ازسال 1957 که اتحاد جماهير شوروي موفق شدماهوارهاسپوتنيک1را در مدار قرار دهد، آلودگي فضا به دست بشرآغاز شد. اين آلودگي، عمدتاً مربوط به قطعات رها شده در فضا، انفجارات خواسته ياناخواسته و محموله‌هاي غير قابل استفاده مي‌باشد. سطح تكنولوژي پرتاب ماهواره‌ها در آغازعصر فضا و عدم شناخت دقيق مهندسان و متخصصان نسبت به مخاطرات پسماندهاي فضايي،باعث شد كه در سالهاي اوج اين فعاليتها حجم قابل توجه‌اي پسماند در مدارهايگوناگون زمين رها شود. چند سالي كه از عصر فضا گذشت كم‌كم خطرات ناشي از پسماندهايفضايي، خود را به اشكال مخاطره‌آميزي نشان دادند. در بررسي محموله‌هايي كه بهزمين باز‌مي‌گشتند، نشانه‌هايي از برخوردهاي كوچك و بزرگي ديده مي‌شد كه پاره‌اياز آنها بسيار خطرناك به نظر مي‌رسيدند.
اين تصويربر اساس داده های واقعی شبیه سازی کامپيوتری شده است
پس از آغاز راهپيماييهاي فضايي، خطرات ناشي از برخورد پسماندهايبسيار كوچكي كه مي‌توانست به راحتي پوشش نازك و حساس لباس فضانوردان را پاره كند،معضل ديگري بود كه آژانسهاي فضايي را به تحقيق و تفكر بيشتري وا‌داشت. اين موضوعدر سال 1991، زماني كه دستكش يكي از فضانوردان شاتل فضايي آتلانتيس هنگامپياده‌نوردي فضايي و در اثر برخورد پسماند بسيار كوچكي پاره شد، اهميت ويژه‌اييافت.فضاي اطراف زمينرا اجرام سماوي و غير سماوي،پلاسما، امواج الکترومغناطيسي و يونها در بر‌گرفته است. ملموس‌ترين وفيزيكي‌ترين پديده‌اي كه در اطراف زمين مشاهده مي‌شود، مدارگردها هستند. در تعريف،مدارگردها اجسامي هستند با وزن، ابعاد و شكل ظاهري متفاوت كه با طبعيت از قوانينسه‌گانه كپلري به دور اجرام عظيم سماوي مي‌چرخند.مدارگردهاي اطراف زمين را ميتوان به دو گروه مدارگردهاي سماوي مانند ماه، سنگهايآسماني و غبارهاي بينسيارهاي و مدارگردهاي دست ساز مانند ماهواره‌ها،ايستگاه‌ها و پسماندهاي فضايي تقسيم كرد.
مدارگردهاي غير سماوي را ميتوان در دوگروه اجرام قابل استفاده نظير ماهواره‌ها و اجرام غير قابل استفاده نظير مراحلپاياني راکتهاي حامل و يا ماهواره‌هاي از کار افتاده جای داد. پسماندهای فضايی بهاين گروه از مدارگردهای ساخته دست بشر که غير قابل استفاده بوده و يا عمر مفيدشانبه پايان رسيده باشد گفته مي‌شوند. تخمين زده مي‌شود که در حال حاضر حدود 330ميليون قطعه پسماند با ابعاد مختلف از قطر يک ميليمتر تا ماهواره‌هاي از کارافتاده چند صد کيلوگرمي در مدارهاي مختلف زمين سرگردانباشند.
اکثر پسماندهاي فضايي در دو منطقه عمده اطراف زمين انباشته شده‌اند. منطقه لئو (LEO) يا محدوده کم ارتفاع مداری اولين منطقه آلوده فضا شمرده مي‌شود. اين منطقه كه از ارتفاع 200 کيلومتري سطح زمين آغاز شده و تا حدود 2000 کيلومتريادامه پيدا مي‌کند برحسب اتفاق ميزبان بيشترين تعداد ماهواره‌هاي هواشناسي ونظامي است و از اين نظر منطقه حساسی به حساب می‌آيد. منطقه دوم، ناحيه کم ضخامتمدار زمين‌آهنگ يا جئو (GEO) در ارتفاع حدود 36000 کيلومتري زمين است کهتقريبا تمامي ماهواره‌هاي مخابراتي و تلويزيوني در اين ناحيه واقعشده‌اند.
اين شكلپراكندگي پسماندهاي فضايي را در اطراف زمين، نشانمي‌دهد
اين تصوير بر اساس داده های واقعی شبیه سازی کامپيوتری شده است
شناخت اين دو منطقه احتياج به روشهاي متفاوتي دارد. براي مثال، مطالعهاثر بازدارندگي اتمسفر و يا ناهمگوني شتاب جاذبه زمين که در مدارهاي لئو بسيارحياتي است، در مدارهاي جئو اهميت چنداني ندارد، اما در مقابل، مطالعه اثر جاذبهخورشيد و ماه براي مدارگردهاي منطقه جئو مهم مي‌باشد. ... اهميت موضوع پسماندهايفضايي
مهمترين دليل مطالعه پسماندهاي فضايي، خطراتي است كه وجود اين پسماندهابراي ماموريتهاي فضايي به وجود مي‌آورند. سرعت مورد نياز برای قرار دادن جسمی درمدار زمين آهنگ به ارتفاع 36000 كيلومتر از سطح زمين، حدود km/sec3 مي‌باشد. اين سرعت با كاهش ارتفاع افزايش می‌يابد تا جايي‌که سرعت لازم برای تزريقمدارگردي در مدار 200 کيلومتري از سطح زمين به حدود km/sec8 مي‌رسد. برخوردحتي کوچکترين شئ با سرعتهاي اشاره شده مي‌تواند براي پروازهاي سرنشين‌دار ياغيرسرنشين‌دار تهديدي جدي به حساب آيد. به عبارتي، خطر اصلي پسماندهاي فضاييمربوط به انرژي جنبشي بسيار زياد آنها است که در اثر يک تصادم، رها شده و باعثايجاد خسارت زيادي خواهد شد. برخورد ريزترين پسماند با سطح نازك و به شدت حساس لباسفضانورداني كه براي انجام مأموريتهاي فضايي، مجبور به راه‌پيمايي در اطراف سفينهخود مي‌شوند، مي‌تواند خطرات عمده‌اي براي آنها در‌بر‌داشته باشد. پسماندي به قطرفقط نيم ميليمتر قادر به سوراخ كردن لباس فضايي و خراشيدن پوست بدن فضانوردانخواهد شد. پسماندهاي بزرگتر، حتماً خطرات بيشتري براي آنها خواهد داشت.
نمونه‌اي ازبرخورد يك پسماند با قطر كمتر از يك ميليمتر با يکی از صفحات خورشيدي تلسكوپفضايي هابل
وضع ماهواره‌ها، علي‌رغم داشتن پوششهاي مقاومتر، بهترنيست. برخورد يک پسماند فضايي کوچک با يک ماهواره و يا ايستگاه فضايي فعالمي‌تواند باعث از کار افتادن آنها شود و حتي در صورت بزرگتر بودن پسماند، سببمتلاشي شدن ماهواره نيز خواهد شد.به عنوان مثال اگر پسماندي با قطر حدود cm1 با سرعتيمعادل 8 كيلومتر بر ثانيه كه براي مدارهاي كم ارتفاع، سرعت محتملي است بهماهواره‌اي برخورد كند، انرژيي معادل يك نارنجك دستي آزاد خواهد كرد. متاسفانهچنين پسماندهاي بسيار كوچكي قابل مشاهده، رهگيري و فهرست‌برداري نيستند و به‌طبعنمي‌توان مسير آنها را حدس زد و از آنها دوري نمود. روی همين اصل گسترش تحقيقات برای بهبود طراحی، فرايند ساخت و استفادهاز مواد جديد و ترکيبی در دستور کار تمامی دفاتر طراحی فضايی قراردارد.
موضوع برخورد و تصادم با پسماندها ريسک اقتصادي استفاده از فضا را بهشدت افزايش داده و ادامه تحقيقات فضايي و سفرهاي اکتشافي را با بن‌بست مواجه خواهدکرد. به همين دليل براي آژانسهاي فضايي و صاحبان ماهواره‌هاي تجاري، علمي و نظاميبسيار مهم است که اطلاعات دقيق و جامعي از جمعيت، مشخصات و موقعيت پسماندها داشتهباشند.
... جمعيت و منابع توليد
از آغاز عصر فضا تا زمان حاضر، ميزان پسماندهايفضايي ناشي از فعاليتهاي بشري براي کشف و استفاده تجاري، علمي و نظامي از فضاحدود 9000 قطعه فهرست شده است. پسماندهايي که در حال حاضر و به دليل محدوديتهايابزاري، ميتوان فهرست نمود، پسماندهايي با قطر بيش از 10 سانتيمتر در محدوده کمارتفاع مداری و با قطر بيش از يک متر در محدوده‌های مرتفع نظير مدارهای زمين‌آهنگهستند. طبق برآوردهاي آماري تعداد کل پسماندها بسيار بيشتر از اين رقم است. حدسزده مي‌شود که تا کنون حدود 330 ميليون قطعه پسماند با قطري بيش از يک ميليمتر درفضا رها شده باشند.
منابع عمده آلوده كننده فضا را ميتوان در 6 دسته مهم جاداد كه عبارتند از:
·
اشياي به جا مانده ازمأموريتهاي فضايي شناخته‌شده‌ترين پسماندها را ماهواره‌هاي از کار افتاده، اشيايبه جا مانده از ماموريتهاي فضايي و قطعات پخش شده از تعداد بيشماري انفجار تشكيلمي‌دهد. اشياي به جا مانده از ماموريتهاي فضايي شامل کابلها، فنرها، پيچها ومحافظهايي است که طي انجام مراحلي از ماموريت، مانند جدايش بلوکها و شروع به کارسنسورها، دوربين‌ها و يا موتورها در فضا رها شده‌اند. تخمين زده مي‌شود که منبع توليد حدود 40% پسماندهايي از اين قبيل،انفجارات خواسته و يا ناخواسته‌ای بوده که در فضا اتفاق افتاده است.
·
تصادمهاي فضايي تصادمهايفضايي نيز اگرچه به ندرت رخ می دهند اما به دليل عدم کنترل بر آنها، بسيار مهمهستند. اهميت تصادم بين مدارگردها از دو جنبه قابل بررسي مي‌باشد. اهميت اولمربوط به دسته‌اي از تصادمها است كه حداقل يكي از طرفهاي برخورد، مدارگرد فعاليمانند يك ماهواره باشد. اين نوع تصادمها به دليل صدماتي كه مي‌تواند منجر به ازكار افتادن مدارگردهاي فعال و يا شكست مأموريتهاي فضايي شود، مهم هستند. اهميت دومتصادمهاي فضايي مربوط به بحث جاري يعني توليد پسماندهاي فضايي است. هنگاميكه دومدارگرد با هم برخورد مي‌كنند، به احتمال قوي قطعات و يا تكه‌هايي از آنها جداشده و با توجه به ميزان و نوع ضربه ناشي از برخورد، مسير مستقلي را در پيشمي‌گيرند. به اين ترتيب هر چند مجموع جرم پسماندها تغييري نمي‌كند اما جمعيت آنهاافزايش مي‌يابد. با افزايش تعداد پسماندهاي فضايي در اطراف زمين، مي‌بايست منتظرافزايش تعداد چنين تصادفاتي باشيم. هم اكنون روزانه صدها گذر نزديك بينمدارگردهاي فهرست شده اتفاق مي‌افتد.
آلياژ نَك بخش بسيار اندكي ازپسماندهاي فضايي را قطرات فلز مايعي تشكيل مي‌دهد که شامل آلياژي از دو فلزقليايي سديم و پتاسيم است. از اين آلياژ به خصوص كه نَك ناميده مي‌شود به عنوانمايع خنک کننده در رآکتورهاي اتمي واقع در مدار استفاده مي‌شده است. نشت اينآلياژ فقط در محدوه سالهاي 1980 تا 1988 اتفاق افتاد و قطرات نشت شده قطري بين 100ميکرومتر تا 5 سانتيمتر داشته‌اند.
خاكستر موتورهاي سوخت جامد قسمت ديگرياز پسماندهاي فضايي به دليل عملکرد موتورهاي سوخت جامد توليد شده‌اند. معمولابراي بهبود عملکرد اينگونه موتورها، کاهش ناپايداري اکسيداسيون و افزايش نيرويپيشران، در هنگام توليد سوخت حدود 18% ذرات ريز اکسيد آلومينيوم نيز به مخلوطسوخت اضافه مي‌شود. هنگاميكه موتورهاي سوخت جامد روشن است، اين مواد به شکلخاکستر و به قطر 50 ميکرومتر تا 3 سانتيمتر از دهانه موتور خارج شده و در مدارباقي مي‌مانند.
ذرات بسيار ريز علاوه بر غبار ريز ذرات آلومينيوم، دو گونه پسماندهايفضايي ريزتري نيز وجود دارند. گونه اول اجکتا (Ejecta) نام دارد كه در اثربرخورد پسماندهاي کوچک با سطح ساير اجرام مداري به وجود مي‌آيد. گونه دوم شاملذرات و غبار رنگ يا ساير پوششهاي مدارگردها نظير عايقهاي حرارتي است که در اثرخوردگي و يا مجاورت با اکسيژن و تابش مستقيم خورشيد، از سطح اصلي کنده شده و درفضا رها مي‌شوند.
·
سيمهاي مسي وست فورد نيدلزآخرين گروه پسماندها، خوشه‌اي از سيمهاي مسي کوتاه و بلند است که در مدار 3600کيلومتري زمين در حال حرکت هستند. اين خوشه حاصل دو آزمايش در قالب پروژه‌اي تحتعنوان "وست فورد نيدلز" مربوط به اوايل دهه 1960 است که به منظور استفاده از فضابراي امور مخابراتي شكل گرفته بود. هدف از پروژه اين بود که با ايجاد يک حلقه مسيدر اطراف زمين، سطح مناسبي براي بازتاب امواج الکترومغناطيس به وجود آيد. طي اينعمليات، تعداد 480 ميليون دوقطبي مسي در دو مرحله در مدار زمين قرارگرفتند.
نمودار زير سهم جمعيت هر گروه از منابع آلوده كننده فضا را به تفكيكنشان مي‌دهد. ملاحظه مي‌شود كه مدارگردهاي فعال و مفيدي كه هم‌اكنون مشغول ارائهخدمت هستند تنها حدود 6% از كل جمعيت مدارگردهاي دست‌ساز را به خود اختصاصمي‌دهند.
اهميتهر يك از موارد فوق، به درصد آلودگي آنها مربوط مي‌شود. روشن است كه كنترل ومطالعه روي منابع آلوده‌كننده‌اي كه درصد كمي از آلودگي كلي را به خود اختصاصمي‌دهند، در اولويت نخواهد بود.... فرسايش وفرو‌افتادن
همه ساله در حدود 20،000 تن اجرام طبيعي و غير طبيعي شامل غبار بينسيارهاي، شهاب‌سنگ‌ها و برخي دست‌ساخته‌هاي بشر كه به واسطه مأموريتهاي فضايي درمدار قرار گرفته‌اند از محدوده مدارهاي كم ارتفاع به سمت زمين فرومي‌افتند.فرسايش و فروافتادن پسماندهاي فضايي كه عمدتا ناشي از اثراتبازدارنده اتمسفر مي‌باشد، روش طبيعي کاهش پسماندها هستند. پسماندي که در مدارهايکم ارتفاع به دور زمين مي‌چرخد در اثر اغتشاشات ناشي از اتمسفر به طور مداومانرژي جنبشي خود را از دست مي‌دهد و در نتيجه ارتفاع مداري آن کاهش مي يابد. چنينپسماندي علاوه بر مقابله با نيروي بزرگ بازدارنده اتمسفر، به دليل سرعت زيادي كهدارد، آرام آرام داغ شده و مي‌سوزد. اگر پسماند کوچک باشد، در اثر فرسايش کاملاسوخته و قبل از برخورد با سطح زمين از بين مي‌رود. ولي اگر پسماند بزرگ باشد، بخشباقيمانده آن به زمين برخورد خواهد کرد.
مخزن سوختمرحله پاياني موشك "دلتاي دو". اين مخزن فولادي 200 كيلوگرمي به تاريخ 5 ژانويه 1997 در تگزاس سقوط كرد.
موضوع برخورد با زمين از دو جهت قابلتامل است: اول مكان و زمان برخورد و دوم پسماندي كه به زمين برخورد خواهد كرد. موضوعاولزماني اهميت مي‌يابد كه پسمانددر شهرها، مراكز پرجمعيت و يا مجتمعهاي صنعتي حساس و ارزشمندي مانند پالايشگاه‌ها،سدها و يا نيروگاه‌هاي اتمي سقوط كند.اما اهميتموضوعدومزماني آشكار مي‌شود كهپسماندهاي خطرناكي مانند راكتورهاي اتمي سفاين فضايي و يا مخازن مملو از سوخت ومواد شيميايي خطرناك در ليست فروافتادن قرارمي‌گيرند.سه راه طبيعي براي فرسايش يا فروافتادن پسماندها مي‌شناسيم كه هر كداماز آنها به گونه‌اي با اثرات بازدارنده جو زمين در ارتباطهستند:
·
تغيير چگالي جو اين موضوعدر مورد پسماندهايي كه در جو بسيار رقيق يا اندكي بالاتر از آن به دور زمينمي‌چرخند، اهميت دارد. چگالي اتمسفر در ارتفاع مشخصي از سطح زمين و در طول زمان،همواره ثابت نيست و به شدت به فعاليتهاي دوره‌اي خورشيد كه بازه‌اي يازده سالهدارد، وابسته است. دراوج فعاليتهاي خورشيديكه تابش اشعه‌هاي ماوراءبنفش و گاما به شدت افزايش مي‌يابد، لايه‌هايمختلف اتمسفر زمين به تناسب انرژي بيشتري دريافت كرده و افزايش حجم مي‌دهند. اينامر باعث مي‌شود چگالي اتمسفر در لايه‌هاي فوقاني به شدت افزايش يابد. افزايشچگالي اتمسفر در لايه‌هاي فوقاني باعث افزايش ميزان فرسايش و نيروي بازدارندگيخواهد شد كه اين موضوع باعث مي‌شود روند فرسايش و سقوط پسماندهاي اين منطقه دراوج فعاليتهاي خورشيدي شتاب بيشتري گيرد.
مدارهاي بيضي شكل بسيار كشيده دومينعامل فرسايش يا فروافتادن پسماندها مربوط است به دسته‌اي از آنها كه در مدارهاييبا تفاوت فاحش در ارتفاع نقاط اوج و حضيض مي‌چرخند و يا به عبارتي ديگر شکل مداريآنها بيضي بسيار کشيده است. اثر نيروهاي جاذبه ماه وخورشيد مخصوصا در حالتهاي خاصي نظير مقارنه باعث اختلالات کوچکي در مدارهاي ايندسته از پسماندها مي‌شود. از آنجا‌که در اين مدارها نقطه حضيض بسيار نزديک بهمحدوده جو غليظ است، كمترين اختلال در مدار امکان فرو رفتن مدارگرد در جو غليظزمين را به شدت افزايش مي‌دهد. هر بار كه مدارگرد در مسير خود از لايه‌هاي غليظ جوعبور مي‌كند، بخشي از انرژي مداري خود را از دست داده و در نتيجه، ارتفاع مدار آنپايين‌تر آمده و فرايند فرسايش يا سقوط، سرعت بيشتريمي‌گيرد.
·
فشار تابشيخورشيدآخرين عامل که اهميت کمتري نيز دارد نيروي ناشي از فشارتابشي خورشيد است. اثر اين نيرو بر مدارگردهاي بزرگ و سنگيني نظير ماهواره‌ها بهقدري اندک است که ميتوان آن را فراموش نمود. اما همين نيروي اندک روي پسماندهاييکه نسبت سطح به جرم بزرگي دارند، تاثير قابل ملاحظه‌اي دارد که نمي‌توان از آنصرف نظر کرد. اين منبع انرژي به عنوان روش طبيعي دفع و فرسايش ذرات و غبارهايينظير آنچه در مورد خروجي موتورهاي سوخت جامد و يا اجكتا گفته شد، بسيار مفيد است. فشار تابشي خورشيد در دوره‌هايي يازده ساله افزايش مي‌يابد و بيشترين حجم رانشپسماندهاي ريز به سمت جو غليظ در آن زمان صورت مي‌گيرد.
