فضا چگونه آلوده شد؟

عبدالله مصطفایی | اخیرا در خبر‌ها آمده بود که چین یک فضاپیما برای نمونه‌برداری از سطح و عمق ماه به فضا فرستاده است. انجام موفقیت‌آمیز این مأموریت‌ها برای کشور‌ها و اهالی آن‌ها غرورآفرین است. آقای «ایلان ماسک» نیز همه‌جا از برنامه‌هایش برای ارسال صد‌ها و هزاران فضاپیما به سیارات دیگر صحبت می‌کند.

ولی طرفداران محیط زیست با عینک خود به مسائل می‌نگرند و همواره نگران اثرات این مأموریت‌ها بر درون جو و برون آن هستند. واضح و مبرهن است که این رفت‌وبرگشت فضاپیما‌ها و ماهواره‌ها باعث تولید زباله‌های فضایی خواهد شد.

اگر در ویکی‌پدیا سری به مبحث زباله‌های فضایی بزنید، خواهید دید که آن‌ها چیز‌های گوناگون ساخته دست انسان هستند که در مدار زمین در‌حال گردش‌اند، اما دیگر کارایی ندارند. زباله فضایی درواقع بقایای فعالیت بشر در فضا است، از قطعات سفینه‌ها گرفته تا قسمت‌هایی از سفینه که در مراحل مختلف مأموریت فضایی از آن جدا می‌شوند یا هر چیز دیگری که در مدار زمین رها شده و دیگر کاربردی ندارد.

ناسا در سال ۲۰۱۱، گزارش کرد که میزان این زباله‌های فضایی به نحو تصاعدی افزایش یافته و به مرز بحران رسیده است.

تا جایی که پروفسور «ویتالی آدوشکین» استاد آکادمی علوم روسیه می‌گوید: «زباله‌های فضایی، به‌خصوص زباله‌های به‌جامانده از ماهواره‌های نظامی، می‌تواند باعث تنش سیاسی و نظامی بین کشور‌های حاضر در فضا شود». او در ادامه می‌افزاید: «کشوری که مالک ماهواره آسیب‌دیده و تخریب‌شده است، به‌زحمت بتواند عامل اصلی این برخورد را به‌سرعت شناسایی کند. این یک مسئله سیاسی خطرناک است».

به‌علاوه در‌حال‌حاضر نیز سازمان‌های فضایی آمریکا و روسیه بیش از ۲۳ هزار قطعه بزرگ‌تر از ۱۰ سانتی‌متر را در فضا زیر نظر دارند، اما گفته می‌شود نیم‌میلیارد ذره کوچک‌تر از ۱۰ سانتی‌متر و تریلیون‌ها ذره کوچک‌تر در فضای اطراف زمین در گردش‌اند.

میزان زباله‌های فضایی در مدار‌های پایین در نیم‌قرن اخیر به میران چشمگیری افزایش یافته و درصورتی‌که این زباله‌ها پاک نشوند، برخورد «زنجیره‌ای» این قطعات سرگردان با همدیگر، ذراتی کوچک‌تر و متعددتر ایجاد خواهد کرد.

گویی ادبیات جدیدی در‌حال شکل گرفتن است و حال باید دید که آیا در فضا فقط این آلاینده‌ها وجود دارند یا آلاینده‌های حاصل از سوخت هیدروکربنی یا سوخت جامد موشک‌ها نیز مشکل‌آفرین هستند. این مقاله سعی دارد با نگاهی جدید به این مسائل و چالش‌های آن‌ها در آینده بپردازد.

صنعت فضایی در حال رشد و نوآوری است به‌نحوی‌که این رشد نسبت به روز‌های فرود بر ماه بی‌سابقه است. ۵۰ سال پیش، تقریبا هر‌آنچه در ارتباط با فضا بود، پروژه‌ای تحت حمایت دولت به‌شمار می‌رفت، اما در فضای قرن بیست‌ویکم، سرمایه‌گذاری روی وسایل پرتاب و ماهواره اغلب ناشی از سرمایه‌گذاری‌های مهم شرکت‌ها یا نهایتا مشارکت دولتی و خصوصی است.

هرچند صنعت فضایی در جهان از تکیه بر دولت منصرف نشده است، ولی به‌طور فزاینده‌ای مانند صنعت هواپیمایی فعالیت می‌کند. مشخصه آن نیز قابلیت استفاده مجدد از تجهیزات و سفینه‌ها، ردیابی منظم پرواز‌ها و تولید انبوه فضاپیما‌ها و وسایل پرتاب است.

تحلیلگران پیش‌بینی می‌کنند که سهم صنعت فضا در تولید ناخالص داخلی جهانی تا سال ۲۰۴۰ می‌تواند از آستانه یک درصد عبور کند؛ یعنی ما می‌توانیم سناریو‌هایی برای آینده بسازیم که صنایع فضایی و هواپیمایی دارای نفوذ اقتصادی قابل‌توجهی باشند.

از زمان جنگ دوم جهانی تاکنون بسیاری از تحولات قابل‌توجه در زمینه هواپیما و نیروی محرکه هواپیما در خصوص نگرانی‌های ناشی از توسعه پایدار، عمدتا بر انتشار آلودگی از موتور‌های جت متمرکز بوده‌اند. موتور‌های جت مدرن نسبت به موتور‌های ۵۰ سال پیش آلاینده‌های دوده و آلاینده‌های گازی بسیار کمتری منتشر می‌کنند.

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 خوب‌تر برای زمین. البته در توسعه سیستم‌های فضایی هیچ‌گاه توجه به توسعه پایدار، یک دغدغه نبوده است.

این در حالی است که درست مثل پسرعمو‌های موتور جت آنها، موتور‌های موشکی نیز گاز‌ها و ذرات مختلفی را در جو منتشر می‌کنند که می‌تواند عواقب منطقه‌ای و حتی جهانی را به همراه داشته باشد. در اینجاست که با مقایسه مصرف سوخت جت و موشک با روشی بیش از حد ساده‌انگارانه، اثرات زیست‌محیطی سیستم‌های موشکی معمولا نادیده گرفته می‌شود.

این استدلال بدین شرح است: موشک‌ها هر‌سال فقط یک‌دهم درصد سوختی را که هواپیما‌ها می‌سوزانند، مصرف می‌کنند و بنابراین تنها مسئول یک‌دهم درصد از مشکل آلایندگی هوا هستند.

اما این یک مورد برابری کاذب است. درک دقیق هر مرحله از پرواز فضایی نشان می‌دهد که انتشار ناشی از سامانه‌های فضایی می‌تواند از راه‌های کاملا متفاوتی بر جو تأثیر بگذارد که در برخی موارد بزرگ‌تر از انتشار ناشی از صنعت هواپیمایی است.

ضمنا برخلاف انتشار ناشی از هواپیماها، لایه‌های مختلف جو انتشار گاز‌های گلخانه‌ای صنعت فضایی را درک می‌کنند. درحالی‌که انتشار هواپیما‌های جت در تروپوسفر به علت بارندگی به‌سرعت به سطح زمین شسته می‌شود، انتشار موشک در استراتوسفر فقط به آرامی پاک می‌شود. به‌علاوه انتشار گاز‌ها در استراتوسفر سال‌به‌سال جمع می‌شود و از مجموع پرتاب‌ها و ورود مجدد سفینه‌ها به زمین طی چهار یا پنج سال، آلودگی‌ها اضافه می‌شود.

درواقع، لایه شکننده ازن در استراتوسفر، در نزدیکی محل تجمع انتشار آلودگی موشک‌ها قرار دارد. چشم‌انداز سفر به فضا هرگز تا به این حد هیجان‌انگیز نبوده است. پ

یشرفت‌های صنعت فضا، ازجمله ماهواره‌های کوچک، مگافلک‌های مدار پایین زمین، پیشرانه‌های جدید موشکی و استخراج منابع از ماه، رشد فضای جدید را در قرن بیست‌ویکم ایجاب می‌کنند. انتظارات زیادی وجود دارد که این تحولات باعث شوند که آرزوی دیرینه بشر محقق شود؛ یعنی سفر‌های فضایی به اندازه سفر‌های هوایی معمول شود. اما آیا این فناوری‌های فضایی جدید در مسیر توسعه پایدار قرار دارند؟

خروجی موتور موشک مانند اگزوز جت، اکثرا حاوی دی‌اکسید‌کربن و بخار آب است و تأثیرات جهانی این انتشارات به‌خوبی درک می‌شود. دی‌اکسید‌کربن ساطع‌شده در هر ارتفاعی یک گاز گلخانه‌ای «طولانی‌مدت» است که به بار گاز‌های گلخانه‌ای جوی می‌افزاید.

بخار آب یک گاز گلخانه‌ای «کوتاه‌مدت» است. تأثیرات جهانی این اجزای خروجی از اگزوز موشک اندک است؛ یعنی کسری از درصد تأثیرات جهانی دی‌اکسید‌کربن و بخار آب خروجی از هواپیما‌ها محسوب می‌شوند. حتی اگر اجزای اصلی اگزوز موتور موشک هیچ تأثیر درخور توجهی در سطح جهانی نداشته باشند، ولی برخی از اجزای خاص نیاز به بررسی دقیق‌تر دارند.

ماده اکسیدکننده در موتور موشک سوخت جامد (SRM) یعنی پرکلرات آمونیوم، حاوی کلر است که جدی‌ترین تهدید برای ازن در استراتوسفر است. نمونه‌گیری مستقیم ستون از ۲۰ سال پیش توسط هواپیما‌های ناسا نشان داده که ستون‌های SRM «سوراخ‌های کوچک» ازن را ایجاد می‌کنند که پس از پرتاب برای چندین روز ادامه دارد.

با این وجود ترکیبات مملو از کلر در استراتوسفر جهانی، ناپدید می‌شوند و مقدار کل کلر ساطع‌شده توسط SRM‌ها هر‌ساله در مقایسه با کلر آزادشده توسط کلروفلوروکربن‌های مشهور، مقداری کوچک با ماندگاری کوتاه‌مدت است. بر این اساس کلر حاصل از SRM به احتمال زیاد تهدیدی جدی برای لایه ازن نیست. دانشمندان به‌خوبی می‌دانند که چگونه گاز‌های دی‌اکسید‌کربن، بخار آب و کلر خروجی از موشک‌ها بر آب‌وهوا و لایه ازن تأثیر می‌گذارند.

همه این تحقیقات نشان می‌دهد 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. با‌این‌حال اجزای دیگری در اگزوز موشک وجود دارد که می‌تواند درخور توجه باشد: ذرات دوده (کربن سیاه) و آلومینا (Al۲O‌۳).

شهرت راکت‌ها در این است که ستون‌های خروجی از اگزوز درخشانی را به نمایش می‌گذارند. «شعله» موتور موشکی با سوخت هیدروکربنی بیشتر ناشی از درخشش رشته‌ای ذرات دوده است که در ستون داغ اکسیده می‌شوند. مکانیسم تولید دوده در موتور‌های موشکی پیچیده است و به‌خوبی قابل درک نیست.

دوده در محفظه‌های احتراق غنی از سوخت، در دیواره‌های نازل خنک‌کننده سوخت و ژنراتور‌های توربوپمپ تشکیل می‌شود و تا حدی در توده‌های گرم مصرف می‌شود. موتور‌های جت هیچ‌یک از این پیچیدگی‌ها را ندارند و در مقایسه با موتور راکت بسیار تمیز می‌سوزند.

برخی از انواع موتور‌های موشکی با سوخت هیدروکربنی صد‌ها برابر بیشتر از پسرعمو‌های موتور جت خود دوده به ازای هر کیلوگرم سوخت مصرف‌شده منتشر می‌کنند. قابل ذکر است که جت‌ها فقط گاهی در استراتوسفر پرواز می‌کنند، ولی موشک‌ها در هر پرتاب به آنجا پرواز می‌کنند.

نگرانی از دوده در استراتوسفر ناشی از چیست؟ دوده کربن سیاه (BC) شدیدا نور خورشید را جذب می‌کند. انرژی جذب‌شده به هوای اطراف منتقل می‌شود؛ به نحوی که این کربن سیاه به‌عنوان منبع گرما عمل کرده و استراتوسفر را گرم کند و این امر می‌تواند گردش اتمسفر جهان را کمی تغییر دهد.

از آنجا که غلظت ازن با دما تناسب عکس دارد، یک استراتوسفر گرم‌تر برابر است با از‌بین‌رفتن لایه ازن. آیا این کربن سیاه که توسط ناوگان جهانی موشک‌ها ساطع می‌شود، آن‌قدر زیاد است که بتواند تأثیر درخور توجهی در جو جهانی بگذارد؟

ما هنوز این را نمی‌دانیم، چون مدل‌های آب‌وهوایی مورد نیاز اکنون فقط مونتاژ می‌شوند. انتشار دوده کربن سیاه توسط موشک‌های با سوخت هیدروکربنی و تأثیرات جهانی آن همچنان یک معماست. ستون‌های خروجی از موتور موشک‌های سوخت جامد (SRM) حتی درخشان‌تر از انواع سوخت‌های هیدروکربنی هستند.

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

در دهه ۱۹۹۰، محققان کشف کردند که چگونه واکنش‌های شیمیایی تخریب‌کننده ازن در سطح ذرات آلومینای SRM رخ می‌دهد، اما اهمیت آلومینا به‌عنوان منبع تخریب ازن مشخص نیست. البته SRM گاز کلر تخریب‌کننده ازن را نیز ساطع می‌کند و ماهیت دوطرفه کاهش ازن SRM همچنان به‌خوبی توصیف نشده است.

ارزیابی سازمان جهانی هواشناسی (WMO) در سال ۲۰۱۸ روی لایه ازن وجود شکاف‌های گسترده دانش را تأیید کرد و ضمنا خاطرنشان کرد که تحقیقات بیشتر «موجه» است. SRM‌های شاتل فضایی بزرگ‌ترین هواپیما‌های پرواز داده‌شده تاکنون بوده‌اند و اغلب به اشتباه تصور می‌شود که با بازنشستگی شاتل‌های فضایی، استفاده از موشک‌های بزرگ سوخت جامد پایان یافته است.

در حقیقت SRM‌ها در‌حال پیدا‌کردن برنامه‌های کاربردی برای پرتاب‌های جدید در سراسر کره زمین هستند. SRM‌های با قطر ۱۴۴ اینچی Launch System Space عظیم‌ترین پرواز‌های انجام‌شده تاکنون است. حتی یک SLS ۱۵۶ اینچی کشور چین که برای اولین‌بار در سال ۲۰۲۵ برنامه‌ریزی شده، در هاله‌ای از ابهام است.

SRM‌ها یک خطر در‌حال رشد و کمتر‌شناخته‌شده برای ازن استراتوسفر هستند.

برخلاف بسیاری از داستان‌های رسانه‌ای درباره تماشایی‌بودن ورود مواد ناخواسته فضایی، این مواد ناخواسته فضایی که به زمین بازمی‌گردند، هنگام ورود مجدد «ناپدید نمی‌شوند»؛ برخی از قسمت‌های فضاپیما‌های متروک، حین ورود مجدد سالم مانده و به سطح زمین می‌رسند.

با‌این‌حال، بیشتر جرم واردشده به دلیل حرارت زیاد تبدیل به یک گاز داغ می‌شود که به‌سرعت متراکم شده و به‌صورت ابری از ذرات کوچک درمی‌آید. بنابراین، مانند مرحله پرتاب، توده‌های روشن به معنای تولید ذرات هستند. برخلاف ساده‌بودن 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، رایانه‌ها، صفحات خورشیدی و سایر مواد عجیب و غریب در ارتفاع ۸۵ کیلومتری تشکیل می‌شوند و سپس به سمت پایین حرکت می‌کنند و در استراتوسفر همراه با دوده و آلومینای ناشی از مرحله پرتاب تجمع می‌یابند. این نشان می‌دهد که آلودگی‌های ناشی از مرحله بازگشت به اندازه مرحله پرتاب مهم هستند.

در سیستم در‌حال رشد ماهواره‌های LEO، از تبدیل‌شدن به بخار حین ورود مجدد به‌عنوان مکانیسم دفع و مرحله پایانی زندگی ماهواره استفاده می‌شود. پس از استقرار این ماهواره‌ها، سالانه صد‌ها تن ماهواره غیرفعال برای دفع «آورده» می‌شوند که بیشتر این جرم در جو میانی به ذرات تبدیل می‌شود.

اطلاعات کمی درباره تولید گرد و غبار حین ورود مجدد، میکروفیزیک ذرات و اینکه چگونه گرد و غبار ورودی می‌تواند بر آب‌وهوا و ازن تأثیر بگذارد، شناخته شده است.

فضا وارد مرحله رشد شده است و یادآور روز‌های اولیه هواپیمایی است. هنگامی که یک فناوری در اقتصاد بازار تبدیل به امری عادی می‌شود، هیچ محدودیتی برای کاربرد‌های جدید بالقوه وجود ندارد. صنعت فضایی مانند برادر بزرگ‌تر خود یعنی صنعت هواپیمایی، در سیستم‌های پیشرانه، گاز‌ها و ذرات را در جو منتشر می‌کند؛ اما مقایسه بین انتشار آلاینده‌های صنعت هواپیمایی و صنعت فضایی باید راه‌های بسیار متفاوتی را که این دو صنعت بر جو زمین تأثیر می‌گذارند، نشان دهد.

برای هر آینده پیش‌بینی‌پذیری مشخص است که انتشار دی‌اکسید کربن از موتور‌های جت بسیار بیشتر از انتشار دی‌اکسید کربن از موتور موشک‌ها خواهد بود.

این امر در محاسبات خیرخواهانه، اما نادرست «ردپای کربن» برای فضا منعکس شده است؛ اما دی‌اکسید کربن آلاینده‌ای نیست که باید برای جلوگیری از آلودگی فضا مورد اقدام قرار گیرد. ذرات ساطع‌شده از پرتاب موشک و ورود مجدد بقایای فضایی باعث تغییرات بسیار بزرگ‌تری در شیمی جوی، پویایی و تابش نسبت به دی‌اکسید کربن منتشرشده از موشک‌ها می‌شود.

این به آن معنی است که برای صنعت فضایی، «رد‌پای کربن» داستان پیچیده‌ای است که هنوز به‌درستی تعریف نشده است. بحث و جدل اخیر درباره روشنایی ماهواره‌های LEO نشان می‌دهد که چگونه توسعه پایدار برای تبدیل‌شدن به یک جنبه اساسی در توسعه سیستم‌های فضایی لازم است.

اگر اثرات زیست‌محیطی هر مرحله از چرخه حیات یک سیستم زودتر از موعد ارزیابی شود، تضمین استفاده بلامانع از سیستم‌های فضایی آسان‌تر خواهد بود. باید توجه داشت که نگرانی‌های زیست‌محیطی که پس از استقرار ظاهر می‌شوند، باعث تشویق وضع مقررات جدید می‌شوند. این در حالی است که تجزیه و تحلیل کامل موضوع قبل از استقرار، این سیستم را در برابر وضع مقررات واکسینه می‌کند.

از قضا، فقط فضا می‌تواند چشم‌انداز جهانی مورد نیاز برای مدیریت و سرپرستی بشریت بر زمین را فراهم کند. دیدگاه آپولو-۸ درباره زمین با آغاز فعالیت‌ها درباره محیط زیست جهانی همراه بوده است. هنوز دانش صنعت فضایی برای پاسخ‌گویی به سؤالات اساسی درباره تأثیرات جهانی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و توسعه پایدار فضا بسیار ضعیف است. صنعت فضایی درباره تأثیرات زیست‌محیطی، کار‌های زیادی برای انجام دارد.

مطابق صنعت حمل‌ونقل هوایی، صنعت فضایی نیز نیازمند یک برنامه علمی مناسب شامل اندازه‌گیری توده‌ها و ستون‌های آلاینده‌های ناشی از پرتاب و ورود مجدد سفینه‌ها، مدل‌سازی دقیق توده‌ها از انتشار آلاینده‌های تازه حین اختلاط با جو جهان و اندازه‌گیری آزمایشگاهی میکروفیزیک انواع ذرات مختلف تولیدشده از زمان پرتاب تا ورود مجدد است.

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

تهدید‌های نظارتی برای توسعه فضا در آینده چیست؟ ما اکنون پاسخ این سؤالات را نمی‌دانیم؛ مگر زمانی که یک برنامه همخوان با توسعه پایدار در زمینه تحقیقات علمی درباره انتشار گاز‌های آلاینده در صنعت فضا با هماهنگی همگانی در سطح جهان انجام شود.

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

آن‌ها به دنبال راه‌هایی برای گنجاندن چوب در ماهواره‌ها به‌ویژه به‌عنوان جعبه‌ای برای اجزای دیگر هستند. چوب این مزیت را دارد که به‌طور بالقوه به هیچ پیچ‌و‌مهره‌ای احتیاج ندارد و اگر بتوان آن را برای مقاومت در برابر شرایط شدید فضای بیرونی آماده کرد، می‌تواند گزینه خوبی باشد. این فقط یک مفهوم زیست‌محیطی نیست؛ چون چوب دارای مزایایی در مقایسه با سایر مواد است.

برای مثال امواج الکترومغناطیسی یا میدان مغناطیسی زمین را مسدود نمی‌کند؛ یعنی به‌هیچ‌وجه بر حسگر‌ها یا آنتن‌های قرار داده‌شده در داخل جعبه چوبی تأثیر نمی‌گذارد. این می‌تواند برخی از مشکلات طراحی ماهواره‌های مدرن را کاهش دهد.

همچنین چوب در هنگام ورود مجدد به جو، بدون آزادسازی سموم یا پسماند کاملا می‌سوزد. تخمین زده می‌شود که در این دهه هر سال بالغ بر ۹۹۰ ماهواره پرتاب شود. این به آن معنی است که تعداد ماهواره‌ها می‌توانند به‌سرعت به ۱۵ هزار ماهواره برسند. «تاکائو دوی»، استاد دانشگاه کیوتو و فضانورد ژاپنی، در این زمینه می‌گوید:

«ما بسیار نگران این واقعیت هستیم که تمام ماهواره‌هایی که دوباره وارد جو زمین می‌شوند، می‌سوزند و ذرات ریز آلومینا را به وجود می‌آورند که برای سال‌ها در جو فوقانی شناور خواهند بود و سرانجام نیز بر روی محیط زمین تأثیر خواهند گذاشت». در‌حال‌حاضر این پروژه فقط به‌عنوان تحقیقات پایه مطرح است.

اولین ماهواره چوبی قرار است در سال ۲۰۲۳ پرتاب شود و این پروژه تا مارس ۲۰۲۴ ادامه خواهد داشت. در این پروژه قرار است سازه‌های چوبی مقاوم در برابر درجه حرارت و شرایط شدید ساخته شوند که می‌تواند نه‌فقط برای ماهواره‌ها بلکه برای کاربرد‌های دیگر نیز مفید باشد.

منبع: ScientificAmerican, ۶Nov. ۲۰۲۰