آیا سوخت‌گیری مداری می‌تواند پروازهای فضایی را از شر زباله‌های فضایی نجات دهد؟

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، امروزه، چندین آژانس فضایی برای اولین بار از زمان آپولو، خود را برای ارسال ماموریت‌های سرنشین‌دار به ماه آماده می‌کنند. در همین حال، صنعت فضایی تجاری در حال رونق گرفتن است و تعداد فزاینده‌ای از ارائه‌دهندگان خدمات پرتاب، ماهواره‌های خود را به مدار زمین می‌فرستند. همه این تحولات نشان می‌دهد که ما در عصری از اکتشافات فضایی جدید زندگی می‌کنیم: NewSpace یا Space ۲.۰.

 

بخش عمده‌ای از این امر به دلیل بازیابی موشک و توسعه قابلیت استفاده مجدد است که منجر به کاهش قابل توجه هزینه ارسال محموله‌ها به فضا شده است.

 

راه دیگر برای کاهش هزینه‌ها، سوخت‌رسانی در مدار (OOR) است که با نام انتقال سوخت در فضا نیز شناخته می‌شود. ناسا دهه‌هاست که روی این مفهوم تحقیق می‌کند تا ماموریت‌های ماه و فراتر از آن را تسهیل کند. اگر شرکت‌هایی مانند اسپیس‌ایکس به هدف خود برسند، مدار پایین زمین (LEO) روزی می‌تواند پر از انبار‌های سوخت‌گیری شود و سفر‌های تجاری به ماه و احتمالاً مریخ را امکان‌پذیر سازد.

 

با این حال، OOR می‌تواند انواع دیگری از عملیات را در مدار LEO نیز امکان‌پذیر کند و در عین حال به یک مسئله مهم زیست‌محیطی یعنی مشکل رو به رشد زباله‌های فضایی بپردازد. با ارائه خدمات سوخت‌رسانی به ماهواره‌ها در مدار، سازمان‌های دولتی و شرکت‌های مخابراتی و تجاری فضایی می‌توانند عمر ماهواره‌ها را به طور نامحدود افزایش دهند. این امر مانع از از کار افتادن آنها پس از اتمام سوخت و تشدید بحران رو به رشد زیست‌محیطی در فضا خواهد شد.

 

برای این منظور، آمازون و استارتاپ فضایی تجاری Arkisys اخیراً اعلام کردند که برای توسعه قابلیت‌های سوخت‌گیری ماهواره با استفاده از پلتفرم‌های فضایی تجاری پیشنهادی Arkisys، معروف به " بندر "، با یکدیگر همکاری می‌کنند. این تأسیسات درون مداری، مونتاژ، ادغام و تأمین مجدد ماهواره‌ها در مدار را امکان‌پذیر می‌کند، که احتمالاً ارائه‌دهندگان ماهواره برای خدمات‌رسانی به منظومه‌های ماهواره‌ای خود به آنها متکی خواهند بود.

 

زباله‌های مداری

 

بر اساس جدیدترین آمار منتشر شده توسط دفتر زباله‌های فضایی در مرکز عملیات فضایی اروپا (ESOC)، از زمان پرتاب اسپوتنیک ۱ به فضا، حدود ۶۹۶۰ پرتاب، به استثنای پرتاب‌های ناموفق، انجام شده است. این پرتاب‌ها محموله‌های بی‌شماری، از جمله حدود ۲۲۳۱۰ ماهواره، را در مدار قرار داده‌اند. در ۶۰ سال گذشته، تخمین زده می‌شود که بیش از ۶۵۰ مورد فروپاشی، انفجار یا برخورد بین ماهواره‌های غیرفعال، مراحل موشک‌های مصرف‌شده و سایر محموله‌های از کار افتاده رخ داده است.

 

با گذشت زمان، این امر منجر به وضعیت فعلی مدار پایین زمین (LEO) شده است که مملو از زباله‌های فضایی است. این اشیاء تهدیدی جدی برای ماهواره‌های عملیاتی، فضاپیما‌ها و ایستگاه‌های فضایی محسوب می‌شوند. بدتر از آن، برخورد بین ماهواره‌های از کار افتاده، مراحل مصرف شده و سایر محموله‌های پرتاب شده به فضا، زباله‌های بیشتری ایجاد می‌کند که می‌تواند منجر به پدیده‌ای شود که به عنوان اثر کسلر (یا آبشار برخوردی) شناخته می‌شود. این پدیده به نام اخترفیزیکدان ناسا، دونالد جی. کسلر، نامگذاری شده است که آن را در مقاله‌ای که در سال ۱۹۷۸ منتشر شد، مطرح کرد.

 

در این سناریو، تراکم اشیاء در مدار پایین زمین (LEO) به اندازه‌ای زیاد می‌شود که برخورد بین اشیاء باعث ایجاد یک اثر آبشاری می‌شود. با برخورد اشیاء، اشیاء کوچک‌تری تولید می‌شوند که با یکدیگر برخورد می‌کنند. با هر برخورد، زباله‌های فضایی بیشتری تولید می‌شوند و احتمال برخورد‌های بیشتر به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد. در حالی که آژانس‌های فضایی و شرکای تجاری در حال پیگیری استراتژی‌های کاهش و حذف زباله‌ها هستند، بزرگترین عامل، ماهیت ماهواره‌ها است.

 

در حال حاضر، ماهواره‌ها نمونه‌ای از فناوری‌های یکبار مصرف هستند که یک بار به فضا پرتاب می‌شوند و پس از اتمام سوخت، دور انداخته می‌شوند.

 

رودریگو اشمیت، دانشجوی دکترا در رشته هوانوردی و فضانوردی در دانشگاه پردو و محقق مرکز سیستم‌های یکپارچه هوافضا، از طریق ایمیل به Interesting Engineering گفت: «سوخت‌رسانی به ماهواره تنها راه افزایش طول عمر ماهواره‌ها است که معمولاً حدود ۴ تا ۸ سال (یا حدود ۱۵ سال برای مدار ژئو) عمر می‌کنند. این بدان معناست که هر ماهواره در فضا، پس از رسیدن به آن نقطه، به زباله‌های فضایی تبدیل می‌شود که می‌توانند به هر ماهواره فعالی برخورد کنند و انفجاری با صد‌ها یا حتی هزاران قطعه ایجاد کنند. به عبارت دیگر، سوخت‌رسانی به ماهواره نه تنها راهی برای افزایش ماندگاری ما در مدار زمین است، بلکه از محدود شدن ما به سیاره خودمان برای همیشه جلوگیری می‌کند.

 

سوخت‌گیری در مدار

 

ناسا در ابتدا ایده OOR را در دهه ۱۹۶۰ بررسی کرد و در نهایت در سال ۱۹۶۹ به طرح برنامه یکپارچه (IPP) - یا همان سیستم حمل و نقل فضایی (STS) - منجر شد. این طرح مجموعه‌ای از وسایل نقلیه فضایی سرنشین‌دار قابل استفاده مجدد را پیش‌بینی می‌کرد که از عملیات گسترده‌تر فراتر از برنامه آپولو پشتیبانی می‌کردند و امکان ماموریت‌های بین زمین و ماه و اولین ماموریت‌های انسانی به مریخ را فراهم می‌کردند.

 

معماری ماموریت شامل انبار‌های سوخت مداری مستقر در مدار LEO و مدار ماه بود تا سوخت (و در نتیجه جرم) مورد نیاز فضاپیما برای حمل به فضا را کاهش دهد. این طرح در نهایت به نفع برنامه شاتل فضایی کنار گذاشته شد و اصطلاح STS برای اشاره به وسیله نقلیه شاتل مداری استفاده شد - تنها بخشی از IPP که محقق شد.

 

با این وجود، ناسا و وزارت دفاع ایالات متحده (DOD) در طول دهه ۱۹۸۰ مطالعات متعددی در زمینه خدمات فضایی انجام دادند. این امر منجر به یک مطالعه مهندسی و یکپارچه‌سازی سیستم‌ها در اوایل دهه ۱۹۹۰ شد که توسط دفتر ابتکارات جدید مرکز فضایی جانسون ناسا با همکاری شرکت مهندسی هرناندز (HEI) انجام شد. این مطالعات نشان داد که سوخت‌گیری در مدار امکان‌پذیر است، اما هنوز به یک نمایش پروازی نیاز است.

 

 

این مفهوم از آغاز قرن بیستم به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت. این شامل یک نمایش آزمایشی در مدار توسط نیروی هوایی ایالات متحده و اتحاد پرتاب متحد در سال ۲۰۰۹ (ULA) با استفاده از یک مرحله بالایی اصلاح‌شده Centaur بود. در طول پرواز، شش نمایش شامل انتقال ۱۲۰۰۰ پوند (۵۴۰۰ کیلوگرم) سوخت اکسیژن مایع (LOX) و هیدروژن مایع (H۲) انجام شد. در سال ۲۰۱۰، گروه کاری عملیات فضایی آینده ناسا (FISO) جلسه‌ای را برای بحث در مورد مفهوم انبار سوخت تک‌وسیله نقلیه برای حمل و نقل cislunar برگزار کرد.

 

در سال ۲۰۱۱، ناسا با چهار شرکت هوافضا قرارداد بست تا «ماموریت‌های نمایشی را تعریف کنند که مفهوم ذخیره‌سازی پیشران‌های برودتی در فضا را تأیید کنند تا نیاز به وسایل پرتاب بزرگ برای اکتشافات عمیق فضایی کاهش یابد.» طبق این قرارداد، شرکت‌های Analytical Mechanics Associates، بوئینگ، لاکهید مارتین و Ball Aerospace مبلغ ۶۰۰۰۰۰ دلار برای توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی و انتقال پیشران‌های برودتی و مفاهیم مربوط به انبار‌های برودتی دریافت کردند.

 

در آوریل ۲۰۲۱، ناسا شرکت اسپیس‌ایکس را برای توسعه یک سامانه فرود انسان (HLS) برای برنامه آرتمیس انتخاب کرد. معماری این ماموریت شامل OOR بود که شامل چندین تانکر سوخت‌رسان بود که برای سرویس‌دهی به یک ایستگاه سوخت‌گیری در مدار پایین زمین پرتاب می‌شدند. در طول سومین پرواز یکپارچه استارشیپ، انتقال پیشران درون فضاپیمایی در مدار نشان داده شد. در ابتدا قرار بود یک ماموریت نمایشی انتقال پیشران بین فضاپیمایی در سال ۲۰۲۵ انجام شود، اما از آن زمان به سال ۲۰۲۶ موکول شده است.

 

مگاصورت‌های فلکی در راهند

 

در سال‌های آینده، چندین شرکت قصد دارند «مگامنظومه‌های ماهواره‌ای» را برای ارائه دسترسی به اینترنت پهن‌باند مستقر کنند. شرکت تابعه اسپیس‌ایکس، استارلینک، در حال حاضر با بیش از ۷۶۰۰ ماهواره در مدار (تا ماه مه ۲۰۲۵) که پوشش اینترنت را برای حدود ۱۳۰ کشور و منطقه فراهم می‌کند، بر این بازار تسلط دارد. اما با ورود شرکت‌هایی مانند پروژه کویپر، شرکت تابعه بلو اوریجین، اسپیس‌سیل چین و دیگران به بازار، پیش‌بینی می‌شود که مدار زمین در سال‌های آینده کاملاً «تجاری» شود.

 

تاکنون، شرکت فضایی چین (Spacesail) از آگوست ۲۰۲۴، حدود ۹۰ ماهواره از مجموع ۱۴۰۰۰ ماهواره برنامه‌ریزی‌شده برای منظومه ماهواره‌ای کیان‌فان (Qianfan) (به چینی «هزار بادبان») را مستقر کرده است. در ماه مارس، این شرکت با شرکت مخابرات دولتی برزیل، Telecomunicacoes Brasileiras (Telebras)، تفاهم‌نامه‌ای امضا کرد تا تقاضا برای اینترنت ماهواره‌ای را در مناطقی که زیرساخت فیبر نوری در دسترس نیست، بررسی کند.

 

در همین حال، استقرار پروژه کویپر در پنج مرحله برنامه‌ریزی شده است و سرویس اینترنت پس از پرتاب ۵۷۸ ماهواره اول آغاز خواهد شد. طبق مجوز FCC که در سال ۲۰۲۳ اعطا شد، آمازون باید نیمی از ماهواره‌های خود را تا ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۶ و نیم دیگر را تا ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۹ پرتاب و عملیاتی کند.

 

در آوریل ۲۰۲۳، آمازون قرارداد‌های پرتابی را با United Launch Alliance، Arianespace و Blue Origin (متعلق به جف بزوس، بنیانگذار آمازون) برای پرتاب ماهواره‌ها با استفاده از موشک‌های Vulcan، Ariane ۶ و New Glenn آنها (به ترتیب) منعقد کرد. پس از آن، آمازون در دسامبر ۲۰۲۳ قراردادی را با رقیب خود، SpaceX، برای پرتاب سه محموله از ماهواره‌هایش با استفاده از موشک Falcon ۹ آنها امضا کرد.

 

در آوریل ۲۰۲۵، ماموریت کویپر اطلس-۱ (KA-۱) با استفاده از موشک اطلس ۵ ULA، ۲۷ ماهواره اول پروژه کویپر را به فضا فرستاد. پس از آن، در ۲۳ ژوئن و ۱۶ ژوئیه، KA-۲ و KA-۳ به ترتیب ۲۴ و ۲۷ ماهواره را به مدار فرستادند. جدیدترین پرتاب، KA-۴، در ۱۱ آگوست ۲۰۲۵، ۲۴ ماهواره دیگر را به فضا فرستاد و تعداد ماهواره‌های این مجموعه را به ۱۰۰ رساند.

 

این امر منجر به محیطی نسبتاً شلوغ در مدار زمین خواهد شد. دیو بارنهارت، مدیرعامل آرکیسیس، از طریق ایمیل به IE گفت که صور فلکی مدار پایین زمین (LEO) با پیشرفت در فناوری و کاهش هزینه‌های پرتاب و ماهواره امکان‌پذیر شده‌اند.

 

به این ترتیب، اکنون می‌توان پوشش ۲۴ ساعته و ۷ روز هفته را در هر منطقه‌ای روی زمین از طریق چندین ماهواره کوچک که به صورت «رشته‌ای از مروارید» در مدار قرار دارند، به جای ماهواره‌های بسیار بزرگ و گران‌قیمت در کمربند زمین‌آهنگ، فراهم کرد. این امر در حالی که باعث کاهش هزینه‌ها برای مشتریان زمینی می‌شود، یک معضل جالب در فضا را نیز ایجاد می‌کند که ۵۰ سال پیش، زمانی که صنعت فضایی آغاز به کار کرد، پیش‌بینی نمی‌شد؛ یعنی مدار‌های بسیار شلوغ!

 

برای این منظور، Arkisys اخیراً با Orbit Fab، یک شرکت فضایی تجاری که به حذف فضاپیما‌های یکبار مصرف با سوخت‌گیری در فضا اختصاص دارد، همکاری کرده است. این همکاری می‌تواند راه را برای سایر خدمات OOR هموار کند و عصر جدیدی از خدمات فضایی پس از پرتاب را آغاز کند. این امر به طور چشمگیری عمر مفید ماهواره‌ها را افزایش می‌دهد و در عین حال میزان ماهواره‌های از کار افتاده (و همچنین زباله‌های فضایی ناشی از برخورد) در مدار را کاهش می‌دهد.

 

عصر جدید اکتشافات فضایی، با برنامه‌هایی برای تجاری‌سازی مدار LEO و انجام ماموریت‌های طولانی‌مدت به ماه، مریخ و فراتر از آن، مستلزم دستیابی به پایداری در فضا است. اطمینان از اینکه فضاپیما‌های پرتاب‌شده به مدار و فراتر از آن، ماهیت چندمنظوره دارند.

 

برای آشنایی بیشتر با این برنامه‌ی جذاب، منتظر قسمت دوم باشید.