آیا می‌توان ایستگاه فضایی بین‌المللی را سالم و یکپارچه به زمین برگرداند؟

ناسا قصد دارد در سال ۲۰۳۱ ایستگاه فضایی بین‌المللی را از مدار خود خارج کرده تا پس از ورود به جو زمین در اقیانوس سقوط کند؛ اما آیا گران‌قیمت‌ترین ساخته‌ی دست بشر نمی‌تواند سرنوشت دیگری داشته باشد؟

ایستگاه فضایی بین‌المللی از بیست سال پیش در مدار پایینی و در فاصله‌ی ۴۰۰ کیلومتری به دور زمین می‌چرخد. حرکت در مدار پایین به این معنی است که این سازه‌ی غول‌پیکر با سرعت سرسام‌آور ۷/۶۶ کیلومتر بر ثانیه حرکت کرده و در هر ۹۰ دقیقه یک بار به دور زمین گردش می‌کند. بنابراین با یک حساب سرانگشتی می‌توان گفت ایستگاه فضایی بین‌المللی در هر روز از بیست سال گذشته ۱۶ بار دور زمین چرخیده است، یعنی ۱۰۰ هزار بار چرخش به دور زمین از زمان پرتاب به فضا. اگر شما در روی زمین در زمان درست و در محل درستی قرار داشته باشید به‌ راحتی با چشم غیرمسلح یا دوربین گوشی خود می‌توانید حرکت ایستگاه فضایی بین‌المللی را در آسمان شب ببینید.

اما در این دنیا هیچ چیز تا ابد پایدار نمی‌ماند؛ حتی یک شاهکار مهندسی بی‌نظیر. ناسا می‌گوید در سال ۲۰۳۱ ایستگاه فضایی بین‌المللی از مدار خارج خواهد شد. ناسا قصد دارد با خارج کردن ایستگاه فضایی از مدار، آن را وارد جو زمین کند؛ تا در نهایت ایستگاه فضایی بین‌المللی داخل اقیانوس سقوط کند.

شاید از بین بردن یک ایستگاه فضایی گران‌قیمت و باشکوه به این شکل اسراف‌آمیز به نظر برسد. آیا بهتر نیست ایستگاه فضایی بین‌المللی سالم به زمین برگردانده شده و به‌عنوان یک موزه مورد استفاده قرار بگیرد؟ قدم زدن در داخل سازه‌ای که بیست سال در فضا به دور زمین چرخیده می‌تواند حس فضانورد بودن و سفر در زمان را به بازدیدکنندگان القا خواهد کرد.

در ادامه نگاهی خواهیم داشت به روش‌هایی که ممکن است دست‌اندرکاران ناسا بتوانند با اتکا به آن‌ها، ایستگاه فضایی بین‌المللی را سالم به زمین برگردانند.

شاید این‌طور به نظر برسد که بهترین جا برای ایستگاه فضایی بین‌المللی همان فضا باشد. اما این روش یک مشکل اساسی دارد؛ ایستگاه فضایی بین‌المللی برای گردش در مدار خود به نیروی پیشران برای تصحیح جهت حرکت نیاز دارد. بدون دخالت گاه‌و‌بی‌گاه موتورها، ایستگاه فضایی به آرامی از مدار خود خارج شده و به سمت زمین سقوط خواهد کرد. از مدار خارج کردن هدایت‌شده‌ی این سازه‌ی بزرگ می‌تواند به سقوط امن آن به زمین منجر شود، درنتیجه به‌حکم عقل و احتیاط، می‌توان تدربیری اندیشید که ایستگاه فضایی بین‌المللی روی آب‌های یکی از اقیانوس‌های زمین بیفتد؛ تا این که برای مثال روی خانه‌ی یک فرد بدشانس سقوط کند!

مدار پایین زمین یا LEO یک مکان موقت برای ماهواره‌ها و فضاپیماها محسوب می‌شود. در یک مدار ایدئال مانند مدار ماه به دور زمین تنها نیروی تأثیرگذار روی حرکت جسم همان برهم‌کنش گرانشی بین زمین و آن جسم است. این نوع برهم‌کنش باعث می‌شود نیروی جاذبه، آن جسم مورد نظر مانند ماه را به سمت زمین بکشد. حال اگر جسم در راستای عمود بر خطی که مرکز زمین را به جسم متصل می‌کند، سرعت کافی داشته باشد شروع به حرکت در مسیر دایره‌ای یا بیضی‌شکل به دور زمین می‌کند. برای فهم آسان‌تر این موضوع تصور کنید که نخی را به یک توپ بسته و آن را بالای سر خود می‌چرخانید. در این مثال نخ همان نقش نیروی جاذبه را بازی می‌کند.

اما وقتی یک ماهواره یا هر جسم دیگری مانند ایستگاه فضایی در مدار پایینی زمین قرار گیرد، علاوه بر نیروی جاذبه، نیروی دیگری ناشی از برهم‌کنش جسم با اتمسفر زمین بر آن اثر می‌کند. شاید شنیده باشید که در فضا هوا وجود ندارد. این سخن تا حد زیادی درست است. با افزایش ارتفاع از سطح زمین هوا سبک‌تر می‌شود، یعنی رفته‌رفته غلظت و چگالی آن کم می‌شود. اما این‌طور نیست که در یک ارتفاع مشخص از زمین غلظت هوا به یک‌باره صفر شود. در عوض با دور شدن از زمین چگالی هوا به‌طور مستمر کاهش می‌یابد تا در نهایت به کلی محو شود.

به‌طور کلی مکانیک حرکت اجسام در فضا و حرکت به‌دور زمین موضوعی پیچیده است؛ اما می‌توان گفت اجسامی که در مدارهای پایین به دور زمین می‌چرخند پس از مدتی به درون اتمسفر زمین کشیده شده و در نهایت در آن سقوط می‌کنند؛ دقیقاً همان سرنوشتی که ایستگاه فضایی چین، تیانگونگ ۱، به آن دچار شد.

برای جلوگیری از مدارگریزی ایستگاه فضایی بین‌المللی، آژانس‌های فضایی کشورهایی که مسئولیت هدایت آن را به عهده دارند گاهی اوقات برای مقابله با تأثیر منفی نیروی درگ دست به اقداماتی می‌زنند. ایستگاه فضایی بین‌المللی هیچ موتور مستقلی ندارد، بنابراین برای بازیابی سرعت از دست رفته به کمک نیروی پیشرانش یک فضاپیمای دیگر دارد. ابتدا فضاپیمای پشتیبان به ایستگاه فضایی بین‌المللی متصل می‌شود و سپس موتورهای خود را روشن می‌کند تا در جهت مناسب به ایستگاه فضایی سرعت دهد.

با این‌که ورود مجدد به جو زمین یک فرایند پرآشوب بوده و به سوختن و نابودی اجسام منتهی می‌شود، اما با توجه به اندازه‌ی بسیار بزرگ ایستگاه فضایی بین‌المللی این احتمال وجود دارد که حداقل بخشی از آن به صورت جسم جامد به زمین برخورد کند. برای مثال در سال ۱۹۷۹ تکه‌های سوخته‌ و پراکنده‌ای از اولین ایستگاه فضایی تحقیقاتی ناسا به نام اسکای‌لب پس از ورود به جو، به زمین برخورد کرد.

دمای هر جسمی که داخل جو به سمت زمین سقوط می‌کند به‌شدت بالا می‌رود. مدارگرد‌ها سرعت بالایی دارند و وقتی جهت حرکت آن‌ها به سمت زمین تغییر می‌کند به سمت آن کشیده می‌شوند. این اجسام هنگام سقوط در جو به‌دلیل برخورد با مولکول‌های موجود در اتمسفر، هوایی که مقابل قسمت جلوی خود قرار دارد را فشرده می‌کنند. بخشی از این هوایی که در جلوی جسم در حال سقوط قرار دارد به اطراف رانده می‌شود اما بخشی بزرگتری از آن فقط به سمت جلو رانده می‌شود. این موضوع مشکل‌زا است زیرا رانده شدن هوا به سمت جلو باعث برخورد با لایه‌های دیگر هوا و افزایش فشار آن می‌شود. این امر نیز به نوبه‌ی خود منجر به افزایش مقاومت هوا درمقابل سقوط جسم می‌شود. هرچه میزان هوای موجود در یک فضای مشخص بیشتر شود دمای آن بالاتر می‌رود. برای مثال اگر هنگام باد کردن لاستیک دوچرخه دقت کرده باشید پس از چند بار استفاده از تلمبه‌ی دستی، لاستیک دوچرخه گرم می‌شود. همین اتفاق زمانی می‌افتد که جسم در جو زمین سقوط می‌کند. هوای فشرده‌شده در جلوی جسم داغ می‌شود و آن هم باعث افزایش دمای جسم می‌شود، افزایش دما به حدی است که می‌تواند باعث ذوب شدن جسم شود.

باید به این نکته دقت کرد که بین ورود مجدد به جو زمین و سقوط در جو تفاوت زیادی وجود دارد. شما می‌توانید یک جسم را تا ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری بالا ببرید و سپس از حالت سکون رها کنید تا به سمت زمین سقوط کند، اما مدارگردهایی مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی دارای سرعت اولیه‌ی بالایی هستند. اگر شما یک جسم را با سرعت صفر از چنین ارتفاعی رها کنید شروع به سقوط آزاد می‌کند و رفته‌رفته به سرعتش اضافه شده و به مرور داغ می‌شود، اما دمای آن به هیچ‌وجه با حالتی که با سرعت اولیه ۲۷ هزار کیلومتر بر ساعت به سمت زمین شروع به سقوط می‌کند قابل مقایسه نیست.

اما ممکن است برخی افراد برای حل مشکل سوختن ایستگاه فضایی بین‌المللی در حین ورود به جو زمین چنین راه‌حلی پیشنهاد دهند: می‌توان از موشک‌هایی برای کاهش سرعت ایستگاه فضایی و ساکن کردن آن در مدار استفاده کرد و سپس آن را به سمت زمین هل داد تا سقوط آزاد کند.

برای بررسی عملی بودن راه‌حل پیشنهاد‌شده از یک سری از محاسبات ساده استفاده می‌کنیم. ابتدا به قانون دوم نیوتن رجوع می‌کنیم. این قانون رابطه‌ای برای نیروی خالص وارد شده به جسم و شتاب آن را ارائه می‌کند. قانون دوم نیوتن به‌صورت یک بعدی به این شکل بیان می‌شود:

F=m*a

در رابطه‌ی بالا m نشانگر جرم است. جرم ایستگاه فضایی بین‌المللی ۴۴۴۶۱۵ کیلوگرم است، در رابطه برای سادگی ۴۵۰ هزار کیلوگرم می‌نویسیم. a شتاب را نشان می‌دهد که به معنی میزان تغییرات سرعت در یک ثانیه است. اگر فرض را بر این بگیریم که سرعت ایستگاه فضایی با نرخ ثابتی کاهش پیدا کند، در این‌صورت شتاب را می‌توان به این‌صورت محاسبه کرد:

در این‌جا منظور از v2 سرعت نهایی جسم است. در این مورد چون می‌خواهیم جسم به سکون برسد پس عدد صفر را جایگذاری می‌کنیم، همچنین v1 سرعت اولیه است، یعنی ۷٫۶۶ هزار متر در ثانیه در نظر گرفته خواهد شد.

اما در مخرج رابطه‌ی بالا باید مدت زمانی که طول می‌کشد تا ایستگاه فضایی بین‌المللی به سکون برسد را قرار دهیم. فرض را بر این می‌گذاریم که در یک‌بار گردش ایستگاه فضایی به دور زمین بخواهیم فرایند کاهش سرعت را کامل کنیم، این مقدار ۹۰ دقیقه یا ۵۴۰۰ ثانیه است. با این مقادیر می‌توان شتاب منفی ایستگاه فضایی را حساب کنیم و با ضرب آن در جرم ایستگاه به نیروی لازم برای متوقف کردن ایستگاه فضایی بین‌المللی در مدار خود در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری زمین می‌رسیم. در واقع این همان نیروی متوسط پیشرانشی است که باید موشک‌های فرضی در راه‌حل پیشنهادی بعد از اتصال به ایستگاه فضایی برای متوقف کردن آن تولید کنند.

بعد از انجام محاسبات به عدد ۶۳۱۰۰ کیلونیوتن می‌رسیم. این مقدار معادل نصف نیروی پیشرانش کل یک هواپیمای بوئینگ ۷۴۷ است. البته واضح است که نمی‌توان از موتورهای بوئینگ ۷۴۷ برای این کار استفاده کرد چون موتور هواپیما برای کار کردن به هوا نیاز دارد و در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری هوا رقیق‌تر از آن است که موتور هواپیما روشن شود.

برای تهیه‌ی چنین نیرویی به موتور موشک احتیاج خواهیم داشت. خانواده‌ی موتور موشک مرلین که توسط اسپیس ایکس ساخته شده است را در نظر می‌گیریم. اسپیس ایکس از این موتور در مرحله‌ی دوم پرتابگر فالکون هوی استفاده می‌کند. موتور موشک‌ها با ترکیب سوخت و اکسیدکننده باعث تولید محصولات گازی داغی می‌شوند که با سرعت از نازل به بیرون پرتاب می‌شود و بدین‌ترتیب با تولید نیروی پیشران پرتابگر را رو به جلو به حرکت در می‌آورند. برای افزایش نیروی پیشرانش می‌توان نرخ تزریق سوخت به موتور موشک را افزایش داد یا از روش افزایش سرعت خروج محصولات احتراق استفاده کرد. موتور مرلین از نوع 1D می‌تواند ۹۸۱ کیلونیوتن نیروی پیشرانه تولید کند. اگر نرخ مصرف سوخت را کاهش دهید می‌توانید میزان نیروی پیشران را نیز کاهش دهید؛ اما در عوض مدت زمانی که طول می‌کشد تا سوخت تمام شود، افزایش خواهد یافت.

یکی از روش‌های توصیف عملکرد موتور موشک استفاده از یک کمیت برداری به نام مومنتوم ویژه یا تکانه‌ی ویژه است. مومنتوم یک جسم عبارت است از حاصل‌ضرب جرم جسم در سرعت آن، با توجه به روابط فیزیکی می‌توان مومنتوم را به‌صورت حاصل‌ضرب نیرو در زمان نیز بیان کرد. بنابراین اگر نیروی پیشران متوسط یک موشک را در مدت زمان روشن بودن موتور ضرب کنیم به مومنتوم موشک دست می‌یابیم. با تقسیم مومنتوم بر وزن جسم می‌توان مومنتوم ویژه با واحد ثانیه را محاسبه کرد. موتور مرلین 1D دارای تکانه‌ی ویژه ۳۴۸ ثانیه است.

در رابطه‌ی بالا g بیان‌گر شتاب گرانش در سطح زمین یعنی ۹٫۸۱ متر بر مجذور ثانیه است. بنابراین با داشتن نیروی پیشران لازم برای متوقف کردن ایستگاه فضایی بین‌المللی و همچنین مدت زمان لازم برای انجام این کار می‌تواند جرم سوخت مصرفی موشک‌ها را محسابه کرد. با انجام محاسبات به عددی در حدود یک میلیون کیلوگرم می‌رسیم. اگر چگالی سوخت موتور موشک را با چگالی آب برابر بگیریم با این میزان سوخت می‌تواند نصف یک استخر بزرگ مخصوص برگزاری بازی‌های المپیک را پر کرد. یک موشک برای رسیدن به مدار مورد نظر به سوخت نیاز دارد بنابراین مقدار کل سوخت لازم برای انجام چنین مأموریتی از یک میلیون کیلوگرم هم فراتر می‌رود که عدد سرسام‌آوری است.

اکنون می‌توان درک کرد که چرا فضاپیماهایی مانند شاتل برای ورود مجدد به جو زمین از موتورهای خود استفاده نمی‌کنند. دلیل آن ساده است، برای این کار سوخت زیادی لازم است، صرف‌نظر از هزینه‌ی زیاد آن، حمل‌و‌نقل این حجم از سوخت چالش‌های فنی و ایمنی زیادی به همراه دارد. استفاده از سپرهای حرارتی برای مأموریت بازگشت به زمین بسیار به‌صرف‌تر است پس بی‌جا نیست که آژانس‌ها و شرکت‌های فضایی به استفاده از این فناوری روی‌ آورده‌اند.

تا اینجا دو راه‌حل برای این موضوع بررسی شد. راه‌حل اول ادامه‌ی فعالیت ایستگاه فضایی به شکل فعلی یعنی نگه داشتن آن در مدار پایینی زمین و استفاده از موشک‌های پشتیبان برای نگه داشتن آن در مدار و راه‌حل دوم از مدار خارج کردن ایستگاه فضایی و سقوط آن به اقیانوس است. اما راه‌حل سومی هم وجود دارد و آن این‌که می‌توان ایستگاه فضایی بین‌المللی را به مدارهای بالایی انتقال داد، جایی که اساساً هیچ هوایی وجود ندارد و ایستگاه فضایی بدون هیچ نیروی درگ مزاحمی می‌تواند در مدار ثابت خود به دور زمین بگردد. اما مشکل این‌جا است که برای انجام این کار نیز به انرژی زیاد و موشک‌های بزرگی نیاز است. از طرف دیگر هیچ‌کس مایل نیست یک زباله‌ی فضایی غول‌پیکر در مدارهای بالایی زمین برای ماهواره‌ها و دیگر فضاپیماها خطر ایجاد کند.

بااین‌حال راه‌حل سوم ممکن است اغواکننده باشد. با این کار می‌توان ایستگاه فضایی بین‌المللی را به یک کپسول زمان تبدیل کرد، جایی که بازدیدکنندگان این موزه‌ی فضایی می‌توانند تجربه‌ای شبیه به سفر در زمان داشته باشند. هنگامی که سفرهای فضایی تجاری رونق گرفت می‌توان هزینه‌های نگه‌داری ایستگاه فضایی را تأمین کرد. بنابراین شاید ایستگاه فضایی بین‌المللی به اولین موزه‌ی فضایی تبدیل شود، موزه‌ای که در آن به جای قدم زدن، شناور می‌شوید.