همه چیز بر علیه سوخت جامد موشک‌ها

موقعی که شاتل از زمین کنده می‌شد ابرهایی سنگین سکوی پرتاب را در بر می‌گرفت، و گویی فضا پیما سوار بر ابرهای غلیظِ سفید راه به درون فضا می‌برد؛ منظره‌هایی تماشایی برای هر بیننده‌ای! اما آن ابرها و ستون‌های دود، از بخارهایی به شدت اسیدی تشکیل شده است که از اگزوز موشک بیرون می‌آید. در واقع ناسا خود به تماشاگران حاضر در پایگاه پرتاب موشکی کندی اعلام می‌دارد که بقایای پودری دود خروجی از اگزوز موشک‌ها می‌تواند تا شعاع ده‌ها کیلومتری سکوی پرتاب پخش شود. این باقی مانده‌ی اسیدی سبب بروز ناراحتی چشم و دستگاه تنفس می‌شود، هم چنین به رنگ بدنه‌ی اتوموبیل هم آسیب می‌رساند. ناسا پیشنهاد می‌کند که بازدید کنندگان از عملیات پرتاب، پوششی برای اتوموبیل‌های خود در نظر بگیرند.
نگرانی از گسترش آلودگی ناشی از دود اگزوز، و به ویژه خطر آسیب دیدن لایه‌ی اُزُن، سازمان‌های مختلفی را بر آن داشته است تا در مسأله‌ی سوخت مورد مصرف در پرتاب فضا پیماها تردید کنند. گروه‌های مختلف، از مؤسسات حفاظت محیط زیست محلی گرفته تا شورای ملی فضا، از ناسا می‌خواهند تا در باره‌ی انواع مختلف سوخت پژوهش کند. آن‌ها می‌گویند چون نسل فعلی پرتاب کننده‌ها عمر محدودی دارد و جای گزین کردن آن‌ها هزینه‌ی فراوانی در بر خواهد داشت، پس چرا کاری نکنیم که نسل بعدی آن‌ها کم ضررتر باشد. خطر عمده از دودی اسیدی ناشی می‌شود که فضا پیما از دو موتور تقویت کننده‌ی خود، که با سوخت جامد پر شده‌اند، تخلیه می‌کند. این موتور، موتورهای اصلی فضا پیما را تقویت، و بیش‌تر از هشتاد درصد از نیروی لازم برای از جا کندن را تأمین می‌کند.
در بخش عمده‌ای از ناوگان فضایی امریکا، که پرتاب کننده‌های تایتان ودلتا را نیز شامل می‌شود، به منظور تأمین نیروی کافی برای پرتاب و استقرار موشک در مدار، از تقویت کننده‌های جامد سوز استفاده می‌شود. در پرتاب کننده‌های اروپایی آریان نیز تقویت کننده‌های جامد سوز به کار گرفته می‌شود. در آریان چهار، می‌توان دو یا چهار موتور تقویت کننده از نوع یاد شده نصب کرد. بر عکس، روسیه، موشک‌های مایع سوز ابداع کرد که دود بسیار کم زیان‌تری در محیط پخش می‌کنند، اگر چه خسارت‌های زیست محیطی آن‌ها نیز قابل چشم پوشی نیست. یکی از مزیت‌های سوخت جامد، چگال‌تر بودن آن نسبت به سوخت مایع است و در نتیجه حجم اندکی از آن می‌تواند نیروی پیش ران قابل توجهی را ایجاد کند. تشکیل دهنده‌های اصلی بیش‌ترِ سوخت‌های جامد عبارت هستند از سوخت نفتی، پودر آلومینیم و پر کلرات آمونیم به عنوان ماده‌ی اکساینده. معمول‌ترین ترکیب از پانزده درصد آلومینیم و هفتاد درصد پر کلرات آمونیم و پانزده درصد پلیمر هیدروکربنی تشکیل می‌شود. نقش پلیمر هیدرو کربنی، پیوند سوخت نفتی با عامل اکساینده است. اکسید آهن نیز به عنوان کاتالیزور به این مخلوط افزوده می‌شود.
غلظت مواد آزاد شده از این مخلوط بر حسب ارتفاع تغییر می‌کند. از میان مواد خروجی از اگزوز، اسید کلریدریک و اکسید آلومینیم سبب ایجاد بیش‌ترین خسارت‌های زیست محیطی بر روی زمین می‌شوند. در بیانیه‌ای که ناسا در مورد تأثیرهای زیست محیطی برنامه‌های پرتاب صادر کرد به برآورد توزیع جوی مواد خروجی از اگزوز در هر پرتاب پرداخته بود. بر اساس این بیانیه، تا رسیدن به ارتفاع پانصد متری، نزدیک به بیست و پنج هزار کیلوگرم اسید کلریدریک و نزدیک به چهل هزار کیلو گرم اکسید آلومینیم پخش می‌شود. از ارتفاع پانصد متری تا سیزده کیلومتری، یعنی در محدوده‌ی جوی گشت کُره (تروپوسفر)، اسید کلریدریک و اکسید آلومینیم آزاد شده به ترتیب حدود هفتاد و هشت هزار و بیست و شش هزار کیلو گرم خواهد بود.
تا کنون طرف داران محیط زیست، حساسیت چندانی نسبت به آلودگی گشت کُره نشان نداده‌اند. اما پوش کُره (استراتوسفر) که ارتفاع سیزده تا پنجاه کیلو متری از سطح زمین را تشکیل می‌دهد و لایه‌ی نازکی از اُزُن نیز دارد بسیار مورد توجه است. با افزایش دامنه‌ی برنامه‌ی فضایی امریکا و مطرح شدن طرح‌های فضاییِ فرستادن انسان به کره‌ی ماه و مریخ، طرف داران حفظ محیط زیست بیش از پیش نگران آسیب‌هایی می‌شوند که ممکن است بر لایه‌ی اُزُن وارد آید. بر پایه‌ی این بیانیه‌ی ناسا، موتورهای تقویت کننده‌ی جامد سوز فضا پیما نزدیک به شصت هزار کیلو گرم اسید کلریدریک و در حدود صد و ده هزار کیلو گرم اکسید آلومینیم به درون لایه‌ی اُزُن می‌فرستند. در ارتفاع بالاتر از پنجاه کیلو متری سطح زمین، کارِ تقویت کننده‌های جامد سوز به اتمام می‌رسد و موتور اصلی سفینه تنها نیروی محرکه خواهد بود. در میان کُره (مزوسفر) و گرم کُره (ترموسفر)، آب ترکیب عمده‌ی خروجی از موتور اصلی است.
اسید کلریدریک آزاد شده از اگزوز، گازی است، اما در حضور رطوبت هوا، سرانجام تمامی آن به مه یا قطرات معلق اسید کلریدریک تبدیل می‌شود. اکسید آلومینیم هم به صورت گرد بسیار نرمی پخش می‌شود. این اکسید در معمول‌ترین شکل شیمیایی‌اش، که دو سوم اکسید خروجی از اگزوز را تشکیل می‌دهد و فاز بلورین آلفا نام دارد، در آب و در اسید محلول است. شکل دوم آن که فاز بلورین گاما نام دارد حل نمی‌شود اما در اسید محلول است. درصد اندکی از شکل دوم اکسید آلومینیم، درون مه یا اسید کلریدریک واکنش می‌کند و از ترکیب آن دو کلرید آلومینیم به دست می‌آید. این ترکیب سمی و زیان آور است و به غشاهای مخاطی آسیب می‌رساند. بر پایه‌ی نظر آژانس حفاظت از محیط زیست امریکا، اکسید آلومینیم غیر سمی است اما می‌تواند نقش هسته‌هایی را برای چگالش اسید کلریدریک بازی کند و در نتیجه موجب افزایش درجه‌ی اسیدی در سطح زمین شود.
در مرکز فضایی کندی، بخش عمده‌ی از مواد خروجی از اگزوز فضا پیما در آغاز پرتاب، به منظوز خفه کردن صدا و لرزش در لحظات پرتاب، به درون یک مخزن یک میلیون لیتری آب فرستاده می‌شود. گرمای زیاد، بخشی از این آبِ شدیداً اسیدی را تبخیر می‌کند و می‌توان گفت که در یک پایگاه پرتاب موشک معمولی، در حدود سه هزار کیلو گرم از ترکیبات کلرید و هفت هزار کیلو گرم از ذرات تا شعاع بیش از یک کیلو متری سکوی پرتاب پخش می‌شود. اما رسوب این مواد بر سطح زمین، شعاع بیش‌تری از منطقه‌ی اطراف سکو را در بر می‌گیرد. در جریان یک پرتاب، بوته زاری در فاصله‌ی پنج کیلو متری سکو، زیر باران این مواد زرد شد و بیش از نصف برگ‌های آن پژمرده شدند. دلیل آن کاهش توانایی گیاهان برای انجام عمل فتو سنتز بود. پژوهشگران ناسا نمونه‌هایی از ریزش مواد زاید سوخت موشک‌ها را در فاصله‌ی بیست و دو کیلو متری سکوی پرتاب نیز یافته‌اند.
پس از هر پرتاب، مرداب‌های کم عمق اطراف، فوق العاده اسیدی می‌شوند و pH آن‌ها به کم‌تر از یک نیز می‌رسد. اگر چه آلودگی هوا بیست و چهار ساعت بعد بر طرف می‌شود، اما افزایش سریع درجه‌ی اسیدی به آب شُشِ ماهیان آسیب می‌رساند و پس از پرتاب موشک بیش از یک هزار ماهی دچار خفگی می‌شوند. اما متخصصان محیط زیست در نیروی هوایی امریکا می‌گویند جای خوش وقتی است که این ماهیان به خاطر هدفی برتر می‌میرند!
نگرانی در باره‌ی آسیب دیدن لایه‌ی اُزُن، توجه بیش‌تری را به نقش مواد زاید حاصل از پرتاب موشک‌های جامد سوز جلب کرد. ازن به طور طبیعی در پوش کُره (استراتوسفر) تشکیل می‌شود. پوش کُره لایه‌ای از جو زمین است که از شعاع بین هشت تا شانزده کیلو متری شروع و تا پنجاه کیلو متری از سطح زمین گسترش می‌یابد. لایه‌ی ازن که جزئی از پوش کُرِه است، بخشی از تابش فرا بنفش خورشید را جذب می‌کند و مانع از رسیدن آن به زمین می‌شود. این بخش از تابش می‌تواند عامل بروز سرطان پوست و کاهش فتو سنتز گیاهان باشد.
اتم‌های آزاد کلر که از واکنش بین اسید کلریدریک موجود در مواد زاید ناشی از سوخت موشک‌ها، و رادیکال‌های هیدروکسیل موجود در جو حاصل می‌شود، اساسی‌ترین عاملی است که به لایه‌ی اُزُن آسیب می‌رساند. کلر به عنوان کاتالیزور در شکستن مولکول‌های ازن عمل می‌کند وچون فقط نقش کاتالیزور را دارد، در واکنش مصرف نمی‌شود، و بنا بر این مقدار آن کاهش نمی‌یابد، بلکه جزئی از چرخه‌ی پیوسته‌ی واکنش‌های مخربی خواهد بود که ماهیت آن‌ها هنوز به طور کامل کشف نشده است. این چرخه‌ی پیوسته تا جایی ادامه می‌یابد که کلر موجود در تله‌ای فیزیکی یا شیمیایی گرفتار شود. اسید کلریدریک خود می‌تواند نقش تله‌ی موقت را برای کلر داشته باشد، اما چون اسید کلریدریک در جو باقی می‌ماند، خود منبع تولید کلر آزاد نیز هست. تله‌های فیزیکی همان مواد معلق در جو هستند که کلر را جذب می‌کنند و عاقبت از پوش کُره بیرون می‌روند.
خطر آسیب دیدن ازن از مواد زاید ناشی از سوخت موشک‌های جامد سوز را تا چه حد باید جدی گرفت؟ امضا کنندگان پروتکل مونترآل در باره‌ی مواد آسیب رسان به لایه‌ی اُزُن، میز گرد ارزیابی علمی خود را به برآورد آسیب‌های ناشی از پرتاب موشک اختصاص دادند. گزارش سازمان حفاظت از محیط زیست در خصوص آسیب دیدن لایه‌ی اُزُن در جو امریکا، حساسیت بیش‌تری به کار پژوهشگران پروتکل مونترآل بخشید. بیش‌ترین توجه ناسا به گزارشی جلب شد که توسط مایکل براتر و هم کاران او در انستیتو مطالعات فضایی ناسا در نیویورک انتشار یافت. براتر پیش بینی کرد که با در نظر گرفتن تعداد پرتاب سالانه‌ی پانزده سفینه با سوخت جامد، افزایش سالانه‌ی مقدار کلر پوش کُره در حدود شش درصد خواهد بود. این امر به معنای افزایش تخریب لایه‌ی ازن به میزانی در حدود یک درصد است. اگر چه ممکن است هر ساله پانزده سفینه پرتاب نشود، اما در برآوردهای انجام شده، مقدار آلودگی هوا با توجه به موشک‌های جامد سوز موجود و پرتاب کننده‌های کوچک‌تری مانند دلتا در نظر گرفته شده است.
نوسان طبیعی ضخامت لایه‌ی ازن بین مثبت و منفی پنج درصد است. بنا بر این آشکار سازی دقیق تأثیر جهانی این پرتاب‌ها بر روی آن چندان آسان نیست. اما این به معنای نفی تأثیر منفی مواد اسیدی سوخت موشک‌ها بر لایه‌ی ازن نخواهد بود. بنا بر برآورد چندین سال پیش ناسا، تخریب یک درصد از لایه‌ی ازن می‌تواند باعث ابتلای چندین هزار نفر به بیماری سرطان پوست طی ده سال پس از تخریب بشود. تأثیرات موضعی در پسِ آمارهای میانگین مخفی می‌ماند و لازم است گفته شود که تخریب لایه‌ی اُزُن در اطراف سکوهای پرتاب موشک بیش‌تر از میانگین فضایی آن خواهد بود. محاسبات براتر نشان داد که غلظت ترکیبات کلر دار در پوش کُره‌ی حومه‌ی یک صد کیلو متری سکوی پرتاب سفینه به یک هزار بخش در میلیارد (1000 ppB) می‌رسد، در حالی که مقدار میانگین جهانی آندر حدود سه بخش در میلیارد است.
اما به رغم نتایج محاسبات، او تأکید می‌کند که این غلظت‌های موضعی هم آن چنان بالا نیست که باعث سوراخ شدن لایه‌ی اُزُن شود. وی مدعی است که چند روز طول می‌کشد تا اسید کلریدریک، اتم‌های کلر خود را آزاد کند و تا آن موقع از غلظت کلر کاسته می‌شود، و در منطقه‌ی وسیع‌تری انتشار می‌یابد.
در مورد شاتل، تغییر مسیر از حالت عمودی به حالت مورب در فضا عاملی بود که به پخش بیش‌تر گاز در لایه‌ی پوش کُره کمک می‌کرد. پژوهش‌ها نشان می‌دادند که پس از بیست و چهار ساعت، مواد خروجی از اگزوز در فضایی به شعاع یک هزار کیلو متر پخش می‌شد.
اگر چه این بحث‌ها قانع کننده به نظر می‌رسد، اما باید خاطر نشان کرد که از شواهد تجربی نتیجه نشده‌اند. شواهد عملی، حاکی از وجود آثار موضعی بیش‌تر بر لایه‌ی اُزُن پس از هر پرتاب است. ماکس لوشتاین و هوا نورد ساویج از مرکز پژوهش ایمز که یکی از توابع ناسا در کالیفرنیا است، چهل در صد کاهش لایه‌ی اُزُن را در مسیر پرواز موشک جامد سوز تایتان سه در ارتفاع هجده کیلو متری از زمین و فقط سیزده دقیقه پس از عبور موشک از آن مسیر ثبت کردند. شاید سبب، آزاد شدن کلر سوخت جامد از مواد خروجی اگزوز در شکلی فعال‌تر از اسید کلریدریک باشد که بدون نیاز به شکستن توسط رادیکال‌های هیدروکسیل، بلافاصله شروع به تخریب لایه‌ی اُزُن می‌کند.
کوتاه سخن، هنوز تأثیر فوری مواد خروجی از اگزوز موشک‌های جامد سوز در لایه‌ی موضعی اُزُن پوش کُره‌ای کاملاً مشخص نشده است. هنوز جا برای پژوهش و سنجش‌های بیش‌تر در باره‌ی آلودگی جو و کسب شناخت دقیق‌تر نسبت به چگونگی پخش فوری مواد حاصل از سوخت موشک‌ها و سفینه‌ها در پوش کُره باقی است. نگرانی فزاینده در باره‌ی تأثیرهای زیست محیطی مواد زاید سوخت موشک‌های جامد سوز به شکل اعتراض‌های گوناگون در بخش‌های مختلف جامعه بروز می‌کند. یکی از بحث انگیزترین موضوع‌ها، طرح‌های ناسا برای ابداع موتور جامد سوز پیش رفته‌ای بود که در پرتاب سفینه به کار می‌رود. ناسا در نظر داشت سالانه چهار عدد از این موشک‌ها را به طور در جا، در مرکز فضایی استنیس واقع در ایالت می سی سی پی آزمایش کند. شورای ملی فضا به معاونت وقت دن کوایل سعی در حذف اعتبار این برنامه از بودجه‌ی سالیانه داشت و در این تصمیم تا حدودی آثار سوء زیست محیطی برنامه‌ی فوق در نظر گرفته شده بود. اما سیاستمداران و صاحبان صنایع در برابر این قطع اعتبار مقاومت کردند و پیروز هم شدند. ناسا در اجرای برنامه‌ی خود با مخالفت اهل محل هم مواجه شد. گروهی محلی به نام شهروندانی برای محیط سالم در می سی سی پی دعوایی علیه آژانس فضایی ناسا در می سی سی پی اقامه کرد و خواستار توقف آزمایش‌های این مرکز شد. در سال‌های بعد، بحث‌های مشابه در باره‌ی تأثیر زیست محیطی سفینه‌های جامد سوز در میان ساکنان اطراف پایگاه‌های پرتاب موشکی در هاوایی و استرالیا شدت گرفت. مسئولان سازمان پیش گام دفاع استراتژیک با این ادعا که یکی از هدف‌های سازمان، حذف محصولات زیان آور از سوخت جامد فعلی است در پی جلب حمایت کنگره برآمدند. دفتر ارزیابی تکنولوژی امریکا هم به نوبه‌ی خود در گزارش مربوط به هدف‌های آینده‌ی پرتاب موشک اظهار نظر کرده بود که اگر دولت مجبور به ادامه‌ی استفاده از سوخت جامد در پرتاب سفینه‌ها باشد ملاحظات زیست محیطی از تعداد مجاز پرتاب‌ها خواهد کاست، اما توافقی همگانی بر سر وضعیتی که منجر به کاهش تعداد پرتاب‌ها شود وجود ندارد.
شورای پژوهش ملی فرهنگستان ملی علوم هم وارد بحث در باره‌ی خطرات زیست محیطی پرتاب موشک شد و خواستار تبدیل سوخت موشک‌ها به سوخت مایع شد. روسیه نیز به کار بردن سوخت‌های جامد را در پرتاب موشک‌های امریکایی شدیداً مورد انتقاد قرار داد. چند سال پیش، و یا چلاوفلین معاون وقت طراح ارشد پرتاب کننده‌ی انرگیا به عنوان قدرتمندترین پرتاب کننده‌ی با سوخت مایع در دنیا برآورد کرد که بر اثر هر بار پرتاب موشک در امریکا، ده میلیون تُن اُزُن تخریب می‌شود. این رقم بسیار بیش‌تر از ارقام محاسباتی ناسا است. گر چه در برآورد روس‌ها به اشتباه فرض شده بود که تمام مواد خروجی اگزوز سفینه‌ها در پوش کُره پخش می‌شود، اما اساس انتقاد به قوت خود باقی ماند. روسیه به سهم خویش پرتاب کننده‌های موشک خود را با سوخت مایع سازگار کرده و متعهد به استفاده از این نوع سوخت در لایه‌های بالاتر جو شده است. مقاله‌ای تحت عنوان «فضا نوردی امریکا» از طرف دو تن از مهندسان هوا نوردی روسیه به نام‌های گلب لوزینو لوزینسکی و ولادیمیر پلوخیخ انتشار یافت که در آن آمده بود: «روسیه در نظر دارد در ارتفاع دوازده تا بیست کیلو متری از سطح زمین که بیش‌ترین مقدار لایه‌ی اُزُن را در خود دارد هیچ سوختی به جز سوخت مایع را در پرتاب کننده‌های موشک به کار نگیرد.» در کل لازم است تأکید شود که دو نوع سوخت موشکی وجود دارد که آلودگی کم‌تری ایجاد می‌کنند: سوخت‌های مایع و سوخت‌های جامد جانشین.
پاکیزه‌ترین سوخت موشکی، از اکسیژن و هیدروژن مایع تشکیل می‌شود. نود و پنج در صد از مواد حاصل از اشتعال این سوخت را بخار آب و پنج در صد باقی مانده را هیدروژن مولکولی تشکیل می‌دهد. این نوع سوخت که سوخت مرحله‌ی دوم موتورهای تقویت کننده‌ی ساترن در برنامه‌ی فضایی آپولو بود، سوخت موتورهای اصلی شاتل محسوب می‌شد. انتظار می‌رود که از این نوع سوخت در نسل آینده‌ی پرتاب کننده‌های قوی‌تر که هزینه‌ی آن در حدود ده میلیارد دلار برآورد شده است استفاده شود. حتی همین سوخت نسبتاً پاکیزه هم نباید کاملاً بی زیان به حساب آید.