نگرانی ناسا از رشد زباله‌های فضایی با افزایش تعداد ماهواره‌ها

در حال حاضر، نزدیک به چهار هزار فضاپیمای سالم و دست‌نخورده در مدار نزدیک زمین زندگی می‌کنند که از این بین تنها ۱۸۰۰ فروند در حال فعالیت هستند. با این حال، بسیاری از شرکت‌ها قصد دارند که این رقم را به نحو قابل توجهی افزایش دهند. گردانندگان ماهواره مشتاقند که هزاران ماهواره را با توانایی ارسال اتصال اینترنت به زمین و ایجاد پوشش جهانی به فضا پرتاب کنند. اسپیس‌ایکس درخواست‌ پرتاب نزدیک به ۱۲ هزار ماهواره‌ی ارسال‌کننده‌ی اینترنت را برای کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) ارسال کرده است؛ بدین صورت که در گام نخست، یک صورت فلکی اولیه متشکل از ۴۴۲۵ ماهواره و به دنبال آن صورت فلکی بعدی با ۷۵۱۸ ماهواره به فضا پرتاب شود. در همین حال، شرکت وان‌وب نیز تاییدیه‌ی پرتاب حداکثر ۷۲۰ ماهواره را از کمیسیون ارتباطات فدرال دریافت کرده و به‌تازگی برای کسب مجوز پرتاب ۱۲۶۰ ماهواره‌ی دیگر درخواست داده است.

اگر تمام این صورت‌های فلکی ماهواره‌ای تقریبا در یک زمان با موفقیت پرتاب شوند، تعداد ماهواره‌های فعال در مدار چهار برابر خواهد شد و خطر بروز فاجعه‌ی ناشی از برخورد ماهواره‌ها به یکدیگر افزایش خواهد یافت. ناسا در پی آن بود که از تاثیر بالقوه‌ی چنین محیط فضایی متراکمی آگاه شود و به همین دلیل در مطالعه‌ای تازه، به پیش‌بینی سناریوهای احتمالی درباره‌ی استقرار صورت‌های فلکی عظیم متشکل از هزاران ماهواره در مدار نزدیک زمین پرداخت تا نوع تاثیری را که آن‌ها بر جای خواهند گذاشت، مشخص کند. دانشمندان ناسا براساس پژوهش خود استدلال می‌کنند که تقریبا تمام این ماهواره‌ها (۹۹ درصد) باید به محض اتمام ماموریتشان در فضا از مدار خارج شوند. با درپیش گرفتن این رویکرد، از تعداد برخوردهای ناشی از افزایش ماهواره‌ها در چند سده‌ی آینده جلوگیری خواهد شد.

جِر چی لیو، پژوهشگر ارشد بقایای مداری در ناسا و سرپرست این مطالعه‌ی تازه به خبرگزاری ورج می‌گوید:

با توجه به تعداد ماهواره‌های تشکیل‌دهنده‌ی صورت‌های فلکی عظیم، [این شرکت‌ها] باید به زمینه‌های خاصی توجه کنند تا اطمینان حاصل شود که محیط فضایی نزدیک زمین را با بقایای مداری قابل ملاحظه آلوده نمی‌کنند.

صنعت هوافضا به‌طور مشخص نگران برخوردهای فضایی است؛ زیرا این حوادث می‌توانند موجب ایجاد تعداد بی‌شماری از بقایای کوچکی شوند که با سرعت هزاران کیلومتر بر ساعت در فضا حرکت می‌کنند. این قطعات متلاشی‌شده می‌توانند دیگر ماهواره‌های در مدار را در معرض تهدید قرار دهند و منجر به وقوع تصادم‌ها و خسارت‌های بعدی شوند. بسیاری نگرانند که این برخوردها می‌توانند اثر آبشاری را ایجاد کنند؛ بدین مفهوم که با افزایش ترافیک فضایی، تصادم‌ها بیشتر و بیشتر اتفاق بیفتند تا جایی که مدار نزدیک زمین به محیطی به‌شدت شلوغ و خطرناک برای فعالیت ماهواره‌ها تبدیل شود؛ آینده‌ای فرضی که ناسا به آن، سندروم کسلر می‌گوید. خوشبختانه، برخوردهای فضایی تا به امروز به ندرت اتفاق افتاده‌اند. با این حال، در سال ۲۰۰۹ یک ماهواره‌ی ازکارافتاده‌ی روسی با یک فضاپیمای ارتباطی آمریکایی برخورد کرد که در نتیجه‌ی آن، هزاران قطعه زباله‌ی فضایی ایجاد شد.

لیو و تیم او به‌منظور بررسی خطرات، تعداد ماهواره‌هایی را که در طول چند سال آینده در فضا مستقر خواهند شد و همچنین میزان فضایی را که اشغال خواهند کرد، برآورد کردند. تیم ناسا فرض را بر این گرفت که تا چند سال آینده احتمالا بین ۶۷۰۰ تا ۸۳۰۰ فضاپیمای بیشتر به فضا افزوده خواهد شد. آن‌ها همچنین وزن هر فضاپیما را تقریبا بین ۱۵۰ تا ۳۰۰ کیلوگرم و زمان فعالیت آن‌ها را در مدار نزدیک به ۵ سال حساب کردند. لیو می‌گوید:

ما تلاش کردیم تا از اطلاعات موجود در دامنه‌ی عمومی شرکت‌هایی استفاده کنیم که استقرار صورت‌های فلکی بزرگ را با چنین اندازه‌هایی پیشنهاد می‌دهند.

آینده‌ی فرضی یادشده در نهایت منجر به مطرح شدن توصیه‌ی ۹۹ درصد شد. براین اساس، به ازای هر ۱۰۰ ماهواره، ۹۹ فروند باید به محض اتمام ماموریت که به‌طور معمول ۵ سال به طول می‌انجامد، از مدار خارج شوند. خارج شدن ماهواره‌ها از مدار، مستلزم پایین آوردن ارتفاع آن‌ها به اندازه‌ای است که بلافاصله تحت تاثیر گرانش زمین قرار بگیرند و در حین سقوط به داخل جو زمین بسوزند. اگر این این اتفاق به وقوع نپیوندد، جمعیت فضاپیماها در مدار نزدیک زمین در طول سال‌های آینده به نحو قابل توجهی افزایش خواهد یافت.

یکی از ماهواره‌های آزمایشی اسپیس‌ایکس برای ارسال اینترنت که در ماه فوریه پرتاب شد.

هرچه اجسام بیشتری در فضا باشند، احتمال برخوردهای برنامه‌ریزی‌نشده‌ی فضاپیماها افزایش پیدا خواهد کرد. به‌عنوان مثال، تیم ناسا این احتمال را بررسی کردند که اگر تنها ۹۰ درصد از این صورت‌های فلکی بزرگ به‌موقع از مدار خارج شوند، چه اتفاقی خواهد افتاد. در آن وضعیت، تعداد برخوردها تا ۲۰۰ سال آینده نزدیک به ۲۶۰ مورد خواهد بود. اما اگر ۹۹ درصد از ماهواره‌ها به‌موقع از مدار خارج شوند، در همان بازه‌ی زمانی تنها ۳۴ برخورد اتفاق خواهد افتاد. این مقدار اندکی بیشتر از خطر فعلی است.

لیو اذعان می‌کند که ۹۹ درصد، رقم واقعا بالایی به‌شمار می‌رود و پایبندی به آن آسان نیست؛ اما ایمن نگاه داشتن مدار نزدیک زمین برای فضاپیماها امری ضروری است. وی می‌گوید:

اگر به هدف ۹۹ درصد دست پیدا نکنیم، تعداد اجسام فضایی به نحو قابل توجهی افزایش خواهد یافت.

علاوه‌بر بررسی تازه‌ی ناسا، مطالعات مشابه دیگر به همین نتیجه رسیده‌اند. دانشمندان در آژانس فضایی اروپا سال گذشته توصیه کردند که صورت‌های فلکی بزرگ باید با نرخ ۹۵ درصد از بین بروند.

علاوه‌بر ضرورت از مدار خارج کردن ماهواره‌ها، مطالعه‌ی ناسا چندین توصیه‌ی دیگر را برای گردانندگان ماهواره فهرست کرده است. به‌عنوان مثال، این فضاپیماها باید به‌صورت مضاعف مقاوم‌سازی شوند تا تاب تحمل برخورد با هر نوع بقایای موجود در فضا به‌خصوص ریزشهاب‌واره‌ها را داشته باشند. در آن صورت، اگر سنگی کوچک به یکی از این ماهواره‌ها برخورد کند، فضاپیما آسیب چندان بدی نخواهد دید و قادر به خروج به‌موقع از مدار خواهد بود. این ماهواره‌ها همچنین نباید به‌آسانی منفجر شوند. براساس اظهارات لیو، از زمانی که انسان ارسال فضاپیما به مدار را آغاز کرده، نزدیک به ۲۰۰ حادثه‌ی انفجاری در فضا به وقوع پیوسته است و در اثر آن‌ها،  بقایایی ایجاد شده‌اند که می‌توانند دیگر فضاپیماها را در معرض خطر قرار دهند. لیو توصیه می‌کند که ماهواره‌های تشکیل‌دهنده‌ی صورت‌های فلکی عظیم باید به‌گونه‌ای ساخته شوند که احتمال انفجار آن‌ها کمتر از یک در هزار باشد.

این توصیه‌ها، زمان و هزینه‌ی لازم برای ساخت این فضاپیماها و راه‌انداختن شبکه‌های ماهواره‌ای را افزایش می‌دهند. اما پایبندی به این مقررات، قابل استفاده ماندن فضای نزدیک زمین را برای آینده‌ی قابل پیش‌بینی تضمین خواهد کرد. هنگامی که کمیسیون ارتباطات فدرال مجوز اسپیس‌ایکس برای ماهواره‌های اینترنتی‌اش را تایید کرد؛ اظهار داشت که این شرکت با وجود ارائه‌ی جزئیات و تحلیل‌ها در پرونده‌اش، ملزم به فراهم کردن «توضیحات به‌روزرسانی‌شده از برنامه‌های کاهش بقایای مداری برای سامانه‌اش خواهد بود». اسپیس‌ایکس در پاسخ اعلام کرد که ماهواره‌هایش را ظرف مدت ۵ تا ۷ سال از مدار خارج می‌کند. در همین حال، وان‌وب نیز با افتخار اعلام کرد که برنامه‌هایش برای از مدار خارج کردن ماهواره‌ها به‌شدت قابل اعتماد هستند و آن‌ها را ظرف مدت پنج سال از مدار خارج خواهد کرد.

تصویر رندر از یکی از ماهواره‌های وان‌وب

برای اطمینان از اینکه این ماهواره‌ها سریع‌تر از مدار خارج می‌شوند، گزینه‌های پشتیبان دیگری نیز وجود دارد. برای مثال می‌توان این ماهواره‌ها را به «ابزار از مدار خارج‌کن» نظیر یک بالون یا بادبان مجهز کرد. این ابزارها مساحت سطح ماهواره را افزایش و به آن امکان می‌دهند تا به‌وسیله‌ی ذرات بیشتر در اتمسفر بالاتر بمباران و در نهایت به سمت پایین کشیده شود. با این حال، اگر ماهواره‌ها بیش از حد بالا و از اتمسفر به دور باشند، انجام چنین کاری احتمالا دشوار خواهد بود. علاوه‌بر این، افزودن چنین ابزارهایی می‌تواند هزینه‌بر باشد. جاناتان گوف، مدیرکل و مدیرعامل استارتاپ Altius Space Machines به ورج می‌گوید:

ارزان‌ترین راه‌حل این است که به پیش‌رانش ماهواره‌ها و بزرگتر کردن مخزن سوخت آن‌ها اتکا کنیم.

با این حال، چه اتفاقی می‌افتد اگر یک فضایپما از کاربیافتد و قادر به انتقال خود به ارتفاع پایین‌تر نباشد؟ به گفته‌ی گوف، این همان‌جایی است که نقشه‌ی ب از راه می‌رسد. وی می‌گوید: «شما نقشه‌ی الف خود را تا حد ممکن قابل اعتماد می‌کنید؛ اما یک نقشه‌ی ب نیز در اختیار دارید». به همین دلیل، تعداد زیادی از مهندسان نظیر گوف به‌منظور پاکسازی فضا از فضاپیماهای ازکارافتاده و خارج کردن آن‌ها از مدار روش‌های جایگزین را پیشنهاد داده‌اند. برخی از پیشنهادها شامل استفاده از فضاپیماهایی با نیزه، تور یا لیزر است که بتوانند به پایین کشیدن ماهواره‌های ازکارافتاده کمک کنند.

با این حال، برنامه‌هایی نیز برای ساخت فضاپیماهایی وجود دارند که می‌توانند یا با هدف انجام تعمیرات یا تسهیل سقوط به سمت زمین به ماهواره‌ها برسند و آن‌ها را به دام بیاندازند. این همان نوع فضاپیمایی محسوب می‌شود که گوف در شرکت خود در حال کار روی آن است. وی پیشنهاد می‌دهد که این شرکت‌ها نوعی تجهیزات قلاب به ماهواره‌هایشان اضافه کنند تا فضاپیمای سرویس‌دهنده‌ی آتی به نحو راحت‌تری بتواند به آن‌ها متصل شود. در آن صورت، ماهواره‌های سرویس‌دهنده‌ی آتی حتی می‌توانند به جای دفع ماهواره‌های ازکارافتاده، به تعمیر یا سوخت‌رسانی مجدد به آن‌ها بپردازند. در نتیجه، گردانندگان ماهواره دیگر نیازی به جایگزینی ماهواره‌ها با نمونه‌های بعدی نخواهند داشت. گوف می‌گوید:

شما به کامیون‌های یدک‌کش نیاز دارید؛ اما ما مایلیم که به خدمات یدک‌کشی تبدیل شویم که می‌گوید بسیار خب، بگذارید ببینیم که آیا می‌توانیم خودروی شما را مجددا راه‌اندازی کنیم یا نه. بنابراین، می‌توانید از ارائه‌دهنده‌ی خدمات از مدار خارج‌کنِ پشتیبان روی گردانید و به سمت تعمیر یا ارتقای ماهواره‌ها با هدف افزایش عمر آن‌ها بروید.

برای عملیاتی شدن کامل این ماهواره‌ها در مدار هنوز راه درازی در پیش داریم. وان‌وب نخستین پرتاب خود برای انتهای امسال یا اوایل سال آینده برنامه‌ریزی کرده و اسپیس‌ایکس نیز به‌منظور حفظ مجوز کمیسیون ارتباطات فدرال خود، موظف به پرتاب چندین هزار ماهواره تا پیش از سال ۲۰۲۴ است. اما در نهایت، لیو امیدوار است که شرکت‌ها با این صورت‌های فلکی عظیم خود در مسیری ایمن به پیش بروند. وی می‌گوید:

آن‌ها از همان ابتدا با جامعه‌ی بقایای مداری وارد گفتگو شدند و درک درستی از زمینه‌های مهمی دارند که به آن توجه داشته باشند.

به گفته‌ی گوف، اگر ما بخواهیم ماموریت‌های بلندپروازانه‌تری در مدار نزدیک زمین انجام دهیم، نظیر پرتاب ایستگاه‌های فضایی خصوصی، مشکل برخوردهایی فضایی، مسئله‌ای به‌شدت مهم خواهد بود که باید درنظر گرفته شود. وی می‌گوید:

من می‌خواهم شاهد این آینده باشم؛ اما اگر ما محیط مدار نزدیک زمین را نابود کنیم یا دست‌کم وضعیت آن را به‌نحو قابل توجهی بدتر کنیم، این آینده اتفاق نخواهد افتاد.