پسماندهاي فضايي

از سال 1957 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 غير قابل ‏استفاده
مي‌باشد. سطح تكنولوژي 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 باز‌مي‌گشتند، نشانه‌هايي از
‏برخوردهاي كوچك و بزرگي ديده مي‌شد
كه
پاره‌اي از آنها ‏بسيار خطرناك به نظر
مي‌رسيدند.

اين تصوير بر اساس داده هاي واقعي
شبيه
سازي کامپيوتري شده است

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 غير سماوي،
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 ‏طبعيت 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 غير قابل
استفاده نظير ‏مراحل پاياني راکتهاي
حامل و يا ماهواره‌هاي از کار افتاده
جاي داد. پسماندهاي فضايي به اين گروه
از ‏مدارگردهاي 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 (‏LEO‏) يا محدوده کم ‏ارتفاع مداري
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 برحسب
‏اتفاق ميزبان بيشترين تعداد
ماهواره‌هاي هواشناسي و ‏نظامي است و
از اين نظر منطقه حساسي به حساب مي‌آيد.
منطقه دوم، ناحيه کم ضخامت مدار
‏زمين‌آهنگ يا جئو (‏GEO‏) ‌ در ارتفاع
حدود 36000 ‏کيلومتري زمين است که تقريبا
تمامي ماهواره‌هاي ‏مخابراتي و
تلويزيوني در اين ناحيه واقع
شده‌اند.

h ttp://www.spacescience.ir/images/posts/0000094-1.gif

اين
شكل پراكندگي پسماندهاي فضايي ‏را در
اطراف زمين، نشان مي‌دهد
اين تصوير
بر اساس داده هاي واقعي شبيه سازي
کامپيوتري شده است .

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

... اهميت موضوع پسماندهاي فضايي

مهمترين دليل مطالعه پسماندهاي
فضايي، خطراتي است ‏كه وجود اين
پسماندها براي ماموريتهاي فضايي به
وجود ‏مي‌آورند. سرعت مورد نياز براي
قرار دادن جسمي در مدار ‏زمين آهنگ به
ارتفاع 36000 كيلومتر از سطح زمين، ‏حدود
‏km/sec‏3 مي‌باشد. اين سرعت با كاهش
ارتفاع ‏افزايش مي‌يابد تا جايي‌که
سرعت لازم براي تزريق ‏مدارگردي در
مدار 200 کيلومتري از سطح زمين به حدود
‏km/sec‏8 مي‌رسد‎‏.‏ برخورد حتي
کوچکترين شئ با سرعتهاي اشاره شده
‏مي‌تواند براي پروازهاي سرنشين‌دار
يا غيرسرنشين‌دار ‏تهديدي جدي به حساب
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. ‏

h ttp://www.spacescience.ir/images/posts/0000094-2.gif

نمونه‌اي از برخورد يك ‏پسماند با
قطر كمتر از يك ميليمتر با يکي از صفحات
خورشيدي ‏تلسكوپ فضايي هابل

وضع 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 ‏cm‏1 با سرعتي
‏معادل 8 كيلومتر بر ثانيه كه براي
مدارهاي كم ارتفاع، ‏سرعت محتملي است
به ماهواره‌اي برخورد كند، انرژيي
‏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.

روي همين اصل گسترش ‏تحقيقات براي
بهبود طراحي، فرايند ساخت و استفاده از
‏مواد جديد و ترکيبي در دستور کار
تمامي دفاتر طراحي ‏فضايي قرار
دارد.‏

موضوع برخورد و تصادم با
پسماندها ريسک 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
نمود، پسماندهايي با ‏قطر بيش از 10
سانتيمتر در محدوده کم ارتفاع مداري و
‏با قطر بيش از يک متر در محدوده‌هاي
مرتفع نظير ‏مدارهاي زمين‌آهنگ هستند.
طبق برآوردهاي آماري تعداد ‏کل
پسماندها بسيار بيشتر از اين رقم است.
حدس زده ‏مي‌شود که تا کنون حدود 330
ميليون قطعه پسماند با ‏قطري بيش از يک
ميليمتر در فضا رها شده باشند. ‏

منابع عمده آلوده كننده فضا را
مي‌توان در 6 دسته مهم جا ‏داد كه
عبارتند از:‏

اشياي به جا مانده
از مأموريتهاي فضايي
‏شناخته‌شده‌ترين پسماندها را
ماهواره‌هاي از کار افتاده، ‏اشياي به
جا 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
سنسورها، دوربين‌ها و يا ‏موتورها در
فضا رها شده‌اند.

تخمين زده
مي‌شود ‏که منبع توليد حدود 40%
پسماندهايي از اين قبيل، انفجارات
‏خواسته و يا ناخواسته‌اي بوده که در
فضا اتفاق افتاده است.‏

h ttp://www.spacescience.ir/images/posts/space-debris-planetes.jpg

تصادمهاي فضايي تصادمهاي فضايي
نيز اگرچه به ندرت ‏رخ مي دهند اما به
دليل عدم کنترل بر آنها، بسيار مهم
‏هستند. اهميت تصادم بين مدارگردها از
دو جنبه قابل ‏بررسي مي‌باشد. 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. هم اكنون
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 به خصوص كه
‏نَك ناميده مي‌شود به عنوان مايع خنک
کننده در ‏رآکتورهاي اتمي واقع در مدار
استفاده مي‌شده است. نشت ‏اين آلياژ
فقط در محدوه سالهاي 1980 تا 1988 اتفاق
‏افتاد و قطرات نشت شده 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 ‏اکسيد آلومينيوم 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
علاوه بر غبار ريز ذرات آلومينيوم، دو
‏گونه پسماندهاي فضايي ريزتري نيز
وجود دارند. گونه اول ‏اجکتا (‏Ejecta‏)
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.نمودار زير سهم ‏جمعيت
هر گروه از منابع آلوده كننده فضا را به
تفكيك ‏نشان مي‌دهد. ملاحظه مي‌شود كه
مدارگردهاي فعال و ‏مفيدي كه هم‌اكنون
مشغول ارائه خدمت هستند تنها ‏حدود 6%
از كل جمعيت مدارگردهاي دست‌ساز را به
خود ‏اختصاص مي‌دهند.

h ttp://www.spacescience.ir/images/posts/0000094-3.gif

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.

فرسايش و فرو‌افتادن

همه ساله در
حدود 20،000 تن اجرام طبيعي و غير طبيعي
شامل غبار بين سياره‌اي، شهاب‌سنگ‌ها
و برخي ‏دست‌ساخته‌هاي بشر كه به
واسطه مأموريتهاي فضايي در مدار قرار
گرفته‌اند از محدوده مدارهاي كم
ارتفاع به سمت ‏زمين فرو مي‌افتند.

فرسايش و فرو‌افتادن پسماندهاي
فضايي
كه عمدتا ناشي از ‏اثرات بازدارنده
اتمسفر مي‌باشد، روش طبيعي کاهش
‏پسماندها هستند. پسماندي که در
مدارهاي کم ارتفاع 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 مي يابد. چنين پسماندي
‏علاوه 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.

h ttp://www.spacescience.ir/images/posts/0000094-4.jpg

مخزن
سوخت مرحله پاياني موشك "دلتاي
دو".
اين مخزن ‏فولادي 200 كيلوگرمي به تاريخ
5
ژانويه 1997 در تگزاس ‏سقوط كرد. ‏

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. اما
اهميت موضوع دوم ‏زماني آشكار مي‌شود
كه پسماندهاي خطرناكي مانند
‏راكتورهاي اتمي سفاين فضايي و يا
مخازن مملو از سوخت ‏و مواد شيميايي
خطرناك در ليست فروافتادن قرار
‏مي‌گيرند.

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. ‏دراوج 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
تابشيخورشيد 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
‏صرف نظر 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. ‏