آوارهای فضایی به یک مشکل حیاتی برای مأموریتها تبدیل شدهاند؛ رقابت برای پاکسازی مدار پایین زمین آغاز شد
در آوریل ۲۰۲۱، یک ماهواره شوروی سابق در مدار پایین زمین تا ۵۵ متری با یک بدنه موشک چینی برخورد نزدیک داشت. هیچکدام عملیاتی نبودند. هیچکدام قابلیت مانور نداشتند. آنها با حاشیهای که در اصطلاحات مداری تقریباً صفر است از کنار هم عبور کردند. اگر برخورد میکردند، ابری از آوار ایجاد میشد که هزاران قطعه جدید را به وجود میآورد – هر کدام قادر به ایجاد برخوردهای زنجیرهای بیشتر، پدیدهای که صنعت فضا آن را سندرم کسلر مینامد.
این نزدیکبرخورد غیرعادی نبود. آژانس فضایی اروپا هر ساله صدها مانور جلوگیری از برخورد برای ماهوارههای عملیاتی خود انجام میدهد. ایستگاه فضایی بینالمللی تا به حال بیش از ۳۰ بار برای دوری از آوار مجبور به مانور شده است. با افزایش جمعیت مداری – که توسط استقرار گسترده صورتفلکیهای تجاری هدایت میشود – این مشکل با سرعت فزایندهای از نظری به عملیاتی تبدیل میشود.
واقعاً چه چیزی آن بالا وجود دارد
شبکه نظارت فضایی ایالات متحده در حال حاضر تقریباً ۲۷,۰۰۰ شیء بزرگتر از ۱۰ سانتیمتر را در مدار ردیابی میکند. فراتر از این آستانه، حساسیت رادار به شدت کاهش مییابد. تخمینها برای اشیاء بین ۱ تا ۱۰ سانتیمتر – به اندازهای بزرگ که یک فضاپیما را در اثر برخورد نابود کنند اما برای ردیابی قابل اعتماد بسیار کوچک – به حدود ۵۰۰,۰۰۰ عدد میرسد. اشیاء کوچکتر از ۱ سانتیمتر به صدها میلیون عدد میرسند.
توزیع اهمیت دارد. مدار پایین زمین، زیر ارتفاع تقریباً ۲,۰۰۰ کیلومتر، شامل اکثر ماهوارههای عملیاتی و متراکمترین غلظت آوار است. جایی است که استارلینک اسپیسایکس فعالیت میکند، صورتفلکی تصویربرداری پلنت در آن کار میکند، ایستگاه فضایی بینالمللی پرواز میکند. همچنین جایی است که آوارها طولانیترین مدت را قبل از کشیده شدن به پایین توسط اصطکاک جوی باقی میمانند – در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری، اشیاء ظرف چند سال به طور طبیعی از مدار خارج میشوند؛ در ارتفاع ۸۰۰ کیلومتری، زمان به دههها میرسد؛ بالای ۱,۰۰۰ کیلومتر، قطعات میتوانند برای قرنها باقی بمانند.
خطر آبشار کسلر
سندرم کسلر – به نام دانشمند ناسا، دونالد کسلر که در سال ۱۹۷۸ این خطر را توصیف کرد – زنجیرهای خودتقویتکننده از آوار را توصیف میکند. یک برخورد آوار جدید ایجاد میکند؛ آوار جدید احتمال برخورد را افزایش میدهد؛ برخوردهای بیشتر آوار بیشتری ایجاد میکنند. آبشار برای ادامه نیازی به پرتاب جدید ندارد؛ توسط جمعیت موجود هدایت میشود. برخی ارتفاعات مداری ممکن است از قبل به اندازه کافی آوار داشته باشند که آبشار، در مقیاس زمانی طولانی، بدون اصلاح فعال اجتنابناپذیر است.
خطرناکترین اشیاء فعلی «ماهوارههای زامبی» و مراحل بالای موشکهای مصرفشده از دوران قبل از کاهش آوار هستند – اشیاء بزرگ بدون پیشرانه، در مدارهایی که برای دههها باقی میمانند و به تدریج خطر برخورد را افزایش میدهند. ناسا حدود ۵۰ شیء را در مدارهای بهویژه خطرناک شناسایی کرده که حذف آنها تأثیر نامتناسبی بر احتمال کلی برخورد خواهد داشت.
چه کسانی روی پاکسازی کار میکنند
حذف فعال آوار – رفتن و بازیابی یا خارج کردن از مدار اشیاء موجود – از نظر فنی و تجاری چالشبرانگیز است. اهداف همکاری نمیکنند: آنها در حال چرخش هستند، اغلب هیچ رابط docking ندارند و ممکن است ساختاری شکننده باشند. اقتصاد آن نامشخص است: چه کسی هزینه پاکسازی آوار ایجادشده توسط طرفهایی که ممکن است دیگر وجود نداشته باشند را پرداخت میکند؟
با این حال، چندین شرکت و آژانس فضایی در حال توسعه قابلیتهای حذف هستند. Astroscale، یک شرکت ژاپنی-بریتانیایی، فعالترین بوده است. مأموریت ELSA-d آن فناوری docking مغناطیسی را با یک هدف همکار در سالهای ۲۰۲۱-۲۰۲۲ نشان داد. مأموریت ADRAS-J آن، که در سال ۲۰۲۴ تحت قراردادی با JAXA پرتاب شد، عملیات rendezvous و مجاورت با یک مرحله موشک ژاپنی واقعی و غیرفعال انجام داد – اولین مأموریت تجاری برای بازرسی نزدیک آوارهای غیرهمکار. یک مأموریت بعدی برای خارج کردن واقعی مرحله موشک از مدار برنامهریزی شده است.
ClearSpace، یک استارتاپ سوئیسی، قراردادی با ESA برای خارج کردن VESPA، قطعهای از سختافزار موشک Vega که در سال ۲۰۱۳ در مدار رها شده است، دارد. این مأموریت که برای سال ۲۰۲۶ برنامهریزی شده، از بازوهای روباتیک برای گرفتن هدف و خارج کردن هر دو فضاپیما با هم استفاده خواهد کرد. اگر موفقیتآمیز باشد، اولین حذف فعال آوار از یک شیء بزرگ خواهد بود.
در بخش دولتی، برنامه CRD2 (نمایش تجاری حذف آوار) JAXA در حال توسعه مدل خرید برای خدمات منظم تجاری پاکسازی است. DARPA و نیروی فضایی ایالات متحده در حال تأمین مالی تحقیق در فناوریهای بازرسی و سرویسدهی آوار هستند. برنامه فضایی اتحادیه اروپا در حال توسعه چارچوب مدیریت ترافیک فضایی است که شامل الزامات حذف آوار میشود.
پیشگیری: اهرم بزرگتر
در حالی که حذف فعال توجه بیشتری جلب میکند، پیشگیری – جلوگیری از ایجاد آوار جدید – اهرم بزرگتر در کوتاهمدت است. استاندارد بینالمللی برای اشیاء LEO، قانون خروج از مدار ۲۵ ساله (که در دستورالعملهای بهروز به ۵ سال اصلاح شده) است، اما انطباق نابرابر است و اجرا عملاً وجود ندارد.
اسپیسایکس رویههای تهاجمی خروج از مدار را برای استارلینک اتخاذ کرده است، با هدف خروج از مدار ظرف ۵ سال پس از پایان عمر و استفاده از پیشرانه برای کاهش سریع مدار در صورت خرابی ماهوارهها. این شرکت استدلال میکند که صورتفلکی کمارتفاع آن (حدود ۵۵۰ کیلومتر) به طور طبیعی ظرف ۵ سال حتی در صورت خرابیهای غیرقابل مانور از مدار خارج میشود. منتقدان اشاره میکنند که تعداد خالص ماهوارههای استارلینک – با هدف دهها هزار عدد – یعنی حتی یک نرخ خرابی کوچک میتواند آوار قابل توجهی ایجاد کند.
OneWeb، پروژه کویپر آمازون و دیگر اپراتورهای صورتفلکی با نظارت مشابهی روبرو هستند. تنظیمگران از جمله FCC شروع به اعمال الزامات سختتر خروج از مدار به عنوان شرط مجوزهای طیف کردهاند، با قانون خروج از مدار ۵ ساله FCC برای صورتفلکیهای جدید که در سال ۲۰۲۳ به اجرا درآمد.
اقتصاد پایداری مداری
چالش اساسی این است که آوارهای مداری یک تراژدی کلاسیک منابع مشترک است. هر اپراتور از دسترسی به مدار سود میبرد؛ هزینههای آوار آنها به طور جمعی توسط همه اپراتورهای فعلی و آینده تحمل میشود. بدون مکانیسم قیمتگذاری که هزینههای ایجاد آوار را درونی کند، اپراتورها انگیزه مالی برای فراتر از حداقل انطباق ندارند.
پیشنهادهای رسیدگی به این موضوع شامل هزینههای استفاده از مدار (پرداخت هزینه به ازای هر ماهواره-سال که منعکسکننده سهم خطر برخورد است)، الزامات بیمه آوار، و وثیقههای اجباری حذف است. هیچکدام در مقیاس اجرا نشده است و هماهنگی بینالمللی مورد نیاز برای اجرای مؤثر آنها قابل توجه است.
چیزی که اخیراً تغییر کرده این است که اپراتورهایی که بیشترین آسیب را از مشکل آوار میبینند – اپراتورهای صورتفلکی بزرگ که بیشتر تحت تأثیر یک رویداد کسلر در باند ارتفاعی عملیاتی خود قرار میگیرند – شروع به درمان پایداری مداری به عنوان یک موضوع حیاتی برای کسبوکار کردهاند، نه یک تمرین انطباق مقرراتی. این تغییر در ساختار انگیزه ممکن است در نهایت بیش از هر چارچوب نظارتی به حل مشکل کمک کند.