مسئله رو به افزایش زباله‌های فضایی، خطرات آن برای ماهواره‌ها و مأموریت‌های فضایی آینده، و فناوری‌های نوآورانه‌ای که برای پاکسازی محیط مداری ما در حال توسعه هستند را بررسی کنید.
زباله‌های فضایی: تهدید رو به رشد و فناوری‌های پاکسازی مداری
اکتشاف و بهره‌برداری ما از فضا مزایای بی‌شماری برای بشریت به ارمغان آورده است، از ارتباطات و ناوبری جهانی گرفته تا پیش‌بینی آب‌وهوا و اکتشافات علمی. با این حال، دهه‌ها فعالیت فضایی منجر به یک مشکل رو به رشد نیز شده است: زباله‌های فضایی، که به عنوان زباله‌های مداری یا آشغال فضایی نیز شناخته می‌شوند. این زباله‌ها تهدیدی جدی برای ماهواره‌های عملیاتی، مأموریت‌های فضایی آینده و پایداری بلندمدت فعالیت‌های فضایی محسوب می‌شوند.
زباله فضایی چیست؟
زباله‌های فضایی شامل تمام اشیاء غیرفعال و ساخته دست بشر در مدار زمین می‌شوند. این شامل موارد زیر است:
- ماهواره‌های از کار افتاده: ماهواره‌هایی که به پایان عمر عملیاتی خود رسیده‌اند اما در مدار باقی مانده‌اند.
- بدنه‌های راکت: مراحل بالایی راکت‌ها که ماهواره‌ها را به مدار پرتاب کرده‌اند.
- زباله‌های حاصل از تجزیه: قطعات ماهواره‌ها و راکت‌ها که به دلیل انفجار، برخورد یا فرسودگی از هم پاشیده‌اند.
- زباله‌های مرتبط با مأموریت: اشیائی که در حین استقرار ماهواره یا عملیات مأموریت آزاد می‌شوند، مانند درپوش لنز یا حلقه‌های آداپتور.
- زباله‌های کوچک: حتی اشیاء بسیار کوچک، مانند تکه‌های رنگ یا سرباره موتور راکت جامد، می‌توانند به دلیل سرعت بالای خود آسیب قابل توجهی وارد کنند.
شبکه نظارت فضایی ایالات متحده (SSN) اشیاء بزرگ‌تر از ۱۰ سانتی‌متر در مدار پایینی زمین (LEO) و بزرگ‌تر از ۱ متر در مدار زمین‌ثابت (GEO) را ردیابی می‌کند. با این حال، میلیون‌ها قطعه زباله کوچک‌تر وجود دارد که برای ردیابی بسیار کوچک هستند اما همچنان تهدید محسوب می‌شوند.
خطرات زباله‌های فضایی
خطرات ناشی از زباله‌های فضایی چندوجهی است:
خطر برخورد
حتی قطعات کوچک زباله نیز می‌توانند به دلیل سرعت بسیار بالایی که در مدار حرکت می‌کنند (معمولاً حدود ۷-۸ کیلومتر بر ثانیه در LEO)، آسیب قابل توجهی به ماهواره‌های عملیاتی وارد کنند. برخورد حتی با یک شیء کوچک می‌تواند یک ماهواره را از کار بیندازد یا نابود کند، که منجر به از دست رفتن خدمات ارزشمند و ایجاد زباله‌های بیشتر می‌شود.
مثال: در سال ۲۰۰۹، یک ماهواره از کار افتاده روسی به نام کاسموس ۲۲۵۱ با یک ماهواره ارتباطی عملیاتی ایریدیوم برخورد کرد و هزاران قطعه زباله جدید ایجاد نمود.
سندرم کسلر
سندرم کسلر، که توسط دانشمند ناسا دونالد کسلر پیشنهاد شد، سناریویی را توصیف می‌کند که در آن تراکم اشیاء در مدار پایینی زمین (LEO) به حدی زیاد است که برخورد بین اشیاء می‌تواند یک اثر آبشاری ایجاد کند، زباله‌های بیشتری تولید کرده و فعالیت‌های فضایی را به طور فزاینده‌ای خطرناک و غیرعملی سازد. این فرآیند افسارگسیخته می‌تواند مناطق مداری خاصی را برای نسل‌ها غیرقابل استفاده کند.
افزایش هزینه‌های مأموریت
اپراتورهای ماهواره باید منابعی را برای ردیابی زباله‌ها، انجام مانورهای جلوگیری از برخورد و مقاوم‌سازی ماهواره‌ها در برابر ضربات صرف کنند. این فعالیت‌ها هزینه‌ها و پیچیدگی مأموریت را افزایش می‌دهند.
تهدید برای پروازهای فضایی سرنشین‌دار
زباله‌های فضایی تهدیدی مستقیم برای پروازهای فضایی سرنشین‌دار، از جمله ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) هستند. ایستگاه فضایی بین‌المللی دارای سپرهایی برای محافظت در برابر زباله‌های کوچک است، اما اشیاء بزرگ‌تر نیازمند انجام مانورهای اجتنابی توسط ایستگاه هستند.
وضعیت فعلی زباله‌های فضایی
مقدار زباله‌های فضایی طی چند دهه گذشته به طور پیوسته در حال افزایش بوده است. به گفته آژانس فضایی اروپا (ESA)، تا سال ۲۰۲۳، موارد زیر وجود دارد:
- حدود ۳۶٬۵۰۰ شیء بزرگ‌تر از ۱۰ سانتی‌متر که ردیابی می‌شوند.
- حدود ۱ میلیون شیء بین ۱ تا ۱۰ سانتی‌متر.
- بیش از ۱۳۰ میلیون شیء کوچک‌تر از ۱ سانتی‌متر.
بیشتر زباله‌ها در مدار پایینی زمین (LEO) متمرکز شده‌اند، که همچنین پرکاربردترین منطقه مداری برای رصد زمین، ارتباطات و تحقیقات علمی است.
فناوری‌های پاکسازی مداری: پرداختن به مشکل
پرداختن به مشکل زباله‌های فضایی نیازمند یک رویکرد چندجانبه است، شامل کاهش زباله، آگاهی موقعیتی فضایی (SSA) و حذف فعال زباله (ADR). کاهش زباله بر جلوگیری از ایجاد زباله‌های جدید تمرکز دارد، در حالی که SSA شامل ردیابی و نظارت بر زباله‌های موجود است. ADR، که تمرکز این پست وبلاگ است، شامل حذف فعال زباله از مدار می‌باشد.
فناوری‌های نوآورانه متعددی برای ADR در حال توسعه و آزمایش هستند. این فناوری‌ها را می‌توان به طور کلی به دسته‌های زیر تقسیم کرد:
روش‌های گرفتن
روش‌های گرفتن برای گرفتن یا مهار فیزیکی یک قطعه زباله قبل از اینکه بتوان آن را از مدار خارج کرد یا به مدار امن‌تری منتقل نمود، استفاده می‌شوند. چندین رویکرد در حال بررسی است:
- بازوهای رباتیک: این‌ها ابزارهای همه‌کاره‌ای هستند که می‌توانند برای گرفتن و دستکاری زباله‌ها استفاده شوند. آنها اغلب به ابزارهای انتهایی تخصصی (گیره‌ها) مجهز هستند تا انواع مختلف اشیاء را به طور ایمن نگه دارند.
- تورها: تورهای بزرگ می‌توانند برای گرفتن اشیاء زباله، به ویژه آنهایی که در حال چرخش یا دارای شکل نامنظم هستند، مستقر شوند. پس از گرفتن، تور و زباله می‌توانند با هم از مدار خارج شوند.
- هارپون‌ها (زوبین‌ها): هارپون‌ها برای نفوذ و محکم کردن اشیاء زباله استفاده می‌شوند. این روش برای گرفتن اشیاء جامد مناسب است اما ممکن است برای اقلام شکننده یا آسیب‌دیده مناسب نباشد.
- افسارها (Tethers): افسارهای الکترودینامیکی می‌توانند برای کشیدن زباله از مدار با استفاده از میدان مغناطیسی زمین استفاده شوند. آنها برای خروج از مدار اشیاء بزرگ مؤثر هستند اما نیاز به کنترل دقیق دارند.
- گرفتن با فوم یا آئروژل: استفاده از ابری از فوم چسبنده یا آئروژل برای پوشاندن و گرفتن زباله. این رویکرد هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد.
روش‌های خروج از مدار
پس از اینکه یک قطعه زباله گرفته شد، باید از مدار خارج شود، به این معنی که به جو زمین بازگردانده شود تا در آنجا بسوزد. چندین روش برای خروج از مدار استفاده می‌شود:
- خروج مستقیم از مدار: استفاده از پیشرانه‌ها برای پایین آوردن مستقیم مدار زباله تا زمانی که دوباره وارد جو شود. این ساده‌ترین روش است اما به مقدار قابل توجهی سوخت نیاز دارد.
- افزایش پسار جوی: استقرار یک بادبان پسار بزرگ یا بالون برای افزایش سطح مقطع زباله، در نتیجه افزایش پسار جوی و تسریع ورود مجدد آن.
- افسارهای الکترودینامیکی: همانطور که در بالا ذکر شد، افسارها همچنین می‌توانند برای خروج از مدار با ایجاد نیروی پسار از طریق تعامل با میدان مغناطیسی زمین استفاده شوند.
روش‌های بدون گرفتن
برخی از فناوری‌های ADR شامل گرفتن فیزیکی زباله نمی‌شوند. این روش‌ها مزایای بالقوه‌ای از نظر سادگی و مقیاس‌پذیری ارائه می‌دهند:
- فرسایش لیزری: استفاده از لیزرهای پرقدرت برای تبخیر سطح اشیاء زباله، ایجاد نیروی پیشرانه‌ای که به تدریج مدار آنها را کاهش می‌دهد.
- چوپان پرتو یونی: استفاده از یک پرتو یونی برای هل دادن اشیاء زباله به دور از ماهواره‌های عملیاتی یا به مدارهای پایین‌تر. این روش بدون تماس است و خطر برخورد در حین گرفتن را از بین می‌برد.
نمونه‌هایی از مأموریت‌ها و فناوری‌های پاکسازی مداری
چندین مأموریت و فناوری برای نشان دادن امکان‌سنجی ADR توسعه یافته‌اند:
- RemoveDEBRIS (آژانس فضایی اروپا): این مأموریت چندین فناوری ADR از جمله یک تور، یک هارپون و یک بادبان پسار را به نمایش گذاشت. این مأموریت با موفقیت یک شیء زباله شبیه‌سازی شده را با استفاده از تور گرفت و یک بادبان پسار را برای تسریع خروج از مدار خود مستقر کرد.
- ELSA-d (Astroscale): این مأموریت توانایی گرفتن و خروج از مدار یک شیء زباله شبیه‌سازی شده را با استفاده از یک سیستم اتصال مغناطیسی به نمایش گذاشت. این مأموریت شامل یک فضاپیمای سرویس‌دهنده و یک فضاپیمای مشتری بود که نماینده زباله بود.
- ClearSpace-1 (آژانس فضایی اروپا): این مأموریت که برای پرتاب در سال ۲۰۲۶ برنامه‌ریزی شده است، با هدف گرفتن و خروج از مدار یک مرحله بالایی Vespa (آداپتور محموله ثانویه وگا)، قطعه‌ای از زباله که پس از پرتاب راکت وگا در مدار باقی مانده است، انجام می‌شود. این مأموریت از یک بازوی رباتیک برای گرفتن Vespa استفاده خواهد کرد.
- ADRAS-J (Astroscale): مأموریت ADRAS-J برای نزدیک شدن به یک قطعه بزرگ زباله موجود (یک مرحله بالایی راکت ژاپنی) طراحی شده است تا وضعیت و حرکت آن را مشخص کند. این داده‌ها برای برنامه‌ریزی مأموریت‌های حذف آینده حیاتی خواهند بود.
- e.Deorbit (آژانس فضایی اروپا - پیشنهادی): یک مأموریت برنامه‌ریزی شده برای گرفتن و خروج از مدار یک ماهواره بزرگ متروکه با استفاده از یک بازوی رباتیک. این مأموریت با هدف نشان دادن امکان‌سنجی فنی حذف اشیاء زباله بزرگ و پیچیده انجام می‌شود.
چالش‌ها و ملاحظات
علی‌رغم پیشرفت در فناوری ADR، چندین چالش و ملاحظه باقی مانده است:
هزینه
مأموریت‌های ADR برای توسعه و اجرا گران هستند. هزینه پرتاب یک فضاپیما و انجام مانورهای پیچیده در مدار می‌تواند قابل توجه باشد. توسعه راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه ADR برای اقتصادی کردن حذف زباله حیاتی است.
توسعه فناوری
بسیاری از فناوری‌های ADR هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند و نیاز به آزمایش و اصلاح بیشتر دارند. توسعه روش‌های قابل اعتماد و کارآمد برای گرفتن و خروج از مدار برای موفقیت مأموریت‌های ADR ضروری است.
چارچوب قانونی و نظارتی
چارچوب قانونی و نظارتی برای ADR هنوز در حال تحول است. سؤالاتی در مورد مسئولیت خسارت‌های ناشی از حذف زباله، مالکیت زباله‌های حذف شده و پتانسیل استفاده از فناوری ADR برای اهداف تهاجمی وجود دارد. همکاری بین‌المللی و ایجاد دستورالعمل‌های قانونی واضح برای تضمین فعالیت‌های مسئولانه و پایدار ADR ضروری است.
انتخاب هدف
انتخاب اشیاء زباله مناسب برای حذف، برای به حداکثر رساندن اثربخشی تلاش‌های ADR حیاتی است. اولویت‌بندی حذف اشیاء بزرگ و پرخطر که بزرگترین تهدید را برای ماهواره‌های عملیاتی ایجاد می‌کنند، ضروری است. عواملی مانند اندازه، جرم، ارتفاع و پتانسیل تجزیه شیء باید در نظر گرفته شوند.
ملاحظات سیاسی و اخلاقی
ADR ملاحظات سیاسی و اخلاقی را مطرح می‌کند، مانند پتانسیل استفاده از فناوری ADR برای اهداف نظامی یا هدف قرار دادن ناعادلانه ماهواره‌های سایر کشورها. شفافیت و همکاری بین‌المللی برای پرداختن به این نگرانی‌ها و اطمینان از اینکه ADR به نفع همه استفاده می‌شود، حیاتی است.
تلاش‌ها و همکاری‌های بین‌المللی
با شناخت ماهیت جهانی مشکل زباله‌های فضایی، سازمان‌ها و ابتکارات بین‌المللی متعددی برای رسیدگی به این موضوع تلاش می‌کنند:
- کمیته استفاده صلح‌آمیز از فضا (UN COPUOS): این کمیته یک مجمع برای همکاری بین‌المللی در مورد مسائل مرتبط با فضا، از جمله کاهش زباله‌های فضایی، فراهم می‌کند. این کمیته دستورالعمل‌هایی برای کاهش زباله‌های فضایی تدوین کرده است که به طور گسترده توسط کشورهای فضایی پذیرفته شده است.
- کمیته هماهنگی بین‌سازمانی زباله‌های فضایی (IADC): این کمیته مجمعی برای آژانس‌های فضایی جهت تبادل اطلاعات و هماهنگی فعالیت‌های مرتبط با زباله‌های فضایی است. این کمیته دستورالعمل‌های اجماعی برای کاهش زباله‌های فضایی تدوین کرده و تحقیقات در مورد فناوری‌های ADR را ترویج می‌کند.
- رتبه‌بندی پایداری فضایی (SSR): ابتکاری به رهبری مجمع جهانی اقتصاد برای ترویج شیوه‌های پایدار در فضا. SSR پایداری مأموریت‌های فضایی را بر اساس عواملی مانند اقدامات کاهش زباله و قابلیت‌های جلوگیری از برخورد ارزیابی می‌کند.
این تلاش‌های بین‌المللی برای تقویت همکاری، به اشتراک‌گذاری بهترین شیوه‌ها و توسعه رویکردهای مشترک برای پرداختن به مشکل زباله‌های فضایی ضروری است.
آینده پاکسازی مداری
آینده پاکسازی مداری احتمالاً شامل ترکیبی از پیشرفت‌های فناوری، تغییرات سیاست و همکاری بین‌المللی خواهد بود. روندها و تحولات کلیدی که باید به آنها توجه کرد عبارتند از:
- پیشرفت در فناوری ADR: تحقیق و توسعه مداوم فناوری‌های ADR کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر، مانند بازوهای رباتیک، تورها و فرسایش لیزری.
- توسعه قابلیت‌های سرویس‌دهی در مدار: توسعه فضاپیماهایی که می‌توانند سرویس‌دهی در مدار را انجام دهند، مانند سوخت‌گیری، تعمیر و جابجایی ماهواره‌ها. این قابلیت‌ها همچنین می‌توانند برای حذف زباله استفاده شوند.
- اجرای اقدامات سختگیرانه‌تر برای کاهش زباله: اتخاذ اقدامات سختگیرانه‌تر برای کاهش زباله توسط کشورها و سازمان‌های فضایی، از جمله الزامات برای خروج از مدار در پایان عمر و غیرفعال‌سازی ماهواره‌ها.
- افزایش آگاهی موقعیتی فضایی: بهبود ردیابی و نظارت بر زباله‌های فضایی برای ارزیابی بهتر خطرات برخورد و برنامه‌ریزی مانورهای اجتنابی.
- ایجاد یک چارچوب قانونی و نظارتی جامع: توسعه دستورالعمل‌های قانونی واضح برای فعالیت‌های ADR، پرداختن به مسائلی مانند مسئولیت، مالکیت و استفاده از فناوری ADR برای اهداف نظامی.
پرداختن به مشکل زباله‌های فضایی برای تضمین پایداری بلندمدت فعالیت‌های فضایی و حفظ مزایایی که اکتشاف و بهره‌برداری از فضا برای بشریت فراهم می‌کند، حیاتی است. با سرمایه‌گذاری در فناوری ADR، اجرای اقدامات سختگیرانه‌تر برای کاهش زباله و تقویت همکاری بین‌المللی، می‌توانیم یک محیط فضایی امن‌تر و پایدارتر برای نسل‌های آینده ایجاد کنیم.
نتیجه‌گیری
زباله‌های فضایی یک تهدید رو به رشد برای زیرساخت‌های فضایی ما و آینده اکتشافات فضایی است. توسعه فناوری‌های پاکسازی مداری برای کاهش این خطر ضروری است. در حالی که چالش‌های قابل توجهی باقی مانده است، تحقیقات مداوم، همکاری بین‌المللی و پیشرفت‌های سیاستی امیدی برای یک محیط مداری پاک‌تر و امن‌تر ارائه می‌دهند. تعهد دولت‌ها، آژانس‌های فضایی و شرکت‌های خصوصی در سراسر جهان برای تضمین پایداری بلندمدت فعالیت‌های فضایی و مزایای مستمری که فضا برای بشریت فراهم می‌کند، حیاتی است.