۲۰،۰۰۰ تن اجرام طبیعی و غیر طبیعی شامل غبار بین سیاره‌ای، شهاب‌سنگ‌ها و برخی ‏دست‌ساخته‌های بشر که به واسطه مأموریتهای فضایی در مدار قرار گرفته‌اند از محدوده مدارهای کم ارتفاع به سمت ‏زمین فرو می‌افتند.
فرسایش و فرو‌افتادن پسماندهای فضایی که عمدتا ناشی از ‏اثرات بازدارنده اتمسفر می‌باشد، روش طبیعی کاهش ‏پسماندها هستند. پسماندی که در مدارهای کم ارتفاع به ‏دور زمین می‌چرخد در اثر اغتشاشات ناشی از اتمسفر به ‏طور مداوم انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد و در ‏نتیجه ارتفاع مداری آن کاهش می یابد. چنین پسماندی ‏علاوه بر مقابله با نیروی بزرگ بازدارنده اتمسفر، به دلیل ‏سرعت زیادی که دارد، آرام آرام داغ شده و می‌سوزد. اگر ‏پسماند کوچک باشد، در اثر فرسایش کاملا سوخته و قبل ‏از برخورد با سطح زمین از بین می‌رود. ولی اگر پسماند ‏بزرگ باشد، بخش باقیمانده آن به زمین برخورد خواهد ‏کرد.
مخزن سوخت مرحله پایانی موشک "دلتای دو". این مخزن ‏فولادی ۲۰۰ کیلوگرمی به تاریخ ۵ ژانویه ۱۹۹۷ در تگزاس ‏سقوط کرد. ‏
موضوع برخورد با زمین از دو جهت قابل تامل است: ‏اول مکان و زمان برخورد و دوم پسماندی که به زمین ‏برخورد خواهد کرد.
موضوع اول زمانی اهمیت می‌یابد که ‏پسماند در شهرها، مراکز پرجمعیت و یا مجتمعهای صنعتی ‏حساس و ارزشمندی مانند پالایشگاه‌ها، سدها و یا ‏نیروگاه‌های اتمی سقوط کند.
اما اهمیت موضوع دوم ‏زمانی آشکار می‌شود که پسماندهای خطرناکی مانند ‏راکتورهای اتمی سفاین فضایی و یا مخازن مملو از سوخت ‏و مواد شیمیایی خطرناک در لیست فروافتادن قرار ‏می‌گیرند.
سه راه طبیعی برای فرسایش یا فروافتادن پسماندها ‏می‌شناسیم که هر کدام از آنها به گونه‌ای با اثرات بازدارنده ‏جو زمین در ارتباط هستند:
‏تغییر چگالی جو این موضوع در مورد پسماندهایی که ‏در جو بسیار رقیق یا اندکی بالاتر از آن به دور زمین ‏می‌چرخند، اهمیت دارد. چگالی اتمسفر در ارتفاع مشخصی ‏از سطح زمین و در طول زمان، همواره ثابت نیست و به ‏شدت به فعالیتهای دوره‌ای خورشید که بازه‌ای یازده ساله ‏دارد، وابسته است. ‏در اوج فعالیتهای خورشیدی که تابش اشعه‌های ‏ماوراءبنفش و گاما به شدت افزایش می‌یابد، لایه‌های ‏مختلف اتمسفر زمین به تناسب انرژی بیشتری دریافت ‏کرده و افزایش حجم می‌دهند. این امر باعث می‌شود ‏چگالی اتمسفر در لایه‌های فوقانی به شدت افزایش یابد. ‏افزایش چگالی اتمسفر در لایه‌های فوقانی باعث افزایش ‏میزان فرسایش و نیروی بازدارندگی خواهد شد که این ‏موضوع باعث می‌شود روند فرسایش و سقوط پسماندهای ‏این منطقه در اوج فعالیتهای خورشیدی شتاب بیشتری ‏گیرد. ‏
مدارهای بیضی شکل بسیار کشیده دومین عامل ‏فرسایش یا فروافتادن پسماندها مربوط است به دسته‌ای از ‏آنها که در مدارهایی با تفاوت فاحش در ارتفاع نقاط اوج و ‏حضیض می‌چرخند و یا به عبارتی دیگر شکل مداری آنها ‏بیضی بسیار کشیده است. ‏ ‏ اثر نیروهای جاذبه ماه و خورشید مخصوصا در حالتهای ‏خاصی نظیر مقارنه باعث اختلالات کوچکی در مدارهای ‏این دسته از پسماندها می‌شود. از آنجا‌که در این مدارها ‏نقطه حضیض بسیار نزدیک به محدوده جو غلیظ است، ‏کمترین اختلال در مدار امکان فرو رفتن مدارگرد در جو ‏غلیظ زمین را به شدت افزایش می‌دهد. هر بار که مدارگرد ‏در مسیر خود از لایه‌های غلیظ جو عبور می‌کند، بخشی از ‏انرژی مداری خود را از دست داده و در نتیجه، ارتفاع مدار ‏آن پایین‌تر آمده و فرایند فرسایش یا سقوط، سرعت ‏بیشتری می‌گیرد.‏
فشار تابشی خورشید آخرین عامل که اهمیت کمتری ‏نیز دارد نیروی ناشی از فشار تابشی خورشید است. اثر این ‏نیرو بر مدارگردهای بزرگ و سنگینی نظیر ماهواره‌ها به ‏قدری اندک است که می‌توان آن را فراموش نمود. اما همین ‏نیروی اندک روی پسماندهایی که نسبت سطح به جرم ‏بزرگی دارند، تاثیر قابل ملاحظه‌ای دارد که نمی‌توان از آن ‏صرف نظر کرد. این منبع انرژی به عنوان روش طبیعی دفع ‏و فرسایش ذرات و غبارهایی نظیر آنچه در مورد خروجی ‏موتورهای سوخت جامد و یا اجکتا گفته شد، بسیار مفید ‏است. فشار تابشی خورشید در دوره‌هایی یازده ساله افزایش ‏می‌یابد و بیشترین حجم رانش پسماندهای ریز به سمت جو ‏غلیظ در آن زمان صورت می‌گیرد‏. ‏

شهرام یزدان‌پناه، پژوهشگر علوم و فناوری فضایی

منبع : دانش فضایی