پسماندهای فضايی (1)

ماهيت پسماندهاي فضايي

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 زمين

اهميت موضوع پسماندهاي فضايي

مهم‌ترين 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.

جمعيت و منابع توليد

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.