این مطلب تا کنون 4681 بار خوانده شده است
دوشنبه، 30 بهمن 1385 | پسماندهای فضایی |
| |
 | به قسمتی از دستساختههای بشر كه در مدار زمین قرار دارند ولی مأموریتشان به پایان رسیده، پسماندهای فضایی میگویند. با افزایش چشمگیر فعالیتهای فضایی، حجم پسماندها بیشتر شده و تخمین زده میشود که در حال حاضر حدود 330 میلیون قطعه پسماند با ابعاد مختلف در مدارهای مختلف زمین سرگردان باشند. |
|
Whether on Earth or in Space, human activity creates waste. Like the Earth's environment, the space environment is getting more and more cluttered. There are currently millions of man-made orbital ruins that make up "space junk". Unfortunately, the past 45 years of space exploration have generated a lot of junk. Orbital debris includes things such as hatches blown off space modules, paint fragments from the space shuttle, or satellites that are no longer in use. Most space junk is very small (for example, paint flecks). But there are over 7,500 objects orbiting Earth that are bigger than a baseball. These objects are tracked by ground-based radars. Man-made debris orbits at a speed of roughly 17,500 miles/hour (28,000 km/h)! Think of the damage even a small speck of paint could do if it hit a spacecraft at such a high speed! Even an object as small as small as a grape has enough kinetic energy to permanently hurt a medium-sized spacecraft! There are about 500 working spacecraft, including the International Space Station (ISS), that must be protected from space debris. Mostly, they are protected by shields that are not hurt by space junk. NASA tested different types of shielding in the Long Duration Exposure Facility (LDEF). The LDEF was put in orbit April 1984 by the Shuttle Challenger. It was collected 5.7 years later. Besides having shielding from space junk, a spacecraft can move out of the way to avoid getting hit by debris. Currently, the Center for Orbital and Reentry Debris Studies (CORDS) helps space mission controllers plan so as to avoid impacts between their spacecraft and space junk. Clearly, space debris is a danger to operating spacecraft in orbit around Earth. Is space junk a danger to life here on Earth? Though pieces of space junk have been known to fall to Earth from Oregon, U.S., to Uganda, Africa, falling space junk isn't likely to endanger humans or other life on Earth. Most space debris is small enough that it burns up in the atmosphere of Earth. Otherwise, it usually falls into the ocean which covers 2/3 of the planet. The North American Air Defense Command (NORAD) and United States Space Command (USSPACECOM) do monitor man-made objects in space using radar. They also track when space debris falls into the Earth's atmosphere or onto Earth. Orbital debris generally refers to material that is on orbit as the result of space missions, but is no longer serving any function. There are many sources of debris. One source is discarded hardware. For example, many launch vehicle upper stages have been left on orbit after they are spent. Many satellites are also abandoned at the end of useful life. Another source of debris is spacecraft and mission operations, such as deployments and separations. These have typically involved the release of items such as separation bolts, lens caps, momentum flywheels, nuclear reactor cores, clamp bands, auxiliary motors, launch vehicle fairings, and adapter shrouds. Material degradation due to atomic oxygen, solar heating, and solar radiation has resulted in the production of particulates such as paint flakes and bits of multilayer insulation. Solid rocket motors used to boost satellite orbits have produced various debris items, including motor casings, aluminum oxide exhaust particles, nozzle slag, motor-liner residuals, solid-fuel fragments, and exhaust cone bits resulting from erosion during the burn. A major contributor to the orbital debris background has been object breakup. More than 124 breakups have been verified, and more are believed to have occurred. Breakups generally are caused by explosions and collisions with other objects in space, but the majority of breakups have been caused to explosions. Explosions can occur when propellant and oxidizer inadvertently mix, residual propellant becomes overpressurized due to heating, or batteries become overpressurized. Some satellites have been deliberately detonated. Explosions can also be indirectly triggered by collisions with debris. Three collisions are known to have occurred since the beginning of the space age. In addition, the debris research community has concluded that at least one additional breakup was caused by collision. The cause of approximately 22 percent of observed breakups is unknown. Approximately 70,000 objects estimated to be 2 cm in size have been observed in the 850-1,000 km altitude band. NASA has hypothesized that these objects are frozen bits of nuclear reactor coolant that are leaking from a number of Russian RORSATs. At altitudes of 2,000 km and lower, it is generally accepted that the debris population dominates the natural meteoroid population for object sizes 1 mm and larger.
از سال 1957 که اتحاد جماهیر شوروی موفق شد ماهواره اسپوتنیک1 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 تكنولوژی پرتاب ماهوارهها در آغاز عصر فضا و عدم شناخت دقیق مهندسان و متخصصان نسبت به مخاطرات پسماندهای فضایی، باعث شد كه در سالهای اوج این فعالیتها حجم قابل توجهای پسماند در مدارهای گوناگون زمین رها شود. چند سالی كه از عصر فضا گذشت كمكم خطرات ناشی از پسماندهای فضایی، خود را به اشكال مخاطرهآمیزی نشان دادند. در بررسی محمولههایی كه به زمین بازمیگشتند، نشانههایی از برخوردهای كوچك و بزرگی دیده میشد كه پارهای از آنها بسیار خطرناك به نظر میرسیدند. | 
این تصویر بر اساس داده های واقعی شبیه سازی کامپیوتری شده است
|
پس از آغاز راهپیماییهای فضایی، خطرات ناشی از برخورد پسماندهای فضایی بسیار كوچكی كه میتوانست به راحتی پوشش نازك و حساس لباس فضانوردان را پاره كند، معضل دیگری بود كه آژانسهای فضایی را به تحقیق و تفكر بیشتری واداشت. این موضوع در سال 1991، زمانی كه دستكش یكی از فضانوردان شاتل فضایی آتلانتیس هنگام پیادهنوردی فضایی و در اثر برخورد پسماند بسیار كوچكی پاره شد، اهمیت ویژهای یافت.
فضای اطراف زمین را اجرام سماوی و غیر سماوی، پلاسما، امواج الکترومغناطیسی و یونها در برگرفته است. ملموسترین و فیزیكیترین پدیدهای كه در اطراف زمین مشاهده میشود، مدارگردها هستند. در تعریف، مدارگردها اجسامی هستند با وزن، ابعاد و شكل ظاهری متفاوت كه با طبعیت از قوانین سهگانه كپلری 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 كرد.
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 330 میلیون قطعه پسماند فضایی 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 كه از ارتفاع 200 کیلومتری سطح زمین آغاز شده و تا حدود 2000 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 36000 کیلومتری زمین است که تقریبا تمامی ماهوارههای مخابراتی و تلویزیونی در این ناحیه واقع شدهاند.
این شكل پراكندگی پسماندهای فضایی را در اطراف زمین، نشان میدهد
این تصویر بر اساس داده های واقعی شبیه سازی کامپیوتری شده است
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 كه وجود این پسماندها برای ماموریتهای فضایی به وجود میآورند. سرعت مورد نیاز برای قرار دادن جسمی در مدار زمین آهنگ به ارتفاع 36000 كیلومتر از سطح زمین، حدود km/sec3 میباشد. این سرعت با كاهش ارتفاع افزایش مییابد تا جاییکه سرعت لازم برای تزریق مدارگردی در مدار 200 کیلومتری از سطح زمین به حدود km/sec8 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 نازك و به شدت حساس لباس فضانوردانی كه برای انجام مأموریتهای فضایی، مجبور به راهپیمایی در اطراف سفینه خود میشوند، میتواند خطرات عمدهای برای آنها دربرداشته باشد. یک قطعه پسماند فضایی بسیار کوچک به قطر فقط نیم میلیمتر قادر به سوراخ كردن لباس فضایی و خراشیدن پوست بدن فضانوردان خواهد شد. پسماندهای فضایی بزرگتر، حتماً خطرات بیشتری برای آنها خواهد داشت.
نمونهای از برخورد یك پسماند با قطر كمتر از یك میلیمتر با یکی از صفحات خورشیدی تلسكوپ فضایی هابل
| 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 فضایی، سبب متلاشی شدن ماهواره نیز خواهد شد. به عنوان مثال اگر یک قطعه پسماند فضایی با قطر حدود cm1 با سرعتی معادل 8 كیلومتر بر ثانیه كه برای مدارهای كم ارتفاع، سرعت محتملی است به ماهوارهای برخورد كند، انرژیی معادل یك نارنجك دستی آزاد خواهد كرد. متاسفانه چنین پسماندهای فضایی بسیار كوچكی 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 9000 قطعه فهرست شده است. پسماندهایی که در حال حاضر و به دلیل محدودیتهای ابزاری، میتوان فهرست نمود، پسماندهایی با قطر بیش از 10 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 330 میلیون قطعه پسماندهای فضایی با قطری بیش از یک میلیمتر در فضا رها شده باشند.
منابع عمده آلوده كننده فضا را میتوان در 6 دسته مهم جا داد كه عبارتند از:
| 
|
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 كه حداقل یكی از طرفهای برخورد، مدارگرد فعالی مانند یك ماهواره باشد. این نوع تصادمها به دلیل صدماتی كه میتواند منجر به از كار افتادن مدارگردهای فعال و یا شكست مأموریتهای فضایی شود، مهم هستند. اهمیت دوم تصادمهای فضایی مربوط به بحث جاری یعنی تولید پسماندهای فضایی است. هنگامیكه دو مدارگرد با هم برخورد میكنند، به احتمال قوی قطعات و یا تكههایی 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 پسماندهای فضایی تغییری نمیكند اما جمعیت آنها افزایش مییابد. با افزایش تعداد پسماندهای فضایی در اطراف زمین، میبایست منتظر افزایش تعداد چنین تصادفاتی باشیم. هم اكنون روزانه صدها گذر نزدیك بین مدارگردهای فهرست شده اتفاق میافتد.
آلیاژ نَك بخش بسیار اندكی از پسماندهای فضایی را قطرات فلز مایعی تشكیل میدهد که شامل آلیاژی از دو فلز قلیایی سدیم و پتاسیم است. از این آلیاژ به خصوص كه نَك نامیده میشود به عنوان مایع خنک کننده در رآکتورهای اتمی واقع در مدار استفاده میشده است. نشت این آلیاژ فقط در محدوه سالهای 1980 تا 1988 اتفاق افتاد و قطرات نشت شده قطری بین 100 میکرومتر تا 5 سانتیمتر داشتهاند.
خاكستر 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 18% ذرات ریز اکسید آلومینیوم نیز به مخلوط سوخت اضافه میشود. هنگامیكه موتورهای سوخت جامد روشن است، این مواد به شکل خاکستر و به قطر 50 میکرومتر تا 3 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 كه 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 پسماندهای فضایی، خوشهای از سیمهای مسی کوتاه و بلند است که در مدار 3600 کیلومتری زمین در حال حرکت هستند. این خوشه حاصل دو آزمایش در قالب پروژهای تحت عنوان "وست فورد نیدلز" مربوط به اوایل دهه 1960 است که به منظور استفاده از فضا برای امور مخابراتی شكل 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 480 میلیون دوقطبی مسی در دو مرحله در مدار زمین قرار گرفتند.
نمودار زیر سهم جمعیت هر گروه از منابع آلوده كننده فضا را به تفكیك نشان میدهد. ملاحظه میشود كه مدارگردهای فعال و مفیدی كه هماكنون مشغول ارائه خدمت هستند تنها حدود 6% از كل جمعیت مدارگردهای دستساز را به خود اختصاص میدهند.
اهمیت هر یك از موارد فوق، به درصد آلودگی آنها مربوط میشود. روشن است كه كنترل و مطالعه روی منابع آلودهكنندهای كه درصد كمی از آلودگی كلی را به خود اختصاص میدهند، در اولویت نخواهد بود.
... فرسایش و فروافتادن
همه ساله در حدود 20،000 تن اجرام طبیعی و غیر طبیعی شامل غبار بین سیارهای، شهابسنگها و برخی دستساختههای بشر كه به واسطه مأموریتهای فضایی در مدار قرار گرفتهاند از محدوده مدارهای كم ارتفاع به سمت زمین فرو میافتند.
فرسایش و فروافتادن پسماندهای فضایی كه عمدتاً ناشی از اثرات بازدارنده اتمسفر است، روش طبیعی کاهش پسماندهای فضایی هستند. پسماند فضایی 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 كه دارد، آرام آرام داغ شده و میسوزد. اگر پسماند فضایی مورد نظر کوچک باشد، در اثر فرسایش کاملا سوخته و قبل از برخورد با سطح زمین از بین میرود. ولی اگر با یک پسماند فضایی بزرگ سروکار داشته باشیم، بخش باقیمانده آن به زمین برخورد خواهد کرد.
مخزن سوخت مرحله پایانی موشك "دلتای دو". این مخزن فولادی 200 كیلوگرمی به تاریخ 5 ژانویه 1997 در تگزاس سقوط كرد.
| موضوع برخورد با زمین از دو جهت قابل تامل است: اول مكان و زمان برخورد و دوم ماهیت پسماندهای فضایی كه به زمین برخورد خواهد كرد. موضوع اول زمانی اهمیت مییابد كه پسماند فضایی مورد نظر در شهرها، مراكز پرجمعیت و یا مجتمعهای صنعتی حساس و ارزشمندی مانند پالایشگاهها، سدها و یا نیروگاههای اتمی سقوط كند. اما اهمیت موضوع دوم زمانی آشكار میشود كه پسماندهای فضایی خطرناكی مانند راكتورهای اتمی سفاین فضایی و یا مخازن مملو از سوخت و مواد شیمیایی خطرناك در لیست فروافتادن قرار میگیرند. |
سه راه طبیعی برای فرسایش یا فروافتادن پسماندهای فضایی میشناسیم كه هر كدام از آنها به گونهای با اثرات بازدارنده جو زمین در ارتباط هستند:
تغییر چگالی جو این موضوع در مورد پسماندهای فضایی كه در جو بسیار رقیق یا اندكی 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 كه بازهای یازده ساله دارد، وابسته است. در اوج فعالیتهای خورشیدی كه تابش اشعههای ماوراءبنفش و گاما به شدت افزایش مییابد، لایههای مختلف اتمسفر زمین به تناسب انرژی بیشتری دریافت كرده 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 كه این موضوع باعث میشود روند فرسایش و سقوط پسماندهای این منطقه در اوج فعالیتهای خورشیدی شتاب بیشتری گیرد.
مدارهای بیضی شكل بسیار كشیده دومین عامل فرسایش یا فروافتادن پسماندهای فضایی مربوط است به دستهای از آنها كه 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، كمترین اختلال در مدار امکان فرو رفتن مدارگرد در جو غلیظ زمین را به شدت افزایش میدهد. هر بار كه مدارگرد در مسیر خود از لایههای غلیظ جو عبور میكند، 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 پسماندهای فضایی 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 اجكتا گفته شد، بسیار مفید است. فشار تابشی خورشید در دورههایی یازده ساله افزایش مییابد و بیشترین حجم رانش پسماندهای فضایی ریز به سمت جو غلیظ در آن زمان صورت میگیرد.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد پسماندهای فضایی، منابع زیر را مطالعه فرمایید:
... NASA Orbital Debris Program Office
... Inter-Agency Space Debris Coordination Committee
... Orbital Debris
... کتاب "پسماندهای فضایی" اثری از نویسنده همین مقاله، 1385، پژوهشگاه هوافضا
. شهرام یزدانپناه، پژوهشگر علوم و فناوری فضایی .