تلاش‌هاي بشر براي حل معضلي به نام زباله‌هاي فضايي

روز دوشنبه دوم ژوئيه‌ي امسال، فضاپيماي پژوهشي CryoSat-2 كه بر يخ‌هاي قطبي زمين نظارت مي‌كند، همانند هميشه در ارتفاع بالاي ۷۰۰ كيلومتر از سطح سياره در حال گردش در مدار خود بود؛ اما در آن روز، ناظران ماموريت در آژانس فضايي اروپا (ESA) با وضعيتي خطرناك روبه‌رو شدند و دريافتند كه قطعه‌اي زباله‌ي فضايي به‌طرز غير قابل كنترلي در حال حركت به سمت ماهواره‌ي ۱۶۲ ميليون دلاري آن‌ها است.

همان‌طور كه مهندسان به دنبال كردن مسير هر دو جسم پرداختند، احتمال برخورد آن‌ها با يكديگر به‌آرامي افزايش يافت و ناظران ماموريت در ادامه به‌منظور جلوگيري از حادثه، ناگزير به مداخله شدند. در ۹ ژوئيه، آژانس فضايي اروپا با بهره‌گيري از پيشرانش فضايي به CryoSat-2 شتاب داد تا آن را در مدار بالاتري قرار دهد و تنها ۵۰ دقيقه بعد، زباله‌ي يادشده با سرعت سرسام‌آور ۴.۱ كيلومتر در ثانيه از كنار ماهواره عبور كرد.

اين گونه مانورها هر ساله با افزايش تراكم فضاي پيرامون زمين، بيش از پيش رواج پيدا مي‌كنند. در سال ۲۰۱۷، شركت‌هاي تجاري، سازمان‌هاي نظامي، مدني و غير حرفه‌اي بيش از ۴۰۰ ماهواره به دور زمين پرتاب كردند كه چهار برابر بيشتر از ميانگين سالانه در سال‌هاي ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰ به حساب مي‌آيد. اگر شركت‌هايي نظير بوئينگ، وان‌وب و اسپيس‌ايكس در پيروي از برنامه‌هاي خود، صدها تا هزاران ماهواره‌ي ارتباطي را تا چند سال آينده به فضا بفرستند، اين رقم مي‌تواند به‌مراتب افزايش پيدا كند. در صورتي كه اين حجم عظيم از «صورت‌هاي فلكي مصنوعي» به فضا بروند، شمار كلي آن‌ها با تعداد ماهواره‌هايي كه انسان در تاريخ پروازهاي فضايي پرتاب كرده است، تقريبا برابر خواهد شد.

آينده‌ي روند فعلي غير قابل تصور است. تنها چند برخورد فضايي كنترل‌نشده مي‌تواند زباله كافي براي به‌راه انداختن آبشاري عظيم و سرگردان از قطعات متلاشي‌شده ايجاد يا به عبارتي ديگر، فضاي نزديك زمين را غير قابل استفاده كند. كارولين فروه، پژوهشگر مكانيك مداري در دانشگاه پرديو در اينديانا آمريكا مي‌گويد: «اگر ما به همين شكل پيش برويم، به نقطه‌اي بدون بازگشت خواهيم رسيد.»

اخترشناسان و ديگر دانشمندان از دهه‌ي ۶۰ ميلادي تاكنون نگران زباله‌هاي فضايي بوده‌اند. پژوهشگران در آن هنگام مخالف يكي از پروژه‌هاي نظامي آمريكا بودند كه ميليون‌ها سوزن مسي كوچك را به مدار ارسال مي‌كرد. اين سوزن‌ها قصد داشتند در صورتي كه آزمايش‌هاي اتمي شوروي در ارتفاع بالا موجب نابودي يونوسفر (لايه‌اي جوي كه امواج راديويي را به مسافت‌هاي دور در اطراف زمين بازتاب مي‌دهد) شوند، ارتباطات راديويي را فعال نگاه دارند. نيروي هوايي ايالات متحده، سوزن‌ها را در سال ۱۹۶۳ به مدار ارسال كرد و با موفقيت كمربندي بازتا‌ب‌دهنده را در فضا شكل داد. بسياري از سوزن‌ها به‌صورت طبيعي در طول سه سال آينده از مدار به به پايين افتادند؛ اما نگراني از «آلوده‌سازي» فضا به پايان دادن به اين پروژه كمك كرد.

ليزا رند، تاريخ‌شناس علم در فيلادلفيا و و يكي از اعضاي انجمن تاريخ آمريكا و ناسا مي‌گويد:

اين يكي از نخستين مثال‌ها از عمومي دانستن فضا به‌عنوان چشم‌اندازي بود كه بايد پاك نگاه داشته شود.

از زماني كه شوروي اسپوتنيك، نخستين ماهواره‌ي خود را در ۱۹۵۷ پرتاب كرد، تعداد اجسام موجود در فضا به‌تدريج سير صعودي گرفت؛ بدين صورت كه در ۱۹۷۰ به نزديك به ۲۰۰۰ شي و با آغاز قرن بيست و يك به تقريبا ۷۵۰۰ شي رسيد و در حال حاضر نيز در حدود ۲۰ هزار جسم شناخته‌شده در فضا وجود دارد. بزرگترين جهش‌هاي ناگهاني در مقدار زباله‌هاي مداري نخست در سال ۲۰۰۷ به‌وقوع پيوست؛ هنگامي كه دولت چين يكي از ماهواره‌هاي خود را در يك آزمايش موشكي نابود كرد و دوم در سال ۲۰۰۹ و پس از آن بود كه دو ماهواره‌ي ايريديوم و كاسموس با يكديگر برخورد كردند. اين دو حادثه منجر به توليد هزاران قطعه‌ي متلاشي‌شده‌ي تازه شدند و به‌گفته‌ي هولگركراگ، سرپرست واحد زباله‌هاي فضايي در آژانس فضايي اروپا در دارمشتات آلمان، هر ساله از بين بيش از ۲۰ مانور ماهواره‌اي اين سازمان، نزديك به نيمي از آن‌ها به‌منظور جلوگيري از برخورد با بقاياي رهاشده از دو حادثه‌ي يادشده

آسيبي كه در نتيجه‌ي برخورد فضاپيماي اندور با يك تكه زباله‌ي فضايي يا ريزشهاب‌سنگ ايجاد شد.

هرچه توانايي ما در رهگيري و نظارت بر اجسام فضايي افزايش مي‌يابد، تعداد اشياء موجود در مدار نيز سير صعودي مي‌گيرد. اين بدين معني است كه شركت‌ها، دولت‌ها و ديگر بازيگران در فضا به‌منظور اجتناب از تهديدي مشترك، بايد به روش‌هاي تازه‌اي با يكديگر همكاري كنند. از دهه‌ي ۲۰۰۰ تاكنون، گروه‌هاي بين‌المللي نظير كميته‌ي هماهنگي ميان آژانس‌ها در موضوع زباله‌هاي فضايي، دستورالعمل‌هايي را براي دستيابي به پايداري فضا تدوين كرده‌اند. اين رهنمودها شامل از كار انداختن ماهواره‌ها در پايان عمر مفيد آن‌ها از طريق خالي كردن سوخت باقي‌مانده يا ديگر مواد تحت فشاري است كه مي‌توانند موجب وقوع انفجار شوند. گروه‌هاي بين‌دولتي نيز پيشنهاد مي‌دهند كه سازمان‌ها يا شركت‌ها ماهواره‌هايشان را به‌اندازه‌اي كافي در اتمسفر پايين بياورند تا پس از گذشت ۲۵ سال بسوزند يا متلاشي شوند.

با اين حال، بنا به گفته‌ي كرگ، تاكنون تنها نزديك به نيمي از تمام ماموريت‌ها از دستورالعمل ۲۵ ساله تبعيت كرده‌اند. گردانندگان ماهواره‌هاي برنامه‌ريزي‌شده مي‌گويند آن‌ها مسئول مديريت فضا خواهند بود؛ اما كرگ نگران است كه اشكال زباله‌هاي فضايي با وجود بهترين تلاش‌هاي آن‌ها تشديد شود. وي اين سوال را مطرح مي‌كند كه «چه بلايي سر آن [شركت]‌هايي خواهد آمد كه ناموفق يا ورشكسته مي‌شوند؟ آن‌ها احتمالا براي خارج كردن ماهواره‌هايشان از فضا پولي خرج نخواهند كرد.»

ار انديشه متخصصين تئوري، گردانندگان ماهواره براي آنكه بتوانند تمام ماموريت‌ها را با ايمني انجام دهند و هرگز به هيچ جسم ديگري نزديك نشوند، بايد فضاي بسيار زيادي در اختيار داشته باشند. بنابراين، برخي از دانشمندان با تلاش براي درك موقعيت تمام بقاياي سرگردان در فضا با دقتي بسيار بالا، درصدد حل اشكال زباله‌هاي فضايي هستند. تشخيص موقعيت اين زباله‌ها، لاخبار تخصصي انجام بسياري از مانورهاي غير ضروري امروزي را با هدف جلوگيري از برخوردهاي احتمالي، كاهش خواهد داد. مارلون سورج، متخصص زباله‌هاي فضايي در شركت ارواسپيس كورپوريشن در كاليفرنيا مي‌گويد:

اگر از موقعيت هر جسم به‌طور دقيق اطلاع پيدا كنيد، تقريبا هرگز با اشكال مواجه نخواهيد شد.

اين رشته، مديريت ترافيك فضا ناميده مي‌شود؛ زيرا قابل مقايسه با مديريت ترافيك در جاده‌ها يا هوا است. موريبا جاه، متخصص ديناميك مداري در دانشگاه تگزاس مي‌گويد يك روز شلوغ را در فرودگاه را تصور كنيد. هواپيماهايي كه همچون رشته‌اي از مرواريد در آسمان به‌خط شده‌اند، در يك روال به‌دقت برنامه‌ريزي‌شده، نزديك به يكديگر فرود مي‌آيند و پرواز مي‌كنند. ناظران ترافيك هوايي از موقعيت هواپيماها تا دقت يك متر اطلاع دارند. با اين حال، مديريت ترافيك نمي‌تواند دقيقا به همان شكل در مورد زباله‌هاي فضايي اعمال شود. تمام اجسام در مدار شناخته‌شده نيستند و حتي آن‌هايي كه در پايگاه‌هاي داده به‌حساب آمده‌اند، با سطوح مختلفي از دقت رديابي شده‌اند. علاوه ‌بر اين، هيچ كاتالوگ معتبري وجود ندارد كه تمام زباله‌هاي فضايي شناخته‌شده در مدارها را به‌دقت فهرست‌بندي كرده باشد.

جاه فهرست‌بندي زباله‌هاي فضايي را با يك پايگاه داده‌ي مبتني بر وب كه خود توسعه داده و آن را ASTRIAGraph مي‌نامد، نشان مي‌دهد. اين پايگاه از چندين منبع نظير كاتالوگ‌هاي نگهداري‌شده توسط دولت‌هاي آمريكا و روسيه استفاده مي‌كند تا موقعيت اجسام را در فضا به تصوير بكشد. هنگامي كه او براي يافتن يك جسم فضايي به‌خصوص، نامش را در شناساگر مي‌نويسد، آسترياگراف به‌منظور تعيين آن، خطي بنفش را رسم مي‌كند.

با اين حال، آسترياگراف با برخي از اجسام به‌خوبي كار نمي‌كند؛ از جمله بدنه‌ي يك راكت روسي كه در سال ۲۰۰۷ پرتاب شد و در پايگاه داده به‌عنوان جسم شماره‌ي ۳۲۲۸۰ شناسايي مي‌شود. هنگامي كه جاه اين شماره را وارد مي‌كند، آسترياگراف دو خط بنفش به‌تصوير مي‌كشد؛ زيرا منابع آمريكايي و روسي براي يك جسم يكسان، دو مدار كاملا متفاوت را ذكر كرده‌اند. جاه مي‌گويد تعيين مدار صحيح تقريبا غير ممكن است؛ مگر آنكه منبع اطلاعاتي سومي بتواند به تشخيص موقعيت صحيح كمك كند.

كيوبست‌ها، ماهواره‌هاي مكعبي‌شكل كوچكي كه در سال ۲۰۱۲ از ايستگاه فضايي بين‌المللي رها شدند.

آسترياگراف در حال حاضر حاوي برخي، اما نه تمام منابع اصلي اطلاعاتي درباره‌ي رديابي اجسام فضايي است. كاتالوگ ارتش ايالات متحده (بزر‌گترين پايگاه داده‌ي در دسترس عموم) با احتمال قريب به يقين، اطلاعات مربوط به ماهواره‌هاي محرمانه را از قلم انداخته است. دولت روسيه نيز به‌نحو مشابهي بخش زيادي از داده‌هاي خود را افشا نمي‌كند. در چند سال گذشته، چندين پايگاه داده‌ي تجاري رديابي فضايي توسعه يافته‌اند؛ اما اغلب آن‌ها اجازه‌ي دسترسي آزادانه به اطلاعات خود را نمي‌دهند.

جاه خود را به‌عنوان يك طرفدار محيط‌زيست فضايي توصيف مي‌كند:

من مي‌خواهم فضا را به مكاني تبديل كنم كه براي فعاليت ايمن و همچنين آزاد و قابل استفاده براي نسل‌هاي آينده باشد.

وي مي‌گويد تا زماني كه اين چشم‌انداز به حقيقت نپيوندد، جامعه‌ي فضايي كماكان به آلوده‌سازي محيط مشترك فضا و از دسترس خارج كردن آن براي نسل‌هاي بعد ادامه خواهد داد.

جاه و ديگر مدافعان محيط‌زيست فضايي، دست‌كم در آمريكا شروع به پيشرفت كرده‌اند. جاه سال گذشته به دعوت تد كروز، سناتور جمهوري‌خواه از ايالت تگزاس كه در ماه ژوئيه لايحه‌ي نظام‌نامه‌ي فضايي را معرفي كرد، در مورد مديريت ترافيك فضايي در مقابل كنگره شهادت داد. در ماه ژوئن، پرزيدنت دونالد ترامپ نيز فرماني را در مورد سياست فضايي امضا كرد كه مسئوليت كاتالوگ عمومي زباله‌هاي فضايي را از ارتش به يك آژانس غير نظامي (احتمالا وزارت بازرگاني) واگذار مي‌كند.

فرمان سياست فضايي فرصتي بي‌نظير براي مطرح كردن زباله‌هاي فضايي در بالاترين سطوح دولت ايالات متحده است. مايك گلد، نائب رئيس بخش نظارت، سياست‌گذاري و قراردادهاي دولتي در شركت فناوري فضايي ماكسار تكنولوژيز در كلرادو مي‌گويد: «اين نخستين بار است كه ما اين مباحثه را به شكلي جدي مطرح مي‌كنيم.»

فضاي پيرامون زمين انباشته از مردگان متحرك است. نزديك به ۹۵ درصد از تمام اجسام در مدار، ماهواره‌هاي از كار افتاده يا غير فعال هستند. هنگامي كه گرداننده‌ي يك ماهواره‌ي فعال، هشداري مبني بر حركت جسمي در مسير برخورد دريافت مي‌كند، اطلاع از ميزان خطري كه زباله‌ي پيش‌رو به‌همراه دارد، براي وي مفيد و كمك‌كننده خواهد بود. فروه مي‌گويد: «با افزايش بيش از پيش اجسام و خطاهاي تخميني كنوني، صرفا به‌صورت بي‌پايان هشدارهاي برخورد دريافت خواهيد كرد.» البته بايد در انديشه متخصصين داشت كه ريزشهاب‌سنگ‌ها بيانگر تهديدي مجزا هستند و امكان رديابي آن‌ها اصلا وجود ندارد.

به‌منظور ارزيابي خطر برخورد قريب‌الوقوع، گردانندگان ماهواره بايد از ماهيت جسم مطلع باشند؛ اما كاتالوگ‌هاي ردياب، اطلاعات كمي درباره‌ي بسياري از اجسام دارند. در اين موارد، ارتش و ديگر ردياب‌هاي فضايي از تلسكوپ بهره مي‌گيرند تا پيش از وقوع برخورد، سرنخ‌ها را در كوتاه‌مدت جمع‌آوري كنند.

فروه و همكارانش در همكاري با نيروي هوايي ايالات متحده در حال توسعه‌ي روش‌هايي هستند تا بتوانند جزئيات اجسام در حال گردش را حتي با وجود ناچيز بودن اطلاعات درباره‌ي آن‌ها به‌سرعت كشف كنند. فروه به‌عنوان مثال با مطالعه درباره‌ي اينكه چگونه يك جسم نور خورشيد را با عبور از بالاي سر بازتاب مي‌دهد، مي‌تواند نتيجه بگيرد كه آن جسم در حال حركت است يا نه؛ سرنخي كه فعال يا غير فعال بودن جسم را مشخص مي‌كند. تيم او همچنين در حال آزمايش الگوريتم يادگيري ماشين است؛ فناوري قدرتمندي كه مي‌تواند به فرآيند تعيين ويژگي‌هاي اجسام سرعت ببخشد.

تكه‌اي زباله‌ي فضايي كه ظاهرا متعلق به يكي از ماموريت‌هاي شاتل فضايي در ۱۹۹۸ است.

به‌محض آنكه پژوهشگران از جنس يك جسم در حال گردش مطلع شوند، چندين روش بالقوه‌ براي كاهش تهديد آن در اختيار خواهند داشت. برخي از پيشنهادهاي برگرفته از داستان‌هاي علمي تخيلي شامل استفاده از آهن‌ربا براي جذب زباله‌ي فضايي يا بهره‌گيري از ليزر براي نابودي يا انحراف آن در مدار است. در هفته‌هاي پيش‌رو، پژوهشگران در دانشگاه ساري در گيلدفورد بريتانيا طي پژوهشي از يك تور براي به‌دام انداختن ماهواره‌اي آزمايشي استفاده مي‌كنند. اين پروژه كه حذف زباله (RemoveDEBRIS) ناميده مي‌شود، در ادامه ماهواره را به مداري هدايت مي‌كند تا دوباره وارد اتمسفر شود.

اما چنين رويكردهاي فعالانه‌اي براي پاكسازي فضا از زباله با توجه به تعداد بي‌شمار اجسام در مدار، ظاهرا در بلندمدت عملي نخواهند بود. در نتيجه برخي از مختصصان، بهترين روش مقابله با زباله‌هاي فضايي را رويكرد منفعلانه مي‌دانند. اين شيوه از مزيت كشش‌هاي گرانشي خورشيد و ماه بهره مي‌گيرد كه با عنوان رزونانس (تشديد) شناخته مي‌شود و مي‌تواند ماهواره‌ها را در مسير نابودي قرار دهد. آرون روزنگِرِن، متخصص ديناميك مداري در دانشگاه آريزونا هم‌اكنون در حال توسعه‌ي روش‌هايي براي انجام اين كار است.

روزنگرن ابتدا هنگامي كه در حال مطالعه‌ي سرنوشت ماهواره‌ها در مدار مياني زمين بود، با ايده‌ي فوق مواجه شد. اين مدار، منطقه‌اي از فضاي دور زمين است كه بين تقريبا ارتفاع بالاي ۲ هزار كيلومتر، جايي كه مدار نزديك زمين پايان مي‌يابد و ۳۵ هزار كيلومتر، جايي كه مدار زمين‌ثابت (كمربند كلارك) آغاز مي‌شود، قرار دارد. در مدار نزديك زمين مي‌توان با اجبار ماهواره‌ها به ورود مجدد به اتمسفر، آن‌ها را دفع كرد. همچنين اكثر ماهواره‌ها در منطقه‌ي كم‌رفت و آمد‌تر زمين‌ثابت نيز مي‌توانند به‌صورت ايمن در مدارهاي «گورستان» كه هرگز ارتباطي با ديگر اجسام برقرار نمي‌كنند، قرار گيرند. اما در مدار مياني زمين، به علت پديده‌ي رزونانس گرانشي، اين امكان وجود دارد كه مسيرهاي ماهواره‌اي در طولاني‌مدت ناپايدار شوند.

نخستين بار تلكسوپ فضايي انتگرال متعلق به آژانس فضايي اروپا كه در سال ۲۰۰۲ پرتاب شد. نشان داد كه گردانندگان فضاپيما مي‌توانند پديده‌ي يادشده را مهار كنند. انتگرال در مداري بيضي‌شكل سفر مي‌كند كه در طول سه مدار نزديك زمين، مياني و زمين‌ثابت گسترش يافته است. اين ماهواره به‌صورت طبيعي براي بيش از يك قرن در فضا باقي خواهد ماند؛ اما در سال ۲۰۱۵، آژانس فضايي اروپا تصميم به تنظيم مدار آن گرفت و بر همين اساس ناظران ماهواره با چند پيشرانش فضايي جزئي، ماهواره را در مسيري قرار دارند كه با رزونانس گرانشي تعامل برقرار كند و اكنون به‌جاي قرن‌ها بعد، سال ۲۰۲۹ مجددا وارد اتسمفر خواهد شد.

در سال ۲۰۱۶، روزنگرن و همكارانش در فرانسه و ايتاليا نشان دادند كه شبكه‌اي متراكم از رزونانس مداري وجود دارد كه نحوه‌ي رفتار اجسام را در مدار مياني زمين تعيين مي‌كند. روزنگرن معتقد است اين شبكه مي‌تواند راه‌حلي بالقوه ارائه دهد. در اين شبكه‌ي متراكم از رزونانس، مسيرهايي وجود دارند كه نه به مدار مياني زمين، بلكه به‌طور مستقيم به درون اتسمفر منتهي مي‌شوند و گردانندگان مي‌توانند با بهره‌گيري از آن‌ها، ماهواره‌هايشان را به‌صورت مستقيم به سمت نابودي هدايت كنند. روزنگرن مي‌گويد: «ما اين شيوه را دفع منفعلانه از طريق رزونانس‌ها و ناپايداري‌ها مي‌ناميم. بله، ما نيازمند نامي جديد هستيم.»

ديگر پژوهشگران ايده‌ي فوق را پيش از اين مطالعه كرده بودند؛ اما روزنگرن در تلاش است تا اين روش را به جريان اصلي تبديل كند. او مي‌گويد: «اين يكي از ايده‌هاي جديدتر در [مقابله با] زباله‌هاي فضايي است.»

دسترسي به اين مسيرهاي دفع ماهواره در آسمان به‌راحتي امكان‌پذير است. در ماه ژوئيه در كنفرانسي فضايي در پاسادينا كاليفرنيا، روزنگرن و همكارانش در مورد تحليل خود از ماهواره‌هاي رصدخانه‌ي ژئوفيزيكي گردان ايالات متحده از دهه‌ي ۱۹۶۰ گزارش دادند. دانشمندان دريافتند كه تغيير تاريخ يا زمان پرتاب به ميزان بسيار كم ۱۵ دقيقه، مي‌تواند منجر به تغييرات بسيار بزرگي در مقدار زمان باقي ماندن ماهواره در مدار شود. چنين اطلاعاتي مي‌تواند به‌منظور كمك به برآورد بهترين زمان براي ترك سكوي پرتاب به‌كار گرفته شود.

هما‌ن‌گونه كه گردانندگان ماهواره‌هايي نظير CryoSat-2 دريافته‌اند، فعال بودن فضاپيما اكنون مي‌تواند از وقوع بسياري از حوادث در مسير جلوگيري كند. هنگامي كه آژانس فضايي اروپا در ماه ژوئيه تصميم به انجام اقدام گريزآميز گرفت، مهندسان اين سازمان ناگزير بودند كل هفته را با يكديگر كار كنند تا براي مانور آماده شوند. به گفته‌ي ويتالي برون، مهندس زباله‌هاي فضايي در آژانس فضايي اروپا، هنگامي كه زباله‌ي فضايي به‌طور ايمن از كنار CrysoSat-2 عبور كرد؛ چند روز طول كشيد تا اين ماهواره به مدار معمول خود بازگردد.

با اين حال، هشدارها درباره‌ي نزديك شدن زباله‌هاي فضايي متوقف نمي‌شوند. در هفته‌هاي بعدي، گردانندگان ماهواره ناگزير بودند به‌منظور اجتناب از برخورد با زباله‌ها، ماهواره‌هاي مختلف را دست‌كم ۶ مرتبه جابجا كنند آن‌ها در ۲۳ آگوست، سنتيل ۳ بي را براي نخستين بار از سر راه زباله‌اي فضايي حركت دادند؛ ماهواره‌اي كه از قرارگيري آن در مدار تنها چهار ماه مي‌گذشت.