زبالههای فضایی بحرانی فزاینده است — و صنعت سرانجام آن را جدی میگیرد
عصر فضا اثری از خود بر جای گذاشته است. هر مرحله از موشک که از مدار خارج نشد، هر ماهوارهای که پیش از کاهش مدار خود سوختش تمام شد، هر برخوردی که دو شیء را به هزاران قطعه تبدیل کرد — همگی به میدانی رو به رشد از زبالههایی که با سرعتی تا ۲۸۰۰۰ کیلومتر در ساعت به دور زمین میچرخند کمک کردهاند. در این سرعتها، یک قطعه یکسانتیمتری انرژی جنبشی معادل یک نارنجک دستی دارد.
شبکه نظارت فضایی ایالات متحده در حال حاضر حدود ۲۷۰۰۰ شیء بزرگتر از ۱۰ سانتیمتر را ردیابی میکند. تخمینها برای اشیاء بین ۱ تا ۱۰ سانتیمتر به حدود ۵۰۰۰۰۰ میرسد. برای قطعات کوچکتر از ۱ سانتیمتر — که به اندازهای بزرگ هستند که یک ماهواره را آسیب بزنند یا نابود کنند — این رقم تقریباً ۱۳۰ میلیون است. هیچیک از اشیاء زیر ۱۰ سانتیمتر با سیستمهای راداری زمینپایه فعلی بهطور قابل اعتماد قابل ردیابی نیستند، به این معنی که ماهوارههای فعال برای اجتناب از اشیاء قابل مشاهده مانور میدهند و نسبت به بقیه فقط میتوانند امیدوار باشند.
چگونه به اینجا رسیدیم
مسئله زباله بهتدریج در طی ۶۵ سال فعالیت فضایی انباشته شد. برنامههای فضایی اولیه الزاماتی برای خروج از مدار نداشتند — موشکها پرتاب میشدند، مراحل بالایی آنها در مدار رها میشدند و ماهوارهها بدون تمهیداتی برای دفع تا زمان خرابی کار میکردند. محیط مدار پایین زمین (LEO) در ارتفاع زیر ۲۰۰۰ کیلومتر، جایی که بیشتر ماهوارههای رصد زمین، ارتباطات و علمی فعالیت میکنند، از هر کشور فضایی مهمی زباله جمع کرده است.
دو رویداد مشکل را به شدت تسریع کردند. در سال ۲۰۰۷، چین یک آزمایش موشک ضد ماهوارهای را علیه ماهواره هواشناسی خود Fengyun-1C در ارتفاع ۸۶۵ کیلومتر انجام داد که تقریباً ۳۵۰۰ شیء ردیابیشده و حدود ۱۵۰۰۰۰ قطعه ایجاد کرد — بزرگترین رویداد تولید زباله در تاریخ. در سال ۲۰۰۹، ماهوارههای Iridium 33 و Cosmos 2251 در ارتفاع ۷۸۹ کیلومتری بر فراز سیبری با هم برخورد کردند و تقریباً ۲۳۰۰ قطعه فهرستبندی شده ایجاد کردند و اولین برخورد تصادفی بین دو ماهواره سالم شد.
هر دو رویداد نشان دادند که زباله در مقیاس زمانی انسانی ناپدید نمیشود. اشیاء در ارتفاع ۸۰۰–۱۰۰۰ کیلومتری عمر مداری دارند که با دههها تا قرنها اندازهگیری میشود. قطعات حاصل از هر دو حادثه هنوز در آن بالا هستند و به آرامی با کاهش مدار خود به دلیل مقاومت اتمسفری در این ارتفاعات — بسیار نازک اما غیرصفر — در طی سالها و دههها پایین میآیند.
خطر سندرم کسلر
در سال ۱۹۷۸، دونالد کسلر، دانشمند ناسا، سناریویی را توصیف کرد که به دغدغه اصلی جامعه زباله تبدیل شده است: اگر چگالی مداری به آستانه بحرانی برسد، برخوردهای زباله خودپایدار میشوند. هر برخورد زباله جدید ایجاد میکند که باعث برخوردهای بیشتر میشود و زباله بیشتری تولید میکند، در یک آبشار فراری که به تدریج یک لایه مداری را با قطعات پر میکند تا زمانی که عملاً غیرقابل عبور شود. این فرآیند در طی سالها تا دههها رخ میدهد نه ساعتها — اما زمانی که شروع شود، قابل توقف نیست.
اینکه آیا ما در حال حاضر در هر باند مداری خاصی بالاتر از این آستانه هستیم به طور فعال مورد بحث است. برخی مدلها نشان میدهند که باندهای ارتفاعی معینی در حدود ۸۰۰–۱۰۰۰ کیلومتر در حال حاضر در وضعیتی هستند که برخورد زباله به زباله منبع غالب قطعات جدید است، حتی بدون هیچ پرتاب اضافی. عصر صورتفلکیهای بزرگ فعلی — Starlink اسپیسایکس، Kuiper آمازون، OneWeb و معادلهای چینی که هزاران ماهواره را همزمان مستقر میکنند — تعداد اشیاء فعال را به شدت افزایش داده و احتمال برخورد را در ارتفاعات LEO حتی برای ماهوارههایی که فعالانه مانور میدهند بالا میبرد.
نقطه قوت LEO مقاومت اتمسفری است. در زیر ارتفاع تقریباً ۶۰۰ کیلومتر، اشیاء به طور طبیعی بدون پیشران در طی سالها تا دههها از مدار خارج میشوند. اسپیسایکس ماهوارههای Starlink را به گونهای طراحی میکند که ظرف پنج سال پس از پایان عمر خود از مدار خارج شوند. مشکل زباله در ارتفاعات بالاتر — ۷۰۰–۱۲۰۰ کیلومتر — حادتر است، جایی که مقاومت برای پاکسازی زباله در هر بازه زمانی سیاستی کافی نیست.
حذف فعال زباله: یک صنعت سرمایهگذاری شده
برای دههها، حذف فعال زباله (ADR) یک مفهوم تحقیقاتی بدون مسیر تجاری بود. چالشهای فنی قابل توجه هستند: اشیاء زباله غیرهمکار (برای اسیر شدن طراحی نشدهاند)، اغلب به طور غیرقابل پیشبینی میچرخند و در هزاران مدار مختلف پراکنده شدهاند که برای هر هدف نیاز به برنامهریزی مأموریت جداگانه دارد. اقتصاد نیز نامشخص بود — چه کسی برای حذف زباله دیگران هزینه میپردازد؟
این در حال تغییر است. Astroscale، یک استارتآپ ژاپنی که در سال ۲۰۱۳ تأسیس شد، اولین مأموریت نمایشی حذف زباله جهان را در سال ۲۰۲۱ (ELSA-d) کامل کرد و اسیر مغناطیسی یک هدف همکار در مدار را آزمایش کرد. مأموریت ADRAS-J آن که توسط JAXA تأمین مالی شده است، در حال حاضر یک بدنه موشک ژاپنی از کار افتاده را در ارتفاع تقریباً ۶۰۰ کیلومتری بازرسی میکند — مرحله بالایی H-IIA — با برنامهریزی برای تلاش اسیر بعدی. Astroscale بیش از ۳۰۰ میلیون دلار جذب سرمایه کرده است و شرکت پیشرو تجاری ADR است.
ClearSpace، یک استارتآپ سوئیسی که توسط ESA برای مأموریت ClearSpace-1 انتخاب شده است، در حال طراحی یک فضاپیما برای اسیر و خارج کردن آداپتور موشک VESPA از مدار است که توسط یک پرتاب ESA در سال ۲۰۱۳ در مدار رها شده است. مأموریت برای سال ۲۰۲۶ برنامهریزی شده است و اولین حذف تجاری یک شیء زباله واقعی (در مقابل یک هدف نمایشی همکار) خواهد بود. ESA تقریباً ۱۲۰ میلیون یورو برای این مأموریت میپردازد.
شرکتهای اتوبوس ماهوارهای D-Orbit، Exolaunch و Rocket Lab در حال ساخت پیشران پایان عمر به عنوان استاندارد در پلتفرمهای خود هستند. طراحی Starlink اسپیسایکس به صراحت شامل قابلیت خروج از مدار است و سابقه عملیاتی این شرکت — با بیش از ۹۹٪ از ماهوارههای Starlink خارج شده که با موفقیت به موقع وارد جو میشوند — یک استاندارد عملی تعیین میکند که تنظیمکنندگان شروع به رسمیسازی آن کردهاند.
چشمانداز نظارتی
دستورالعملهای کاهش زباله از کمیته هماهنگی بینسازمانی زبالههای فضایی (IADC) از سال ۲۰۰۲ وجود داشته است، اما آنها دستورالعمل هستند نه قوانین الزامآور. FCC ایالات متحده قوانین زباله مداری خود را در سال ۲۰۲۲ بهروز کرد و از ماهوارههای جدید در LEO میخواهد که ظرف پنج سال از پایان عمر خود از مدار خارج شوند (کاهش از دستورالعمل ۲۵ ساله قبلی). چندین تنظیمکننده ملی دیگر قوانین مشابهی را تصویب کردهاند یا در حال توسعه آنها هستند.
مشکل نظارتی سختتر مسئولیت است. معاهده فضای ماورای جو مسئولیت اشیاء فضایی را به کشور پرتابکننده آنها واگذار میکند، اما چالش عملی نسبت دادن یک برخورد زباله به یک بازیگر ملی خاص — به ویژه برای قطعات موشک ۴۰ ساله با منشأ نامشخص — چارچوب مسئولیت را برای اجرا دشوار میکند. مسئولیت توسعهیافته تولیدکننده — که از اپراتورهای ماهواره میخواهد در برابر خطر زباله خود ضمانت نامه بدهند، همانطور که برخی بیمهگران اکنون نیاز دارند — مکانیزمی است که به احتمال زیاد فشار تجاری برای دفع بهتر پایان عمر ایجاد میکند.
مشکل اشتراکات مداری واقعی است: هیچ شرکت یا کشور واحدی انگیزه کافی برای پاکسازی زبالهای که ایجاد نکرده است ندارد. زبالههای باقیمانده از پرتابهای شوروی و آمریکا در دهههای ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ مشکل همه و مسئولیت هیچکس است. صنعت نوظهور پیرامون ADR آغاز یک راهحل است، اما حذف اشیاء مهمترین — ماهوارههای بزرگ از کار افتاده و بدنههای موشک که در صورت برخورد به میلیونها قطعه تبدیل میشوند — نیاز به مقیاسی از سرمایهگذاری و هماهنگی بینالمللی دارد که هنوز تحقق نیافته است.