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 محموله های غیر قابل استفاده می باشد

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