11 دقیقه
با افزایش پرتابها، تشکیل صورتهای فلکی و برنامههای گسترده برای فرود روی ماه و مریخ، ابر فزایندهای از ماهوارههای رهاشده و قطعات راکت در مدار پایین زمین تهدید میکند که این ناحیه را به محیطی پرخطر و پرهزینه تبدیل کند. پژوهشگران اکنون استدلال میکنند که راهحل صرفاً بهبود اجتناب یا پاکسازی نیست، بلکه یک حرکت نظاممند به سوی اقتصاد مدور فضایی است که در آن مواد و طراحیها برای استفاده مجدد، تعمیر و بازیافت ساخته میشوند.
چرا زبالههای مداری یک مسئله نظامی و فوری است
زبالههای فضایی فراتر از یک مزاحمت سادهاند. وقایع تکهتکهشدن — از جمله برخوردها، انفجارهای ناشی از سوخت باقیمانده و تجزیههای خودبهخودی — تقریباً ۶۵٪ از زبالههای مداری قابل ردیابی را تشکیل میدهند. فضاپیماهای بازنشسته و بدنههای راکت خرجشده نزدیک به ۳۰٪ را شامل میشوند و اشیاء مرتبط با مأموریت که در طول عملیات رها میشوند سهم باقیمانده حدود ۵٪ را دارند. این عدم تعادل چرخهای خودتقویتکننده ایجاد کرده است: قطعات بیشتر ریسک برخورد را افزایش میدهند که خود تولید قطعات بیشتری را در پی دارد و خطر بلندمدت را برای ماهوارههای فعال و مأموریتهای سرنشیندار بالا میبرد.
فراتر از خطر مستقیم برای داراییهای فعال، رویههای کنونی قطعات پرهزینه و با عملکرد بالا را قابل رهاشدن تلقی میکنند. ماهوارههایی که عمر عملیاتی خود را به پایان میرسانند اغلب در مدارهای گورستانی رها میشوند یا به صورت زباله باقی میمانند و گزینههای بازگشت به جو به ندرت در مقیاس اجرا میشوند. در زمین آموختیم که مصرف خطی هزینههای زیستمحیطی و اقتصادی به همراه دارد؛ نویسندگان مطالعهای اخیر در نشریه Chem Circularity تأکید میکنند که فضا نباید آن اشتباهات را تکرار کند. در نتیجه، مفهوم پایداری مداری و اقتصاد مدور فضایی (اقتصاد چرخهای فضایی) به یک ضرورت علمی و سیاستگذاری تبدیل شده است.
منابع اصلی زبالههای فضایی شامل وقایع تکهتکهشدن (۶۵٪) نظیر برخوردها، انفجارهای ناشی از پیشرانهی باقیمانده و تجزیه خودبهخودی؛ فضاپیماها و بدنههای راکت بازنشسته (۳۰٪)؛ و اشیاء مرتبط با مأموریت (۵٪) هستند که طی عملیات بهطور عمدی یا غیرعمدی رها میشوند. افزایش تکهتکهشدن، چرخهای خودتقویتکننده از برخوردها را آغاز کرده که خطرات رو به رشد پایداری مداری را به دنبال دارد. (اعتبار تصویر: Yang et al., iScience)
بهکارگیری اصل کاهش، استفاده دوباره، بازیافت در طراحی فضاپیما
ایده اصلی به ظاهر ساده است: سه R معروف از صنایع الکترونیک مصرفی و خودروسازی را در طراحی فضاپیماها اعمال کنیم. این به معنی طراحی ماهوارهها و سیستمهای پرتاب با مصرف کمتر مواد اولیه نو، ایجاد معماریهای مدولار و قابل تعمیر، و فراهم کردن امکان بازیابی و بازیافت در پایان عمر است. بهصورت عملی، این رویکرد میتواند شامل موارد زیر باشد:
- معماریهای مدولار که به اپراتورها اجازه میدهد محمولهها و واحدهای اویونیکس را عوض یا ارتقاء دهند بهجای آنکه کل ماهواره را تعویض کنند؛
- انتخاب مواد ساختاری و پیچها و اتصالاتی که برای مقاومت در برابر چرخههای دمایی شدید، تابش فضایی و ضربات میکرومتیورید طراحی شده و در صورت بازیابی قابلیت بازیافت داشته باشند؛
- رابطهای استاندارد شده برای سوخترسانی مجدد، داده، انرژی و اتصال مکانیکی تا وسایل سرویسدهندهی بازدیدکننده بتوانند کشتیهای قدیمیتر را نگهداری یا بازتخصیص دهند؛
- مراکز تولید افزایشی یا تولید افزوده در مدار که قطعات جایگزین را در فضا بسازند و نیاز به پرتابهای جدید را کاهش دهند.
طراحی با دیدگاه استفاده مجدد همچنین جرم پرتاب و هزینهها را در طول چرخه عمر ماهواره کاهش میدهد؛ چرا که میتوان بخشهایی از سیستم را چندین بار مورد استفاده قرار داد یا با قطعات مرمتشده جایگزین کرد. جین شوآن، مهندس شیمی از دانشگاه ساری و نویسنده ارشد مقاله، تأکید میکند که «آیندهای واقعاً پایدار در فضا از همافزایی فناوریها، مواد و سیستمها آغاز میشود.» به عبارت دیگر، علم مواد، طراحی مکانیکی و برنامهریزی عملیاتی باید از ابتدا یکپارچه شوند تا طراحی مدور تحقق یابد.
در سطح فنی، انتخاب آلیاژها و پوششها باید همزمان با برنامهریزی مأموریتها و استراتژیهای بازیابی تدوین شود. برای مثال مواد سبک با قابلیت بازیافت بالا میتوانند در طراحی ساختار اصلی ماهواره به کار روند، در حالی که قطعات حساس الکترونیکی در محفظههای قابل تفکیک قرار گیرند تا بازسازی و تعویض آسان شود. این نوع طراحی سیستممحور کمک میکند تا چرخه تأمین مواد معدنی حساس نیز کاهش یابد و وابستگی به منابع زمینی محدود کاهش پیدا کند.
فناوریهایی که امکان استفاده مجدد و بازیابی را فراهم میکنند
بازگرداندن سختافزار به زمین یا انتقال آن به پلتفرم پردازشی در مدار، توانایی ضروری برای بازیافت است. فناوریهای فرود نرم — چترها، کیسههای هوا و کپسولهای بازگشت کنترلشده — میتوانند بازیابی قطعات با ارزش را امکانپذیر کنند. روشهای فعال حذف زباله، مانند بازوهای رباتیک، شبکهها یا نیزههایی که از فضاپیماهای سرویسدهنده مستقر میشوند، در حال آزمایش هستند و میتوانند اجسام از کار افتاده را برای بازیابی یا پردازش در مدار قبضه کنند.
این نمودار عناصر شیمیایی اصلی بهکار رفته در اجزای عملکردی عمده فضاپیماها را در پنج حوزهٔ مادهای دستهبندی میکند: مواد ساختاری اصلی، تجهیزات احتراق و راهاندازی، سیستمها و قطعات الکترونیکی، سامانههای ذخیره انرژی، و پوششهای حفاظتی بیرونی. هر حوزه با رنگ مشخص شده و بر روی مدلهای سادهشدهٔ راکت و ماهواره نشانگذاری شده است تا تقسیمبندی عملکردی را بازتاب دهد. عناصری که بهدلیل مصرف بالا یا نقشهای عملکردی منحصربهفرد اهمیت بحرانی دارند با مثلثهایی در گوشهها علامتگذاری شدهاند که سطح پایداری (بالا-چپ) و ذخایر جهانی (پایین-راست) را نشان میدهند؛ رنگهای قرمز، نارنجی و سبز به ترتیب نشانهٔ بالا، متوسط و پایین هستند. (اعتبار: Yang et al., iScience)
قطعات بازاستفادهشده باید آزمونهای صلاحیت سختگیرانهای را بگذرانند چون محیط فضا فرسایش شدیدی — شامل چرخه دمایی، آسیب تابشی و سایش میکرومتیورید — به همراه دارد. با این حال اگر تأیید شوند، قطعات بازسازیشده میتوانند نیاز به ساخت و پرتاب جایگزینها را جبران کنند و انتشار گازهای گلخانهای و فشار بر ذخایر مواد معدنی حیاتی را کاهش دهند. در عمل، برای تضمین ایمنی باید چارچوبهای آزمون، معیارهای اثبات عملکرد و استانداردهای کیفی بینالمللی تدوین شوند.
همچنین توسعه فناوریهای جداسازی مواد و پالایش در مدار میتواند ارزش بازیافت را افزایش دهد. فرایندهایی مانند جداسازی فلزات با روشهای مکانیکی یا استفاده از فناوریهای شیمیایی کمانرژی میتوانند مواد گرانبها مانند آلومینیوم، تیتانیوم، و عناصر کمیاب زمین را بازیابی کنند. ایجاد تاسیسات پردازش در مدار (مراکز بازیافت فضایی) یک چشمانداز بلندپروازانه است اما در بلندمدت میتواند جریان مواد پایدار برای صنایع فضایی ایجاد کند.
پاکسازی مدار با رباتها و الگوریتمها
بازیابی سختافزار از طریق دادهها و ابزارهای دیجیتال تسهیل خواهد شد. هوش مصنوعی و تحلیلهای پیشرفته میتوانند فرسایش قطعات را پیشبینی کنند، ریسک تکهتکهشدن را مدلسازی نموده و مانورهای دیدار و قبضهسازی را بهینه کنند. یادگیری ماشینی که بر تلِمتری ماهوارهها و مشاهدات زمینی اعمال میشود میتواند اجتناب از برخورد را بهبود دهد و راهنمای اولویتبندی اهداف برای حذف یا سرویسدهی باشد.
برای بسیاری از کارها، شبیهسازیها و دوقلوهای دیجیتال تعداد آزمایشهای فیزیکی پرهزینه را کاهش میدهند، چرخههای طراحی را تسریع میکنند و در عین حال مواد و انرژی را صرفهجویی میکنند. وسایل سرویسدهندهٔ خودگردان که توسط هوش مصنوعی داخلی هدایت میشوند میتوانند با کمترین مداخلهٔ زمینی عملیات بازرسی، اتصال، سوخترسانی و تعمیر را انجام دهند. ترکیب رباتیک و نرمافزار، ستون فقرات عملیاتی برای رویکرد مدور در مدار را فراهم میآورد.
علاوه بر این، استفاده از سیگنالهای ردیابی دقیقتر و بهاشتراکگذاری دادهها میان اپراتورها میتواند دقت پیشبینیهای برخورد را بالا ببرد. مکانیزمهای بازار داده، پروتکلهای تبادل اطلاعات و پلتفرمهای همآوازی میتوانند به هماهنگی بین ارائهدهندگان خدمات ردیابی و اپراتورهای ماهوارهای کمک کنند، و در نتیجه برنامهریزی حذف یا سرویسدهی را کارآمدتر کنند. این تحولی در مدیریت ترافیک فضایی و کاهش زبالههای فضایی ایجاد خواهد کرد.
چرا سیاستگذاری و همکاری جهانی اهمیت دارند
حرکت به سمت اقتصاد مدور فضایی فقط یک چالش فناورانه نیست — بلکه یک چالش نهادی نیز هست. استانداردهای بینالمللی برای رابطهای مدولار، پروتکلهای پایان عمر و برچسبگذاری مواد امکانپذیر میسازد که سرویسدهندهٔ یک کشور بتواند بر روی ماهوارهٔ کشور دیگری کار کند. کنترلهای صادرات، قواعد مسئولیت و سیاستهای تدارکاتی نیاز به بهروزرسانی دارند تا استفاده مجدد، بازیابی و بازیافت تشویق شوند نه تنبیه.
همینطور که مقاله اشاره میکند، راهحلهای جزئی کافی نخواهند بود. تفکر سیستمی لازم است: انتخاب آلیاژها و پوششها باید با روشهای تولید، برنامهریزی مأموریت و چارچوبهای حقوقی هماهنگ شود. تنها در این صورت پایداری به مدل پیشفرض تبدیل خواهد شد و نه یک نگرانی فرعی. اقدامات هماهنگ بین دولتها، آژانسهای فضایی و بخش خصوصی برای تدوین استانداردها و مکانیسمهای بازار جهت تشویق چرخهٔ صرفهجو و بازیافتی ضروری است.
نمونههایی از سیاستهای مفید شامل مشوقهای مالی برای سرویسدهی در مدار، معافیتهای مالیاتی برای استفاده از قطعات بازیافتی، و مکانیسمهای بیمهای است که ریسک سرویسدهی را کاهش میدهند. همچنین توافقهای بینالمللی در زمینهٔ مسئولیت و مالکیت اجسام بازیافتشده باید شفاف شوند تا از منازعات حقوقی در عملیات بازیابی جلوگیری شود.
نکات تخصصی
دکتر مایا آر. اورتیز، یک مهندس ارشد سیستم فرضی با دو دهه تجربه در عملیات ماهوارهای، اظهار میکند: «ما دیگر نمیتوانیم ماهوارهها را قابل دور انداختن ببینیم. استدلال اقتصادی برای سرویسدهی و بازیافت هر سال قویتر میشود، زیرا هزینههای پرتاب کاهش یافته و کمبود مواد تشدید میشود. استارتاپها و آژانسها قبلاً ثابت کردهاند که سوخترسانی در مدار و تعمیرات با کمک ربات فنی قابل تحقق است. گام بعدی ما استانداردهای مشترک و مشوقهای تجاری مشترک برای مقیاسبندی این توانمندیها است.»
تبدیل هوافضا به یک اقتصاد مدور نیازمند هماهنگی میان شیمی، مهندسی و حاکمیت است. پیشرفت در علم مواد (برای نمونه آلیاژها و پوششهای با قابلیت بازیافت)، نوآوری در رباتیک و هوش مصنوعی، و توسعه چارچوبهای حقوقی و تجاری همگی باید همگام شوند. جایزهٔ این تلاش بزرگ است: مدارهای امنتر، هزینههای زیستمحیطی کمتر، و صنعتی فضایی پایدار که میتواند دههها کاوش و خدمات را حمایت کند بدون آنکه ابر فزایندهای از زباله پیرامون سیارهمان ایجاد شود.
برای رسیدن به این چشمانداز، پیشنهاد میشود اقدامات زیر همزمان اجرا شوند: توسعهی استانداردهای فنی و پروتکلهای بینالمللی، سرمایهگذاری در فناوریهای بازیابی و پردازش مواد در مدار، تشویق اقتصادی برای سرویسدهی و بازیافت، و ارتقای زیرساختهای دادهای برای ردیابی دقیق و مدیریت ترافیک فضایی. تنها از طریق یک رویکرد یکپارچه و مبتنی بر شواهد میتوان از بروز بحران پسماند فضایی جلوگیری کرد و فضای نزدیک زمین را برای نسلهای آینده امن و قابل استفاده نگه داشت.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر