فضا چگونه آلوده شد؟ - پرسینا بلاگ

عبدالله مصطفایی| اخیرا در خبر ها آمده بود که چین یک فضاپیما برای نمونه برداری از سطح و عمق ماه به فضا فرستاده است. انجام موفقیت آمیز این مأموریت ها برای کشور ها و اهالی آن ها غرورآفرین است. آقای ایلان ماسک نیز همه جا از برنامه هایش برای ارسال صد ها و هزاران فضاپیما به سیارات دیگر صحبت می نماید.

ولی هواداران محیط زیست با عینک خود به مسائل می نگرند و همیشه نگران اثرات این مأموریت ها بر درون جو و برون آن هستند. واضح و مبرهن است که این رفت وبرگشت فضاپیما ها و ماهواره ها باعث فراوری زباله های فضایی خواهد شد.

اگر در ویکی پدیا سری به مبحث زباله های فضایی بزنید، خواهید دید که آن ها چیز های گوناگون ساخته دست انسان هستند که در مدار زمین در حال گردش اند، اما دیگر کارایی ندارند. زباله فضایی درواقع بقایای فعالیت بشر در فضا است، از قطعات سفینه ها گرفته تا قسمت هایی از سفینه که در مراحل مختلف مأموریت فضایی از آن جدا می شوند یا هر چیز دیگری که در مدار زمین رها شده و دیگر کاربردی ندارد.

ناسا در سال 2011، گزارش کرد که میزان این زباله های فضایی به نحو تصاعدی افزایش یافته و به مرز بحران رسیده است.

تا جایی که پروفسور ویتالی آدوشکین استاد آموزشگاه علوم روسیه می گوید: زباله های فضایی، به خصوص زباله های باقیمانده از ماهواره های نظامی، می تواند باعث تنش سیاسی و نظامی بین کشور های حاضر در فضا گردد. او در ادامه می افزاید: کشوری که مالک ماهواره آسیب دیده و تخریب شده است، به زحمت بتواند عامل اصلی این برخورد را به سرعت شناسایی کند. این یک مسئله سیاسی خطرناک است.

به علاوه در حال حاضر نیز سازمان های فضایی آمریکا و روسیه بیش از 23 هزار قطعه بزرگ تر از 10 سانتی متر را در فضا زیر نظر دارند، اما گفته می گردد نیم میلیارد ذره کوچک تر از 10 سانتی متر و تریلیون ها ذره کوچک تر در فضای اطراف زمین در گردش اند.

میزان زباله های فضایی در مدار های پایین در نیم قرن اخیر به میران چشمگیری افزایش یافته و درصورتی که این زباله ها پاک نشوند، برخورد زنجیره ای این قطعات سرگردان با همدیگر، ذراتی کوچک تر و متعددتر ایجاد خواهد نمود.

گویی ادبیات جدیدی در حال شکل دریافت است و حال باید دید که آیا در فضا فقط این آلاینده ها وجود دارند یا آلاینده های حاصل از سوخت هیدروکربنی یا سوخت جامد موشک ها نیز مشکل آفرین هستند. این مقاله سعی دارد با نگاهی جدید به این مسائل و چالش های آن ها در آینده بپردازد.

صنعت فضایی در حال رشد و نوآوری است به نحوی که این رشد نسبت به روز های فرود بر ماه بی سابقه است. 50 سال پیش، تقریبا هر آنچه در ارتباط با فضا بود، پروژه ای تحت حمایت دولت به شمار می رفت، اما در فضای قرن بیست ویکم، سرمایه گذاری روی وسایل پرتاب و ماهواره اغلب ناشی از سرمایه گذاری های مهم شرکت ها یا نهایتا مشارکت دولتی و خصوصی است.

هرچند صنعت فضایی در دنیا از تکیه بر دولت منصرف نشده است، ولی به طور فزاینده ای مانند صنعت هواپیمایی فعالیت می نماید. تعیینه آن نیز قابلیت استفاده مجدد از تجهیزات و سفینه ها، ردیابی منظم پرواز ها و فراوری انبوه فضاپیما ها و وسایل پرتاب است.

تحلیلگران پیش بینی می نمایند که سهم صنعت فضا در فراوری ناخالص داخلی دنیای تا سال 2040 می تواند از آستانه یک درصد عبور کند؛ یعنی ما می توانیم سناریو هایی برای آینده بسازیم که صنایع فضایی و هواپیمایی دارای نفوذ مالی قابل توجهی باشند.

از زمان جنگ دوم دنیای تا به امروز بسیاری از تحولات قابل توجه در زمینه هواپیما و نیروی محرکه هواپیما در مورد نگرانی های ناشی از توسعه پایدار، عمدتا بر انتشار آلودگی از موتور های جت متمرکز بوده اند. موتور های جت مدرن نسبت به موتور های 50 سال پیش آلاینده های دوده و آلاینده های گازی بسیار کمتری منتشر می نمایند.

فشار برای کاهش انتشار آلودگی برای صنعت هوانوردی خوب بوده است، زیرا تعدیل احتراق توربین تا حصول به حداکثر راندمان نظری از مزایای کاهش مصرف سوخت بوده است که این یعنی خبری خوب برای خطوط هوایی و خوب تر برای زمین. البته در توسعه سیستم های فضایی هیچ گاه توجه به توسعه پایدار، یک دغدغه نبوده است.

این در حالی است که درست مثل پسرعمو های موتور جت آنها، موتور های موشکی نیز گاز ها و ذرات مختلفی را در جو منتشر می نمایند که می تواند عواقب منطقه ای و حتی دنیای را به همراه داشته باشد. در اینجاست که با مقایسه مصرف سوخت جت و موشک با روشی بیش از حد ساده انگارانه، اثرات زیست محیطی سیستم های موشکی معمولا نادیده گرفته می گردد.

این استدلال بدین توضیح است: موشک ها هر سال فقط یک دهم درصد سوختی را که هواپیما ها می سوزانند، مصرف می نمایند و بنابراین تنها مسئول یک دهم درصد از مشکل آلایندگی هوا هستند.

اما این یک مورد برابری کاذب است. درک دقیق هر مرحله از پرواز فضایی نشان می دهد که انتشار ناشی از سامانه های فضایی می تواند از راه های کاملا متفاوتی بر جو تأثیر بگذارد که در بعضی موارد بزرگ تر از انتشار ناشی از صنعت هواپیمایی است.

در ضمن برخلاف انتشار ناشی از هواپیماها، لایه های مختلف جو انتشار گاز های گلخانه ای صنعت فضایی را درک می نمایند. درحالی که انتشار هواپیما های جت در تروپوسفر به علت بارندگی به سرعت به سطح زمین شسته می گردد، انتشار موشک در استراتوسفر فقط به آرامی پاک می گردد. به علاوه انتشار گاز ها در استراتوسفر سال به سال جمع می گردد و از مجموع پرتاب ها و ورود مجدد سفینه ها به زمین طی چهار یا پنج سال، آلودگی ها اضافه می گردد.

درواقع، لایه شنماینده ازن در استراتوسفر، در نزدیکی محل تجمع انتشار آلودگی موشک ها واقع شده است. چشم انداز سفر به فضا هرگز تا به این حد هیجان انگیز نبوده است. پ

یشرفت های صنعت فضا، ازجمله ماهواره های کوچک، مگافلک های مدار پایین زمین، پیشرانه های جدید موشکی و استخراج منابع از ماه، رشد فضای جدید را در قرن بیست ویکم ایجاب می نمایند. انتظارات زیادی وجود دارد که این تحولات باعث شوند که آرزوی دیرینه بشر محقق گردد؛ یعنی سفر های فضایی به اندازه سفر های هوایی معمول گردد. اما آیا این فناوری های فضایی جدید در جهت توسعه پایدار قرار دارند؟

خروجی موتور موشک مانند اگزوز جت، اکثرا حاوی دی اکسید کربن و بخار آب است و تأثیرات دنیای این انتشارات به خوبی درک می گردد. دی اکسید کربن ساطع شده در هر ارتفاعی یک گاز گلخانه ای طولانی مدت است که به بار گاز های گلخانه ای جوی می افزاید.

بخار آب یک گاز گلخانه ای کوتاه مدت است. تأثیرات دنیای این اجزای خروجی از اگزوز موشک اندک است؛ یعنی کسری از درصد تأثیرات دنیای دی اکسید کربن و بخار آب خروجی از هواپیما ها محسوب می شوند. حتی اگر اجزای اصلی اگزوز موتور موشک هیچ تأثیر درخور توجهی در سطح دنیای نداشته باشند، ولی بعضی از اجزای خاص نیاز به آنالیز دقیق تر دارند.

ماده اکسیدنماینده در موتور موشک سوخت جامد (SRM) یعنی پرکلرات آمونیوم، حاوی کلر است که جدی ترین تهدید برای ازن در استراتوسفر است. نمونه گیری مستقیم ستون از 20 سال پیش توسط هواپیما های ناسا نشان داده که ستون های SRM سوراخ های کوچک ازن را ایجاد می نمایند که پس از پرتاب برای چندین روز ادامه دارد.

با این وجود ترکیبات مملو از کلر در استراتوسفر دنیای، ناپدید می شوند و مقدار کل کلر ساطع شده توسط SRM ها هر ساله در مقایسه با کلر آزادشده توسط کلروفلوروکربن های مشهور، مقداری کوچک با ماندگاری کوتاه مدت است. بر این اساس کلر حاصل از SRM به احتمال زیاد تهدیدی جدی برای لایه ازن نیست. دانشمندان به خوبی می دانند که چگونه گاز های دی اکسید کربن، بخار آب و کلر خروجی از موشک ها بر آب وهوا و لایه ازن تأثیر می گذارند.

همه این تحقیقات نشان می دهد که این تأثیرات در مقایسه با سایر منابع آلودگی ناچیز است. حتی اگر این میزان انتشار به هر مقدار افزایش یابد، تأثیرات آن اندک خواهد بود. با این حال اجزای دیگری در اگزوز موشک وجود دارد که می تواند درخور توجه باشد: ذرات دوده (کربن سیاه) و آلومینا (Al2O 3).

شهرت راکت ها در این است که ستون های خروجی از اگزوز درخشانی را به نمایش می گذارند. شعله موتور موشکی با سوخت هیدروکربنی بیشتر ناشی از درخشش رشته ای ذرات دوده است که در ستون داغ اکسیده می شوند. مکانیسم فراوری دوده در موتور های موشکی پیچیده است و به خوبی قابل درک نیست.

دوده در محفظه های احتراق غنی از سوخت، در دیواره های نازل خنک نماینده سوخت و ژنراتور های توربوپمپ تشکیل می گردد و تا حدی در توده های گرم مصرف می گردد. موتور های جت هیچ یک از این پیچیدگی ها را ندارند و در مقایسه با موتور راکت بسیار تمیز می سوزند.

بعضی از انواع موتور های موشکی با سوخت هیدروکربنی صد ها برابر بیشتر از پسرعمو های موتور جت خود دوده به ازای هر کیلوگرم سوخت مصرف شده منتشر می نمایند. قابل ذکر است که جت ها فقط گاهی در استراتوسفر پرواز می نمایند، ولی موشک ها در هر پرتاب به آنجا پرواز می نمایند.

نگرانی از دوده در استراتوسفر ناشی از چیست؟ دوده کربن سیاه (BC) شدیدا نور خورشید را جذب می نماید. انرژی جذب شده به هوای اطراف منتقل می گردد؛ به نحوی که این کربن سیاه به عنوان منبع گرما عمل نموده و استراتوسفر را گرم کند و این امر می تواند گردش اتمسفر دنیا را کمی تغییر دهد.

از آنجا که غلظت ازن با دما تناسب عکس دارد، یک استراتوسفر گرم تر برابر است با از بین رفتن لایه ازن. آیا این کربن سیاه که توسط ناوگان دنیای موشک ها ساطع می گردد، آن قدر زیاد است که بتواند تأثیر درخور توجهی در جو دنیای بگذارد؟

ما هنوز این را نمی دانیم، چون مدل های آب وهوایی مورد نیاز اکنون فقط مونتاژ می شوند. انتشار دوده کربن سیاه توسط موشک های با سوخت هیدروکربنی و تأثیرات دنیای آن همچنان یک معماست. ستون های خروجی از موتور موشک های سوخت جامد (SRM) حتی درخشان تر از انواع سوخت های هیدروکربنی هستند.

قطرات گرم آلومینای سفید که از نازل خارج می شوند، منبع ایجاد شعله SRM هستند. به همراه انتشار گاز کلر، ستون های SRM نیز پخش شده و در نهایت با جو دنیای مخلوط می شوند و این باعث شده تا ذرات آلومینای موشک در نمونه های تصادفی هوای استراتوسفر از استوا گرفته تا قطب پیدا شوند.

در دهه 1990، محققان کشف کردند که چگونه واکنش های شیمیایی تخریب نماینده ازن در سطح ذرات آلومینای SRM رخ می دهد، اما اهمیت آلومینا به عنوان منبع تخریب ازن تعیین نیست. البته SRM گاز کلر تخریب نماینده ازن را نیز ساطع می نماید و ماهیت دوطرفه کاهش ازن SRM همچنان به خوبی توصیف نشده است.

ارزیابی سازمان دنیای هواشناسی (WMO) در سال 2018 روی لایه ازن وجود شکاف های گسترده دانش را تأیید کرد و در ضمن اعلام کرد که تحقیقات بیشتر موجه است. SRM های شاتل فضایی بزرگ ترین هواپیما های پرواز داده شده تا به امروز بوده اند و اغلب به اشتباه تصور می گردد که با بازنشستگی شاتل های فضایی، استفاده از موشک های بزرگ سوخت جامد خاتمه یافته است.

در حقیقت SRM ها در حال پیدا کردن برنامه های کاربردی برای پرتاب های جدید در سراسر کره زمین هستند. SRM های با قطر 144 اینچی Launch System Space بزرگ ترین پرواز های اجرا شده تا به امروز است. حتی یک SLS 156 اینچی کشور چین که برای اولین بار در سال 2025 برنامه ریزی شده، در هاله ای از ابهام است.

SRM ها یک خطر در حال رشد و کمتر شناخته شده برای ازن استراتوسفر هستند.

برخلاف بسیاری از داستان های رسانه ای درباره تماشایی بودن ورود مواد ناخواسته فضایی، این مواد ناخواسته فضایی که به زمین بازمی گردند، هنگام ورود مجدد ناپدید نمی شوند؛ بعضی از قسمت های فضاپیما های متروک، حین ورود مجدد سالم مانده و به سطح زمین می رسند.

با این حال، بیشتر جرم واردشده به دلیل حرارت زیاد تبدیل به یک گاز داغ می گردد که به سرعت متراکم شده و به صورت ابری از ذرات کوچک درمی آید. بنابراین، مانند مرحله پرتاب، توده های روشن به معنای فراوری ذرات هستند. برخلاف ساده بودن ذرات شیمیایی در مرحله پرتاب، ذرات ناخواسته واردشده از فضا یک مجموعه از انواع ترکیبات شیمیایی پیچیده خواهد بود.

ذرات ناشی از تبخیر مخازن سوخت، رایانه ها، صفحات خورشیدی و سایر مواد عجیب و غریب در ارتفاع 85 کیلومتری تشکیل می شوند و سپس به سمت پایین حرکت می نمایند و در استراتوسفر همراه با دوده و آلومینای ناشی از مرحله پرتاب تجمع می یابند. این نشان می دهد که آلودگی های ناشی از مرحله بازگشت به اندازه مرحله پرتاب مهم هستند.

در سیستم در حال رشد ماهواره های LEO، از تبدیل شدن به بخار حین ورود مجدد به عنوان مکانیسم دفع و مرحله خاتمهی زندگی ماهواره استفاده می گردد. پس از استقرار این ماهواره ها، سالانه صد ها تن ماهواره غیرفعال برای دفع آورده می شوند که بیشتر این جرم در جو میانی به ذرات تبدیل می گردد.

اطلاعات کمی درباره فراوری گرد و غبار حین ورود مجدد، میکروفیزیک ذرات و اینکه چگونه گرد و غبار ورودی می تواند بر آب وهوا و ازن تأثیر بگذارد، شناخته شده است.

فضا وارد مرحله رشد شده است و یادآور روز های اولیه هواپیمایی است. هنگامی که یک فناوری در اقتصاد بازار تبدیل به امری عادی می گردد، هیچ محدودیتی برای کاربرد های جدید بالقوه وجود ندارد. صنعت فضایی مانند برادر بزرگ تر خود یعنی صنعت هواپیمایی، در سیستم های پیشرانه، گاز ها و ذرات را در جو منتشر می نماید؛ اما مقایسه بین انتشار آلاینده های صنعت هواپیمایی و صنعت فضایی باید راه های بسیار متفاوتی را که این دو صنعت بر جو زمین تأثیر می گذارند، نشان دهد.

برای هر آینده پیش بینی پذیری تعیین است که انتشار دی اکسید کربن از موتور های جت بسیار بیشتر از انتشار دی اکسید کربن از موتور موشک ها خواهد بود.

این امر در محاسبات خیرخواهانه، اما نادرست ردپای کربن برای فضا منعکس شده است؛ اما دی اکسید کربن آلاینده ای نیست که باید برای جلوگیری از آلودگی فضا مورد اقدام قرار گیرد. ذرات ساطع شده از پرتاب موشک و ورود مجدد بقایای فضایی باعث تغییرات بسیار بزرگ تری در شیمی جوی، پویایی و تابش نسبت به دی اکسید کربن منتشرشده از موشک ها می گردد.

این به آن معنی است که برای صنعت فضایی، رد پای کربن داستان پیچیده ای است که هنوز به درستی تعریف نشده است. بحث و جدل اخیر درباره روشنایی ماهواره های LEO نشان می دهد که چگونه توسعه پایدار برای تبدیل شدن به یک جنبه اساسی در توسعه سیستم های فضایی ضروری است.

اگر اثرات زیست محیطی هر مرحله از چرخه حیات یک سیستم زودتر از موعد ارزیابی گردد، تضمین استفاده بلامانع از سیستم های فضایی آسان تر خواهد بود. باید توجه داشت که نگرانی های زیست محیطی که پس از استقرار ظاهر می شوند، باعث تشویق وضع مقررات جدید می شوند. این در حالی است که تجزیه و تحلیل کامل موضوع قبل از استقرار، این سیستم را در برابر وضع مقررات واکسینه می نماید.

از قضا، فقط فضا می تواند چشم انداز دنیای مورد نیاز برای مدیریت و سرپرستی بشریت بر زمین را فراهم کند. دیدگاه آپولو-8 درباره زمین با شروع فعالیت ها درباره محیط زیست دنیای همراه بوده است. هنوز دانش صنعت فضایی برای پاسخ گویی به سؤالات اساسی درباره تأثیرات دنیای انتشار گاز های گلخانه ای و توسعه پایدار فضا بسیار ضعیف است. صنعت فضایی درباره تأثیرات زیست محیطی، کار های زیادی برای انجام دارد.

مطابق صنعت حمل ونقل هوایی، صنعت فضایی نیز نیازمند یک برنامه علمی مناسب شامل اندازه گیری توده ها و ستون های آلاینده های ناشی از پرتاب و ورود مجدد سفینه ها، مدل سازی دقیق توده ها از انتشار آلاینده های تازه حین اختلاط با جو دنیا و اندازه گیری آزمایشگاهی میکروفیزیک انواع ذرات مختلف فراوریشده از زمان پرتاب تا ورود مجدد است.

این کوشش باید از یک مشارکت دولتی و تجاری حاصل گردد. صنعت فضایی آماده است تا به بخشی مهم تر از اقتصاد دنیای تبدیل گردد. البته زمانی که توسعه پایدار به یک هدف مشترک در کل اقتصاد تبدیل شده باشد، صنعت فضایی همخوان با توسعه پایدار چگونه خواهد بود؟

تهدید های نظارتی برای توسعه فضا در آینده چیست؟ ما اکنون پاسخ این سؤالات را نمی دانیم؛ مگر زمانی که یک برنامه همخوان با توسعه پایدار در زمینه تحقیقات علمی درباره انتشار گاز های آلاینده در صنعت فضا با هماهنگی همگانی در سطح دنیا انجام گردد.

خبر فوق به تازگی در سایت www.zmscience.com قرار گرفته است. در نگاه اول قرار دادن چوب در فضا ایده خوبی به نظر نمی رسد؛ اما این دقیقا همان کاری است که شرکت ژاپنی Sumitomo Forestry و دانشگاه کیوتو قصد انجام آن را دارند.

آن ها به دنبال راه هایی برای گنجاندن چوب در ماهواره ها به ویژه به عنوان جعبه ای برای اجزای دیگر هستند. چوب این مزیت را دارد که به طور بالقوه به هیچ پیچ و مهره ای نیاز ندارد و اگر بتوان آن را برای مقاومت در برابر شرایط شدید فضای بیرونی آماده کرد، می تواند گزینه خوبی باشد. این فقط یک مفهوم زیست محیطی نیست؛ چون چوب دارای مزایایی در مقایسه با سایر مواد است.

برای مثال امواج الکترومغناطیسی یا میدان مغناطیسی زمین را مسدود نمی نماید؛ یعنی به هیچ وجه بر حسگر ها یا آنتن های قرار داده شده در داخل جعبه چوبی تأثیر نمی گذارد. این می تواند بعضی از مسائل طراحی ماهواره های مدرن را کاهش دهد.

همچنین چوب در هنگام ورود مجدد به جو، بدون آزادسازی سموم یا پسماند کاملا می سوزد. تخمین زده می گردد که در این دهه هر سال بالغ بر 990 ماهواره پرتاب گردد. این به آن معنی است که تعداد ماهواره ها می توانند به سرعت به 15 هزار ماهواره برسند. تاکائو دوی، استاد دانشگاه کیوتو و فضانورد ژاپنی، در این زمینه می گوید:

ما بسیار نگران این واقعیت هستیم که تمام ماهواره هایی که دوباره وارد جو زمین می شوند، می سوزند و ذرات ریز آلومینا را به وجود می آورند که برای سال ها در جو فوقانی شناور خواهند بود و خاتمه نیز بر روی محیط زمین تأثیر خواهند گذاشت. در حال حاضر این پروژه فقط به عنوان تحقیقات پایه مطرح است.

اولین ماهواره چوبی قرار است در سال 2023 پرتاب گردد و این پروژه تا مارس 2024 ادامه خواهد داشت. در این پروژه قرار است سازه های چوبی مقاوم در برابر درجه حرارت و شرایط شدید ساخته شوند که می تواند نه فقط برای ماهواره ها بلکه برای کاربرد های دیگر نیز مفید باشد.

منبع: ScientificAmerican, 6Nov. 2020