فرسايش و فرو‌افتادن

فرسايش و فرو‌افتادن پسماندهاي فضايي كه عمدتاً ناشي از اثرات بازدارنده اتمسفر است، روش طبيعي کاهش پسماندها هستند. پسماندي که در مدارهاي کم‌ارتفاع 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 مي‌يابد. چنين پسماندي افزون 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. 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 و اما اهميت موضوع دوم زماني آشكار مي‌شود كه پسماندهاي خطرناكي مانند راكتورهاي اتمي سفينه‌هاي فضايي و يا مخازن مملو از سوخت و مواد شيميايي خطرناك در ليست فروافتادن قرار مي‌گيرند. شكل (3) نمونه‌اي از يك پسماند فضايي فروافتاده را نشان مي‌دهد.
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. در اوج 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 تابشي خورشيد؛ 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 صرفنظر 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.

شكل 3- مخزن سوخت مرحله پاياني موشك "دلتاي دو". اين مخزن فولادي 200 كيلوگرمي به تاريخ 5 ژانويه 1997 در تگزاس سقوط كرد.

كميته مشاركت پسماندهاي فضايي

در حال حاضر، مجمعي بين‌المللي به نام کميته مشارکت پسماندهاي فضايي که با کوتاه واژه آي‌اِي‌دي‌سي شناخته مي‌شود، تحت نظر سازمان ملل متحد، رهبري فعاليت‌هايي را که در زمينه پسماندهاي فضايي صورت مي‌گيرد به عهده دارد. کميته مشارکت پسماندهاي فضايي، مجمعي بين‌المللي از نمايندگان دولت‌هاي عضو است كه وظيفه دارد يكپارچگي و هماهنگي لازم ميان فعاليت‌هاي پراكنده آژانس‌هاي فضايي، مراكز تحقيقاتي و دانشگاه‌هاي سراسر جهان در ارتباط با پسماندهاي فضايي را ايجاد كند.
هدف اصلي و اوليه از تشكيل چنين كميته‌اي تبادل اطلاعات اعضا در زمينه پسماندهاي فضايي است. تبادل اطلاعات فرصت مناسبي به دست مي‌دهد تا تحقيقات مشترك و بازبيني مراحل گوناگون فعاليت‌هاي در دست اقدام با سرعت بيشتر و به نحو بهتري صورت گيرد. اعضاي کميته مشارکت پسماندهاي فضايي در حال حاضر عبارتند از: آژانس فضايي ايتاليا، مركز ملي فضايي بريتانيا، مركز ملي مطالعات فضايي فرانسه، مركز ملي فضايي چين، مركز فضايي آلمان، آژانس فضايي اروپا، سازمان تحقيقات فضايي هند، آژانس ژاپني شناخت فضا، سازمان فضا و هوانوردي آمريكا، آژانس ملي فضايي اوكراين و در انتها، آژانس فضايي فدرال روسيه.
اين كميته از پنج گروه كاري تشكيل شده است كه هر كدام حوزه وسيعي از فعاليتهاي علمي و تحقيقاتي را مديريت و نظارت مي‌نمايند.
- گروه مديريت؛
- كارگروه اندازه‌گيري‌ها؛
- كارگروه محيط و پايگاه داده‌ها؛
- كارگروه محافظت؛
- كارگروه كاهش و تخفيف.

مشاهده و اندازه‌گيري

اساساً اولين قدم براي مطالعه هر پديده و موضوعي، مشاهده مستقيم و دريافت اطلاعات از ماهيت و رفتار پديده است. مشاهده، ثبت و رهگيري پسماندهاي فضايي با دو مجموعه ابزار مستقر در زمين و يا شناور در فضا صورت مي‌گيرد.
براي اندازه‌گيري پسماندهاي فضايي يا بايد امواجي را كه از آنها دريافت مي‌كنيم، تبديل و مشاهده نماييم و يا نتايج حاصل از وجود آنها در مدار را روي بدنه محموله‌هاي فضايي آشكار سازيم. پسماندهاي فضايي از آنجا كه خود منبع تابش نيستند، فقط بخشي از امواج الكترومغناطيسي را كه به آنها مي‌رسد، بازتاب مي‌كنند. امواج الكترومغناطيسي طيف بسيار وسيعي از طول موج‌هاي بسيار كوچك تا بسيار بزرگ را در بر‌مي‌گيرند. اين امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته‌ مختلف تقسيم‌بندي مي‌كنند كه شامل امواج گاما با طول موج‌هايي كوچك‌تر از 9-10 سانتيمتر تا امواج راديويي با طول موج بزرگ‌تر از 10 سانتيمتر را شامل مي‌شوند.
جوّ زمين فقط به محدوده امواج نور مرئي و راديويي اجازه عبور مي‌دهد. به همين دليل، براي مشاهده اجرام مدارگرد از روي زمين از دو روش رصد نوري و رصد راديويي استفاده مي‌کنند. برخي از مدارگردها نور خورشيد را به خوبي بازمي‌تابانند، اما بازتاب خوبي از امواج راديويي ندارند. در مقابل، مدارگردهايي وجود دارند که در برابر امواج مرئي بسيار تاريک هستند، اما امواج راديويي را به خوبي بازمي‌تابانند. به همين دليل است که مراکز علمي و نظامي مراقبت از فضا معمولا از هر دو روش براي کامل کردن و بهبود نتايج رصد استفاده مي‌کنند.

رصد پسماندها به دليل كوچك بودن، سرعت بسيار زياد و نزديك بودن آنها به ناظر، كار بسيار پيچيده و دقيقي است كه فقط با استفاده از ابزارهاي دقيق و پيشرفته رصدي امكان دارد. رصد و رهگيري يك پسماند 10 سانتيمتري كه با سرعت 8000 متر بر ثانيه و به فاصله 200 كيلومتري از ناظر، از پنجره ديد تلسكوپ‌ها عبور مي‌كند، كمتر از رصد سحابي دوردست و كم‌نوري در اعماق آسمان نيست. شكل (4) تصوير پسماندي 5/12 سانتيمتري را از دريچه چشم تلسكوپي با قطر سه متر نشان مي‌دهد.
شكل 4- پسماندي به قطر تقريبي 5/12 سانتيمتر را در ارتفاع 775 كيلومتري زمين

محيط و پايگاه داده‌ها

هدف اصلي از مشاهده پسماندهاي فضايي، افزون بر شناسايي آنها، به دست آوردن اطلاعاتي است تا بتوانيم به اين وسيله مسير و چگونگي حركت آينده پسماند را پيش‌بيني كنيم. با داشتن هفت متغير متفاوت مي‌توان با دقت مناسبي موقعيت مدارگردي را در زمان به‌خصوصي بعد از زمان ثبت اطلاعات مداري آن محاسبه نمود. اين مجموعه متغيرها را المان‌هاي كپلري مي‌نامند. يكي از اهداف رصد مدارگردها استخراج اين المان‌ها و به واسطه آنها تصحيح ضرايب بالستيك مدارگرد است.
در حال حاضر، اين المان‌ها در فرمت‌هاي گوناگون و با مراجع مختلفي براي مدارگردهايي كه شناسايي و فهرست شده‌اند، استخراج شده و در دسترس قرار گرفته‌اند. دو روش معمول براي ذخيره‌سازي اين المان‌ها وجود دارد. روش اول كه المان‌هاي دو خطي ناميده مي‌شود و با ناسا و نوراد مورد استفاده قرار مي‌گيرد و روش دوم كه آمست ناميده شده است و معمولاً با راديوآماتورها استفاده مي‌شود. روش المان‌هاي دو خطي مبتني بر كدنويسي است و براي استفاده در كامپيوترها طراحي شده است، اما روش آمست روشي توصيفي است كه بيشتر براي استفاده با افراد كاربرد دارد. ذخيره اطلاعات به روش آمست چند شكل دارد كه هر كدام با مرجعي منتشر مي‌شود.
با استفاده از المان‌هاي مداري كپلر مي‌توان يك مدار بيضي شكل حول زمين را مشخص كرد، موقعيت و وضعيت آن را نسبت به مرجع اينرسي توجيه نمود و موقعيت مدارگرد روي آن را براي زمان به‌خصوصي در آينده به دست آورد.
بعد از ثبت اطلاعات به دست آمده از روش‌هاي مشاهده مستقيم و غير مستقيم مي‌توان با استفاده از مدل‌هاي رياضي و آماري در مورد قسمتي از جمعيت پسماندها كه به دليل ضعف ابزار و روش‌ها قابل‌مشاهده و اندازه‌گيري نيستند، تخمين رياضي زد. با استفاده از روابط مداري، معادلات آماري و روش‌هاي رياضي مي‌توان مدل رياضي محيط پسماندي را شبيه‌سازي نمود، در مورد آينده آن پيش‌بيني‌هاي نسبتاً دقيقي انجام داد، خطرپذيري برخورد با پسماندها را براي مدارگردهاي مهمي نظير ايستگاه‌هاي فضايي و ماهواره‌هاي مخابراتي محاسبه كرد و در نهايت محاسبات مربوط به بازگشت پسماندها به زمين و فرسايش آنها در اتمسفر يا چگونگي برخورد آنها با سطح زمين را با دقت پيش‌بيني نمود.
از‌آنجايي‌كه با اين‌گونه نرم‌افزارها قادر به پيش‌بيني محيط پسماندي براي آينده خواهيم بود، مي‌توانيم ميزان تاثير اقدامات پيشگيرانه و برنامه‌هاي ارائه شده در جهت كاهش جمعيت پسماندها و يا كنترل آنها كه معمولا مستلزم سرمايه‌گزاري‌هاي هنگفت و بسيار پرهزينه است را قبل از اجرا بررسي كنيم.

برخورد و محافظت

از آنجاكه عمده‌ترين خطر ناشي از پسماندهاي فضايي، مربوط به برخورد آنها با مدارگردهاي مهمي مانند ماهواره‌هاي فعال و يا فضاپيماهاي سرنشين‌دار است، يكي از زمينه‌هاي مهم در تحقيقات مربوط به پسماندهاي فضايي، موضوع برخورد و اثرات ناشي از آن است. تحقيقات در اين زمينه در دو دسته تقسيم‌بندي مي‌شوند:
برخورد؛ دسته اول تحقيقاتي در مورد فيزيك برخورد، اثرات آن و شبيه‌سازي رياضي برخورد است. در اين دسته از تحقيقات انجام آزمايش‌هايي از برخورد سرعت بالا، ثبت اطلاعات در زمان برخورد و شبيه‌سازي برخورد در حالت‌هاي دوبعدي و سه‌بعدي در دستور كار قرار دارد.
مواد و محافظت؛ دسته دوم فعاليت‌ها مربوط به گسترش علم مواد و تغيير در طراحي سازه و بدنه ماهواره‌ها و فضاپيماها در جهت محافظت بيشتر از آنها است. استفاده از پوشش‌هاي چند لايه گاز-جامد و يا جامد-مايع-گاز-جامد در راستاي كاهش اثرات تخريبي برخوردها از اولين قدم‌هاي برداشته شده در اين مورد است. گسترش معلومات در جهت كاهش تخريب، ضربه‌پذيري، كاهش مواد جداشده و افزايش مقاومت لايه‌ها از ديگر اقدامات در اين مرحله است.
در راستاي محافظت از مدارگردهاي مهم، تحقيقات مربوط به شبيه‌سازي خطرپذيري برخورد و چگونگي آن نيز در فرايند طراحي مؤثر است.

كاهش جمعيت و تخفيف اثر

به منظور كاهش ميزان پسماندها و يا راندن آنها از مناطق و مدارهاي مهم و شلوغ به قسمت‌هايي از فضا كه اهميت كمتري دارند، قوانين، آيين‌نامه‌ها و دستورالعمل‌هايي تهيه شده كه هدف از اجراي آنها بهبود عملكرد و روند پرتاب، فرايند تزريق در مدار -به گونه‌اي كه كمترين آلودگي توليد شود- چگونگي شروع و خاتمه ماموريت ماهواره‌ها و نحوه صحيح و اصولي انجام مانورهاي تغيير مداري است.
بازگرداندن آنچه به فضا برده مي‌شود، و يا طراحي فرايند پرتاب به گونه‌اي كه منجر به بازگشت طبيعي قطعات منفصل‌شده از راكت‌هاي محموله‌بر مي‌شود، مقدماتي‌ترين اقداماتي است كه آژانس‌هاي فضايي مي‌توانند رعايت نمايند. استانداردهايي در جهت طراحي بهينه ماهواره‌ها و يا مراحل پاياني راكت‌هاي محموله‌بر نوشته شده است تا از بروز انفجارات ناخواسته در آنها جلوگيري كند. خالي كردن مخازن سوخت و يا باتري‌هاي خالي‌نشده، از جمله اين قوانين هستند. داشتن راه‌حل اصولي و قابل انجام براي بازگرداندن و يا پارك كردن ماهواره‌هايي كه عمرشان به پايان مي‌رسد، مي‌بايستي از شروط اصلي تزريق آنها در مدارهاي مهمي مانند مدار زمين‌آهنگ باشد. نمودار (3) تخمين رشد جمعيت پسماندهاي فضايي را براي حالت‌هاي مختلف پيشگيرانه نشان مي‌دهد. همانطور كه ملاحظه مي‌شود در بهترين حالت نيز روند رشد جمعيت نرخي صعودي دارد.

نمودار 3- اين تصوير تخمين رشد جمعيت پسماندهاي فضايي را در چهار حالت و تا سال 2200 نشان مي‌دهد.

پي نوشت :

[1] - بهرامي م.، يزدان‌پناه ش.، كلانتري‌نژاد ر."پسماندهاي فضايي"، انتشارات پژوهشگاه هوافضا، 1385.
[2] - NASA Orbital Debris Program Office, 2005 .
[3] - Anilkumar A.K., "New Perspectives for Analyzing the Breakup, Environment, Evolution, Collision Risk and Reentry of Space Debris Objects", 2004 .
[4] - United Nations, Technical Report on Space Debris, 1999 .
[5] - The Aerospace Corporation, Center for Orbital and Reentry Debris Studies, 2005 .
[6] - Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, 2005 .
[7] - وب سايت دانش فضايي

ارسال مقاله توسط عضو محترم سايت با نام کاربري : sm1372
/س