تلاش‌های بشر برای حل معضلی به نام زباله‌های فضایی

روز دوشنبه دوم ژوئیه‌ی امسال، فضاپیمای پژوهشی CryoSat-2 که بر یخ‌های قطبی زمین نظارت می‌کند، همانند همیشه در ارتفاع بالای ۷۰۰ کیلومتر از سطح سیاره در حال گردش در مدار خود بود؛ اما در آن روز، ناظران ماموریت در آژانس فضایی اروپا (ESA) با وضعیتی خطرناک روبه‌رو شدند و دریافتند که قطعه‌ای زباله‌ی فضایی به‌طرز غیر قابل کنترلی در حال حرکت به سمت ماهواره‌ی ۱۶۲ میلیون دلاری آن‌ها است.

همان‌طور که مهندسان به دنبال کردن مسیر هر دو جسم پرداختند، احتمال برخورد آن‌ها با یکدیگر به‌آرامی افزایش یافت و ناظران ماموریت در ادامه به‌منظور جلوگیری از حادثه، ناگزیر به مداخله شدند. در ۹ ژوئیه، آژانس فضایی اروپا با بهره‌گیری از پیشرانش فضایی به CryoSat-2 شتاب داد تا آن را در مدار بالاتری قرار دهد و تنها ۵۰ دقیقه بعد، زباله‌ی یادشده با سرعت سرسام‌آور ۴.۱ کیلومتر در ثانیه از کنار ماهواره عبور کرد.

این گونه مانورها هر ساله با افزایش تراکم فضای پیرامون زمین، بیش از پیش رواج پیدا می‌کنند. در سال ۲۰۱۷، شرکت‌های تجاری، سازمان‌های نظامی، مدنی و غیر حرفه‌ای بیش از ۴۰۰ ماهواره به دور زمین پرتاب کردند که چهار برابر بیشتر از میانگین سالانه در سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰ به حساب می‌آید. اگر شرکت‌هایی نظیر بوئینگ، وان‌وب و اسپیس‌ایکس در پیروی از برنامه‌های خود، صدها تا هزاران ماهواره‌ی ارتباطی را تا چند سال آینده به فضا بفرستند، این رقم می‌تواند به‌مراتب افزایش پیدا کند. در صورتی که این حجم عظیم از «صورت‌های فلکی مصنوعی» به فضا بروند، شمار کلی آن‌ها با تعداد ماهواره‌هایی که انسان در تاریخ پروازهای فضایی پرتاب کرده است، تقریبا برابر خواهد شد.

آینده‌ی روند فعلی غیر قابل تصور است. تنها چند برخورد فضایی کنترل‌نشده می‌تواند زباله کافی برای به‌راه انداختن آبشاری عظیم و سرگردان از قطعات متلاشی‌شده ایجاد یا به عبارتی دیگر، فضای نزدیک زمین را غیر قابل استفاده کند. کارولین فروه، پژوهشگر مکانیک مداری در دانشگاه پردیو در ایندیانا آمریکا می‌گوید: «اگر ما به همین شکل پیش برویم، به نقطه‌ای بدون بازگشت خواهیم رسید.»

اخترشناسان و دیگر دانشمندان از دهه‌ی ۶۰ میلادی تاکنون نگران زباله‌های فضایی بوده‌اند. پژوهشگران در آن هنگام مخالف یکی از پروژه‌های نظامی آمریکا بودند که میلیون‌ها سوزن مسی کوچک را به مدار ارسال می‌کرد. این سوزن‌ها قصد داشتند در صورتی که آزمایش‌های اتمی شوروی در ارتفاع بالا موجب نابودی یونوسفر (لایه‌ای جوی که امواج رادیویی را به مسافت‌های دور در اطراف زمین بازتاب می‌دهد) شوند، ارتباطات رادیویی را فعال نگاه دارند. نیروی هوایی ایالات متحده، سوزن‌ها را در سال ۱۹۶۳ به مدار ارسال کرد و با موفقیت کمربندی بازتا‌ب‌دهنده را در فضا شکل داد. بسیاری از سوزن‌ها به‌صورت طبیعی در طول سه سال آینده از مدار به به پایین افتادند؛ اما نگرانی از «آلوده‌سازی» فضا به پایان دادن به این پروژه کمک کرد.

لیزا رند، تاریخ‌شناس علم در فیلادلفیا و و یکی از اعضای انجمن تاریخ آمریکا و ناسا می‌گوید:

این یکی از نخستین مثال‌ها از عمومی دانستن فضا به‌عنوان چشم‌اندازی بود که باید پاک نگاه داشته شود.

از زمانی که شوروی اسپوتنیک، نخستین ماهواره‌ی خود را در ۱۹۵۷ پرتاب کرد، تعداد اجسام موجود در فضا به‌تدریج سیر صعودی گرفت؛ بدین صورت که در ۱۹۷۰ به نزدیک به ۲۰۰۰ شی و با آغاز قرن بیست و یک به تقریبا ۷۵۰۰ شی رسید و در حال حاضر نیز در حدود ۲۰ هزار جسم شناخته‌شده در فضا وجود دارد. بزرگترین جهش‌های ناگهانی در مقدار زباله‌های مداری نخست در سال ۲۰۰۷ به‌وقوع پیوست؛ هنگامی که دولت چین یکی از ماهواره‌های خود را در یک آزمایش موشکی نابود کرد و دوم در سال ۲۰۰۹ و پس از آن بود که دو ماهواره‌ی ایریدیوم و کاسموس با یکدیگر برخورد کردند. این دو حادثه منجر به تولید هزاران قطعه‌ی متلاشی‌شده‌ی تازه شدند و به‌گفته‌ی هولگرکراگ، سرپرست واحد زباله‌های فضایی در آژانس فضایی اروپا در دارمشتات آلمان، هر ساله از بین بیش از ۲۰ مانور ماهواره‌ای این سازمان، نزدیک به نیمی از آن‌ها به‌منظور جلوگیری از برخورد با بقایای رهاشده از دو حادثه‌ی یادشده انجام می‌شود.

آسیبی که در نتیجه‌ی برخورد فضاپیمای اندور با یک تکه زباله‌ی فضایی یا ریزشهاب‌سنگ ایجاد شد.

هرچه توانایی ما در رهگیری و نظارت بر اجسام فضایی افزایش می‌یابد، تعداد اشیاء موجود در مدار نیز سیر صعودی می‌گیرد. این بدین معنی است که شرکت‌ها، دولت‌ها و دیگر بازیگران در فضا به‌منظور اجتناب از تهدیدی مشترک، باید به روش‌های تازه‌ای با یکدیگر همکاری کنند. از دهه‌ی ۲۰۰۰ تاکنون، گروه‌های بین‌المللی نظیر کمیته‌ی هماهنگی میان آژانس‌ها در موضوع زباله‌های فضایی، دستورالعمل‌هایی را برای دستیابی به پایداری فضا تدوین کرده‌اند. این رهنمودها شامل از کار انداختن ماهواره‌ها در پایان عمر مفید آن‌ها از طریق خالی کردن سوخت باقی‌مانده یا دیگر مواد تحت فشاری است که می‌توانند موجب وقوع انفجار شوند. گروه‌های بین‌دولتی نیز پیشنهاد می‌دهند که سازمان‌ها یا شرکت‌ها ماهواره‌هایشان را به‌اندازه‌ای کافی در اتمسفر پایین بیاورند تا پس از گذشت ۲۵ سال بسوزند یا متلاشی شوند.

با این حال، بنا به گفته‌ی کرگ، تاکنون تنها نزدیک به نیمی از تمام ماموریت‌ها از دستورالعمل ۲۵ ساله تبعیت کرده‌اند. گردانندگان ماهواره‌های برنامه‌ریزی‌شده می‌گویند آن‌ها مسئول مدیریت فضا خواهند بود؛ اما کرگ نگران است که مشکل زباله‌های فضایی با وجود بهترین تلاش‌های آن‌ها تشدید شود. وی این سوال را مطرح می‌کند که «چه بلایی سر آن [شرکت]‌هایی خواهد آمد که ناموفق یا ورشکسته می‌شوند؟ آن‌ها احتمالا برای خارج کردن ماهواره‌هایشان از فضا پولی خرج نخواهند کرد.»

ار نظر تئوری، گردانندگان ماهواره برای آنکه بتوانند تمام ماموریت‌ها را با ایمنی انجام دهند و هرگز به هیچ جسم دیگری نزدیک نشوند، باید فضای بسیار زیادی در اختیار داشته باشند. بنابراین، برخی از دانشمندان با تلاش برای درک موقعیت تمام بقایای سرگردان در فضا با دقتی بسیار بالا، درصدد حل مشکل زباله‌های فضایی هستند. تشخیص موقعیت این زباله‌ها، لزوم انجام بسیاری از مانورهای غیر ضروری امروزی را با هدف جلوگیری از برخوردهای احتمالی، کاهش خواهد داد. مارلون سورج، متخصص زباله‌های فضایی در شرکت ارواسپیس کورپوریشن در کالیفرنیا می‌گوید:

اگر از موقعیت هر جسم به‌طور دقیق اطلاع پیدا کنید، تقریبا هرگز با مشکل مواجه نخواهید شد.

این رشته، مدیریت ترافیک فضا نامیده می‌شود؛ زیرا قابل مقایسه با مدیریت ترافیک در جاده‌ها یا هوا است. موریبا جاه، متخصص دینامیک مداری در دانشگاه تگزاس می‌گوید یک روز شلوغ را در فرودگاه را تصور کنید. هواپیماهایی که همچون رشته‌ای از مروارید در آسمان به‌خط شده‌اند، در یک روال به‌دقت برنامه‌ریزی‌شده، نزدیک به یکدیگر فرود می‌آیند و پرواز می‌کنند. ناظران ترافیک هوایی از موقعیت هواپیماها تا دقت یک متر اطلاع دارند. با این حال، مدیریت ترافیک نمی‌تواند دقیقا به همان شکل در مورد زباله‌های فضایی اعمال شود. تمام اجسام در مدار شناخته‌شده نیستند و حتی آن‌هایی که در پایگاه‌های داده به‌حساب آمده‌اند، با سطوح مختلفی از دقت ردیابی شده‌اند. علاوه ‌بر این، هیچ کاتالوگ معتبری وجود ندارد که تمام زباله‌های فضایی شناخته‌شده در مدارها را به‌دقت فهرست‌بندی کرده باشد.

جاه فهرست‌بندی زباله‌های فضایی را با یک پایگاه داده‌ی مبتنی بر وب که خود توسعه داده و آن را ASTRIAGraph می‌نامد، نشان می‌دهد. این پایگاه از چندین منبع نظیر کاتالوگ‌های نگهداری‌شده توسط دولت‌های آمریکا و روسیه استفاده می‌کند تا موقعیت اجسام را در فضا به تصویر بکشد. هنگامی که او برای یافتن یک جسم فضایی به‌خصوص، نامش را در شناساگر می‌نویسد، آستریاگراف به‌منظور تعیین آن، خطی بنفش را رسم می‌کند.

با این حال، آستریاگراف با برخی از اجسام به‌خوبی کار نمی‌کند؛ از جمله بدنه‌ی یک راکت روسی که در سال ۲۰۰۷ پرتاب شد و در پایگاه داده به‌عنوان جسم شماره‌ی ۳۲۲۸۰ شناسایی می‌شود. هنگامی که جاه این شماره را وارد می‌کند، آستریاگراف دو خط بنفش به‌تصویر می‌کشد؛ زیرا منابع آمریکایی و روسی برای یک جسم یکسان، دو مدار کاملا متفاوت را ذکر کرده‌اند. جاه می‌گوید تعیین مدار صحیح تقریبا غیر ممکن است؛ مگر آنکه منبع اطلاعاتی سومی بتواند به تشخیص موقعیت صحیح کمک کند.

کیوبست‌ها، ماهواره‌های مکعبی‌شکل کوچکی که در سال ۲۰۱۲ از ایستگاه فضایی بین‌المللی رها شدند.

آستریاگراف در حال حاضر حاوی برخی، اما نه تمام منابع اصلی اطلاعاتی درباره‌ی ردیابی اجسام فضایی است. کاتالوگ ارتش ایالات متحده (بزر‌گترین پایگاه داده‌ی در دسترس عموم) با احتمال قریب به یقین، اطلاعات مربوط به ماهواره‌های محرمانه را از قلم انداخته است. دولت روسیه نیز به‌نحو مشابهی بخش زیادی از داده‌های خود را افشا نمی‌کند. در چند سال گذشته، چندین پایگاه داده‌ی تجاری ردیابی فضایی توسعه یافته‌اند؛ اما اغلب آن‌ها اجازه‌ی دسترسی آزادانه به اطلاعات خود را نمی‌دهند.

جاه خود را به‌عنوان یک طرفدار محیط‌زیست فضایی توصیف می‌کند:

من می‌خواهم فضا را به مکانی تبدیل کنم که برای فعالیت ایمن و همچنین آزاد و قابل استفاده برای نسل‌های آینده باشد.

وی می‌گوید تا زمانی که این چشم‌انداز به حقیقت نپیوندد، جامعه‌ی فضایی کماکان به آلوده‌سازی محیط مشترک فضا و از دسترس خارج کردن آن برای نسل‌های بعد ادامه خواهد داد.

جاه و دیگر مدافعان محیط‌زیست فضایی، دست‌کم در آمریکا شروع به پیشرفت کرده‌اند. جاه سال گذشته به دعوت تد کروز، سناتور جمهوری‌خواه از ایالت تگزاس که در ماه ژوئیه لایحه‌ی نظام‌نامه‌ی فضایی را معرفی کرد، در مورد مدیریت ترافیک فضایی در مقابل کنگره شهادت داد. در ماه ژوئن، پرزیدنت دونالد ترامپ نیز فرمانی را در مورد سیاست فضایی امضا کرد که مسئولیت کاتالوگ عمومی زباله‌های فضایی را از ارتش به یک آژانس غیر نظامی (احتمالا وزارت بازرگانی) واگذار می‌کند.

فرمان سیاست فضایی فرصتی بی‌نظیر برای مطرح کردن زباله‌های فضایی در بالاترین سطوح دولت ایالات متحده است. مایک گلد، نائب رئیس بخش نظارت، سیاست‌گذاری و قراردادهای دولتی در شرکت فناوری فضایی ماکسار تکنولوژیز در کلرادو می‌گوید: «این نخستین بار است که ما این بحث را به شکلی جدی مطرح می‌کنیم.»

فضای پیرامون زمین انباشته از مردگان متحرک است. نزدیک به ۹۵ درصد از تمام اجسام در مدار، ماهواره‌های از کار افتاده یا غیر فعال هستند. هنگامی که گرداننده‌ی یک ماهواره‌ی فعال، هشداری مبنی بر حرکت جسمی در مسیر برخورد دریافت می‌کند، اطلاع از میزان خطری که زباله‌ی پیش‌رو به‌همراه دارد، برای وی مفید و کمک‌کننده خواهد بود. فروه می‌گوید: «با افزایش بیش از پیش اجسام و خطاهای تخمینی کنونی، صرفا به‌صورت بی‌پایان هشدارهای برخورد دریافت خواهید کرد.» البته باید در نظر داشت که ریزشهاب‌سنگ‌ها بیانگر تهدیدی مجزا هستند و امکان ردیابی آن‌ها اصلا وجود ندارد.

به‌منظور ارزیابی خطر برخورد قریب‌الوقوع، گردانندگان ماهواره باید از ماهیت جسم مطلع باشند؛ اما کاتالوگ‌های ردیاب، اطلاعات کمی درباره‌ی بسیاری از اجسام دارند. در این موارد، ارتش و دیگر ردیاب‌های فضایی از تلسکوپ بهره می‌گیرند تا پیش از وقوع برخورد، سرنخ‌ها را در کوتاه‌مدت جمع‌آوری کنند.

فروه و همکارانش در همکاری با نیروی هوایی ایالات متحده در حال توسعه‌ی روش‌هایی هستند تا بتوانند جزئیات اجسام در حال گردش را حتی با وجود ناچیز بودن اطلاعات درباره‌ی آن‌ها به‌سرعت کشف کنند. فروه به‌عنوان مثال با مطالعه درباره‌ی اینکه چگونه یک جسم نور خورشید را با عبور از بالای سر بازتاب می‌دهد، می‌تواند نتیجه بگیرد که آن جسم در حال حرکت است یا نه؛ سرنخی که فعال یا غیر فعال بودن جسم را مشخص می‌کند. تیم او همچنین در حال آزمایش الگوریتم یادگیری ماشین است؛ فناوری قدرتمندی که می‌تواند به فرآیند تعیین ویژگی‌های اجسام سرعت ببخشد.

تکه‌ای زباله‌ی فضایی که ظاهرا متعلق به یکی از ماموریت‌های شاتل فضایی در ۱۹۹۸ است.

به‌محض آنکه پژوهشگران از جنس یک جسم در حال گردش مطلع شوند، چندین روش بالقوه‌ برای کاهش تهدید آن در اختیار خواهند داشت. برخی از پیشنهادهای برگرفته از داستان‌های علمی تخیلی شامل استفاده از آهن‌ربا برای جذب زباله‌ی فضایی یا بهره‌گیری از لیزر برای نابودی یا انحراف آن در مدار است. در هفته‌های پیش‌رو، پژوهشگران در دانشگاه ساری در گیلدفورد بریتانیا طی پژوهشی از یک تور برای به‌دام انداختن ماهواره‌ای آزمایشی استفاده می‌کنند. این پروژه که حذف زباله (RemoveDEBRIS) نامیده می‌شود، در ادامه ماهواره را به مداری هدایت می‌کند تا دوباره وارد اتمسفر شود.

اما چنین رویکردهای فعالانه‌ای برای پاکسازی فضا از زباله با توجه به تعداد بی‌شمار اجسام در مدار، ظاهرا در بلندمدت عملی نخواهند بود. در نتیجه برخی از مختصصان، بهترین روش مقابله با زباله‌های فضایی را رویکرد منفعلانه می‌دانند. این شیوه از مزیت کشش‌های گرانشی خورشید و ماه بهره می‌گیرد که با عنوان رزونانس (تشدید) شناخته می‌شود و می‌تواند ماهواره‌ها را در مسیر نابودی قرار دهد. آرون روزنگِرِن، متخصص دینامیک مداری در دانشگاه آریزونا هم‌اکنون در حال توسعه‌ی روش‌هایی برای انجام این کار است.

روزنگرن ابتدا هنگامی که در حال مطالعه‌ی سرنوشت ماهواره‌ها در مدار میانی زمین بود، با ایده‌ی فوق مواجه شد. این مدار، منطقه‌ای از فضای دور زمین است که بین تقریبا ارتفاع بالای ۲ هزار کیلومتر، جایی که مدار نزدیک زمین پایان می‌یابد و ۳۵ هزار کیلومتر، جایی که مدار زمین‌ثابت (کمربند کلارک) آغاز می‌شود، قرار دارد. در مدار نزدیک زمین می‌توان با اجبار ماهواره‌ها به ورود مجدد به اتمسفر، آن‌ها را دفع کرد. همچنین اکثر ماهواره‌ها در منطقه‌ی کم‌رفت و آمد‌تر زمین‌ثابت نیز می‌توانند به‌صورت ایمن در مدارهای «گورستان» که هرگز ارتباطی با دیگر اجسام برقرار نمی‌کنند، قرار گیرند. اما در مدار میانی زمین، به علت پدیده‌ی رزونانس گرانشی، این امکان وجود دارد که مسیرهای ماهواره‌ای در طولانی‌مدت ناپایدار شوند.

نخستین بار تلکسوپ فضایی انتگرال متعلق به آژانس فضایی اروپا که در سال ۲۰۰۲ پرتاب شد. نشان داد که گردانندگان فضاپیما می‌توانند پدیده‌ی یادشده را مهار کنند. انتگرال در مداری بیضی‌شکل سفر می‌کند که در طول سه مدار نزدیک زمین، میانی و زمین‌ثابت گسترش یافته است. این ماهواره به‌صورت طبیعی برای بیش از یک قرن در فضا باقی خواهد ماند؛ اما در سال ۲۰۱۵، آژانس فضایی اروپا تصمیم به تنظیم مدار آن گرفت و بر همین اساس ناظران ماهواره با چند پیشرانش فضایی جزئی، ماهواره را در مسیری قرار دارند که با رزونانس گرانشی تعامل برقرار کند و اکنون به‌جای قرن‌ها بعد، سال ۲۰۲۹ مجددا وارد اتسمفر خواهد شد.

در سال ۲۰۱۶، روزنگرن و همکارانش در فرانسه و ایتالیا نشان دادند که شبکه‌ای متراکم از رزونانس مداری وجود دارد که نحوه‌ی رفتار اجسام را در مدار میانی زمین تعیین می‌کند. روزنگرن معتقد است این شبکه می‌تواند راه‌حلی بالقوه ارائه دهد. در این شبکه‌ی متراکم از رزونانس، مسیرهایی وجود دارند که نه به مدار میانی زمین، بلکه به‌طور مستقیم به درون اتسمفر منتهی می‌شوند و گردانندگان می‌توانند با بهره‌گیری از آن‌ها، ماهواره‌هایشان را به‌صورت مستقیم به سمت نابودی هدایت کنند. روزنگرن می‌گوید: «ما این شیوه را دفع منفعلانه از طریق رزونانس‌ها و ناپایداری‌ها می‌نامیم. بله، ما نیازمند نامی جدید هستیم.»

دیگر پژوهشگران ایده‌ی فوق را پیش از این بررسی کرده بودند؛ اما روزنگرن در تلاش است تا این روش را به جریان اصلی تبدیل کند. او می‌گوید: «این یکی از ایده‌های جدیدتر در [مقابله با] زباله‌های فضایی است.»

دسترسی به این مسیرهای دفع ماهواره در آسمان به‌راحتی امکان‌پذیر است. در ماه ژوئیه در کنفرانسی فضایی در پاسادینا کالیفرنیا، روزنگرن و همکارانش در مورد تحلیل خود از ماهواره‌های رصدخانه‌ی ژئوفیزیکی گردان ایالات متحده از دهه‌ی ۱۹۶۰ گزارش دادند. دانشمندان دریافتند که تغییر تاریخ یا زمان پرتاب به میزان بسیار کم ۱۵ دقیقه، می‌تواند منجر به تغییرات بسیار بزرگی در مقدار زمان باقی ماندن ماهواره در مدار شود. چنین اطلاعاتی می‌تواند به‌منظور کمک به برآورد بهترین زمان برای ترک سکوی پرتاب به‌کار گرفته شود.

هما‌ن‌گونه که گردانندگان ماهواره‌هایی نظیر CryoSat-2 دریافته‌اند، فعال بودن فضاپیما اکنون می‌تواند از وقوع بسیاری از حوادث در مسیر جلوگیری کند. هنگامی که آژانس فضایی اروپا در ماه ژوئیه تصمیم به انجام اقدام گریزآمیز گرفت، مهندسان این سازمان ناگزیر بودند کل هفته را با یکدیگر کار کنند تا برای مانور آماده شوند. به گفته‌ی ویتالی برون، مهندس زباله‌های فضایی در آژانس فضایی اروپا، هنگامی که زباله‌ی فضایی به‌طور ایمن از کنار CrysoSat-2 عبور کرد؛ چند روز طول کشید تا این ماهواره به مدار معمول خود بازگردد.

با این حال، هشدارها درباره‌ی نزدیک شدن زباله‌های فضایی متوقف نمی‌شوند. در هفته‌های بعدی، گردانندگان ماهواره ناگزیر بودند به‌منظور اجتناب از برخورد با زباله‌ها، ماهواره‌های مختلف را دست‌کم ۶ مرتبه جابجا کنند آن‌ها در ۲۳ آگوست، سنتیل ۳ بی را برای نخستین بار از سر راه زباله‌ای فضایی حرکت دادند؛ ماهواره‌ای که از قرارگیری آن در مدار تنها چهار ماه می‌گذشت.