گردشگری فضایی، رویایی برای نابودی زمین

بر اساس مطالعه جدیدی که توسط کالج دانشگاهی بریتانیا(UCL) انجام شده، مشخص شد صنعت عظیم گردشگری فضایی ممکن است تاثیر آب‌وهوایی بیشتری نسبت به صنعت هوانوردی ایجاد کند و در صورت کنترل نشدن ترمیم لایه محافظ ازن را خنثی کند.

محققان دانشگاه کمبریج و موسسه فناوری ماساچوست(MIT) که نتایج تحقیق آنان در نشریه Earth’s Future منتشر شده، از یک مدل سه‌بعدی برای بررسی تاثیر پرتاب موشک و ورود مجدد آن در سال ۲۰۱۹ و تاثیر سناریوهای گردشگری فضایی پیش‌بینی شده میلیاردرهای مشهور کنونی استفاده کردند.

این گروه دریافت که ذرات کربن سیاه(دوده) ساطع شده توسط موشک‌ها تقریبا ۵۰۰ برابر بیشتر از سایر منابع دوده(سطح و هواپیما) در حفظ گرما در جو موثر است و منجر به افزایش تاثیرات جوی می‌شود.

علاوه بر این نتایج این مطالعه نشان داد در حال حاضر نابودی کل ازن به دلیل فعالیت موشک‌ها اندک است اما روندهای رشد فعلی در گردشگری فضایی نشان‌دهنده ظرفیت تخریب لایه ازن بالایی استراتوسفر در قطب شمال در بهار است؛ به این دلیل که آلاینده‌های موشک‌های سوخت جامد گرمایش مجدد فضاپیماهای بازگشتی و زباله‌ها به ویژه برای ازن استراتوسفر مضر است.

دکتر الویز مارایس، یکی از محققان این تحقیق، گفت: پرتاب موشک به‌ طور معمول با گازهای گلخانه‌ای و انتشار آلاینده‌های هوا از صنعت هواپیما مقایسه می‌شود و ما در کار خود نشان دادیم که این قیاس اشتباه است.

ذرات دوده ناشی از پرتاب موشک تاثیرات آب‌وهوایی بسیار بیشتری نسبت به هواپیماها و دیگر منابع زمینی دارد؛ بنابراین برای تاثیر مشابه نیازی به پرتاب موشک به اندازه پروازهای بین‌المللی نیست. آنچه ما اکنون واقعا به آن نیاز داریم، بحث در مورد بهترین راهبرد برای تنظیم این صنعت است که به سرعت به رشد خود ادامه می‌دهد.

برای محاسبه این یافته‌ها محققان اطلاعاتی در مورد مواد شیمیایی از تمام ۱۰۳ پرتاب موشک در سال ۲۰۱۹ از سراسر جهان و همچنین داده‌هایی در مورد موشک‌های قابل استفاده مجدد و ورود مجدد زباله‌های فضایی جمع‌آوری کردند.

آنان همچنین به اظهارات اخیر کارآفرینان گردشگری فضایی ویرجین گلکتیک(Virgin Galactic)، بلو اوریجین(Blue Origin) و اسپیس‌ایکس(SpaceX) مبنی بر پیشنهادات سالانه حداقل پرتاب روزانه توسط  ویرجین گلکتیک برای ساختن سناریویی از صنعت گردشگری فضایی مهیب آینده توجه کردند؛ سپس این داده‌ها در یک مدل شیمی اتمسفر سه‌بعدی گنجانده شد تا تاثیر آن بر اقلیم و لایه ازن بررسی شود.

این گروه نشان داد گرمایش حاصل از فعالیت یک دهه موشک‌های معاصر با سوخت نفت‌ سفید به میزان ۳.۹ مگاوات متر مربع است؛ در صورتی‌ که این میزان بیش از ۲ برابر(۷.۹ مگاوات متر مربع) تنها پس از سه سال پرتاب موشک‌های گردشگری فضایی به دلیل استفاده از نفت سفید توسط اسپیس‌ایکس و سوخت‌های لاستیک مصنوعی هیبریدی توسط ویرجین گلکتیک افزایش می‌یابد.

محققان می‌گویند این موضوع نگرانی خاصی ایجاد کرده زیرا وقتی ذرات دوده مستقیما به اتمسفر فوقانی تزریق می‌شود، تاثیر بسیار بیشتری(یعنی به میزان ۵۰۰ برابر کارآمدتر در حفظ گرما) بر آب‌وهوا نسبت به سایر منابع دوده دارد.

این گروه دریافت تحت یک سناریوی پرتاب موشک‌های گردشگری فضایی روزانه یا هفتگی تاثیر بر لایه ازن استراتوسفر تهدیدی برای تضعیف بهبود تجربه شده پس از اجرای موفقیت‌آمیز پروتکل مونترال است.

پروتکل مونترال در سال ۱۹۸۷ به تصویب رسید و برای ممنوعیت جهانی موادی است که لایه ازن را تخریب می‌کند و یکی از موفق‌ترین مداخلات بین‌المللی در زمینه سیاست زیست‌محیطی در نظر گرفته می‌شود.

دکتر رابرت رایان، یکی از محققان این تحقیق، گفت: تنها بخشی از اتمسفر که بازیابی ازن قوی پس از پروتکل مونترال را نشان می‌دهد، استراتوسفر فوقانی است و دقیقا همان جایی است که تاثیر انتشار موشک‌ها شدیدترین ضربه را وارد می‌کند. ما انتظار نداشتیم که چنین تغییرات عظیمی را ببینیم که پیشرفت بازیابی ازن را تهدید می‌کند.  

پروازهای اسپیس شیپ تو(SpaceShipTwo) وسیله نقلیه فضایی ویرجین گلکتیک برانسون توسط یک موتور هیبریدی نیرو می‌گیرد که لاستیک را می‌سوزاند و ابری از دوده را پشت سر می‌گذارد.

فیلیپو ماگی، دانشیار مهندسی هوافضا در دانشگاه پلی تکنیک میلان ایتالیا که در زمینه فناوری‌های پیشران موشک تحقیق کرده و بخشی از این گروه تحقیقاتی بود، با چندین سال فعالیت در این حوزه می‌گوید: موتورهای هیبریدی می‌تواند از انواع مختلفی از سوخت استفاده کند اما همیشه دوده زیادی تولید می‌کند.  

وی پیش از این تجزیه و تحلیل گسترده‌ای از انتشار موتور موشک هیبریدی ارائه کرد که این موتورها مانند یک شمع کار می‌کند و فرآیند سوختن آن شرایطی را ایجاد می‌کند که برای تولید دوده مطلوب است.

به گفته دالاس کاسابوسکی، تحلیلگر اصلی در موسسه مشاوره فضایی نورثرن اسکای(Northern Sky)، یک پرواز گردشگری فضایی زیرمداری ویرجین گلکتیک که حدود یک ساعت و نیم طول می‌کشد، می‌تواند به اندازه یک پرواز ۱۰ ساعته در اقیانوس اطلس آلودگی ایجاد کند. برخی از دانشمندان با توجه به جاه‌طلبی‌های ویرجین گلکتیک برای پرواز گردشگران به فضا به میزان چندین مرتبه در روز این موضوع را نگران‌کننده می‌دانند.

کاسابوسکی می‌گوید: حتی اگر بازار گردشگری زیرمداری با کسری از تعداد پرتاب‌ها در مقایسه با بقیه صنعت گردشگری راه‌اندازی شود، هر یک از پروازهای آن سهم بسیار بیشتری دارد و این می‌تواند مشکل‌ساز باشد.  

البته موشک‌های ویرجین گالاکتیک تنها مقصر نیستند. ماگی اظهار کرد که تمام موتورهای موشکی که سوخت هیدروکربنی می‌سوزاند، دوده تولید می‌کند. موتورهای موشک سوخت جامد مانند موتورهایی که در گذشته در تقویت‌کننده‌های شاتل فضایی ناسا استفاده می‌شد، ترکیبات فلزی را می‌سوزاند و ذرات اکسید آلومینیوم را همراه با اسید هیدروکلریک منتشر می‌کند که هر ۲ اثر مخربی بر جو دارند.

از طرف دیگر موتور BE-۳ که وسیله نقلیه زیرمداری جدید اوریجین بلو را نیرو می‌دهد، هیدروژن مایع و اکسیژن مایع را برای ایجاد نیروی رانش ترکیب می‌کند. کارشناسان می‌گویند BE-۳ در مقایسه با سایر موتورهای موشک آلاینده بزرگی نیست و عمدتا آب همراه با برخی محصولات احتراق جزئی منتشر می‌کند.

برای کارن روزنلوف، دانشمند ارشد در آزمایشگاه علوم شیمی در اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده(NOAA)، بزرگترین مشکل این است که موشک‌ها لایه‌های بالاتر جو را آلوده می‌کند؛ استراتوسفر که از ارتفاع حدود ۶.۲ مایلی(۱۰ کیلومتری) شروع می‌شود و مزوسفر که از ۳۱ مایل(۵۰ کیلومتری) به سمت بالاست.

روزنلوف گفت: شما معمولا آلاینده‌ها را در مکان‌هایی که منتشر نمی‌کنید، منتشر می‌شود. ما واقعا باید درک کنیم، اگر این موارد را افزایش دهیم، آسیب احتمالی آن چقدر است.

به گفته مارتین راس، دانشمند جوی در شرکت هوافضا که اغلب با روزنلوف همکاری دارد، تاکنون تاثیر پرتاب موشک بر جو ناچیز بوده اما فقط به این دلیل است که راه‌اندازی چنین موشک‌هایی زیاد نبوده است.

راس اظهار کرد: میزان سوختی که در حال حاضر توسط صنعت فضایی سوزانده می‌شود، کمتر از یک درصد سوختی است که توسط هوانوردی می‌سوزد؛ بنابراین تحقیقات زیادی در این مورد انجام نشده است؛ به همین دلیل باید در مورد این موضوع جزئیات بیشتری را فراگیریم.

کاسابوسکی گفت: طی دهه آینده پروازهای گردشگری سر به فلک می‌کشد و شاید این تعداد از ۱۰ پرواز سالانه در آینده نزدیک به ۳۶۰ پرواز در سال تا سال ۲۰۳۰ افزایش یابد. این تخمین هنوز بسیار کمتر از نرخ رشدی است که شرکت‌های گردشگری فضایی مانند ویرجین گلکتیک و بلو اوریجین برای خود پیش‌بینی می‌کنند.

وی خاطرنشان کرد: تقاضا برای گردشگری زیرمداری بسیار زیاد است. این شرکت‌ها تقریبا مشتریانی دارند و تمایل دارند که این تعداد افزایش یابد. در نهایت آن‌ها می‌خواهند چندین بار در روز درست مانند هواپیماهای کنونی پرواز کنند.  

همچنین انتظار می‌رود میزان پرتاب موشک‌هایی که ماهواره‌ها را به مدار می‌فرستند نیز افزایش یابد اما کاسابوسکی ظرفیت بیشتری برای رشد در گردشگری فضایی می‌بیند.

کاسابوسکی در ادامه افزود: این مانند تفاوت بین پرواز باری و مسافربری است؛ مسافران بسیار بیشتری به دنبال پرواز هستند.

به گفته راس مشکل این است که جامعه علمی هیچ ایده و اطلاعات کافی برای تعیین اینکه پرتاب موشک در چه مقطعی تاثیر قابل اندازه‌گیری بر آب‌وهوای سیاره خواهد داشت را ندارد. در چنین زمانی استراتوسفر در حال تغییر است زیرا تعداد موشک‌های پرتاب شده به‌ طور پنهانی افزایش می‌یابد.

راس می‌گوید: تاثیر این ذرات تولید شده توسط موشک به خوبی درک نشده است. عدم قطعیت زیاد است و ما باید آن را محدود و پیش‌بینی کنیم که چگونه فضا ممکن است بر جو زمین تاثیر بگذارد.  

تاکنون تنها اندازه‌گیری مستقیم تاثیرات پرتاب موشک بر فرآیندهای شیمیایی در جو از دوران پرتاب شاتل‌های فضایی است. در دهه ۱۹۹۰ زمانی که جهان برای نجات لایه ازن آسیب دیده دور هم جمع می‌شد، ناسا آزمایشگاه علوم شیمی در اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده و نیروی هوایی ایالات متحده کمپینی را تشکیل دادند که به بررسی اثرات انتشارات ناشی از تقویت‌کننده‌های سوخت جامد شاتل فضایی بر ازن در استراتوسفر پرداخت.

راس گفت: در دهه ۱۹۹۰ نگرانی‌های قابل‌ توجهی در مورد کلر موتورهای موشک جامد وجود داشت. کلر عاملی با تاثیر بد برای ازن در استراتوسفر است و مدل‌هایی وجود داشت که نشان می‌داد تقلیل لایه ازن با موتورهای موشک جامد بسیار قابل‌ توجه است.

دانشمندان از هواپیمای WB ۵۷ ناسا در ارتفاع بالا برای پرواز از میان ستون‌های تولید شده توسط موشک‌های شاتل فضایی در فلوریدا استفاده کردند. آنان با رسیدن به ارتفاعات تا ۶۰هزار پا(۱۹ کیلومتر) قادر به اندازه‌گیری واکنش‌های شیمیایی در استراتوسفر پایینی درست پس از عبور موشک‌ها بودند.

دیوید فاهی، مدیر آزمایشگاه علوم شیمی در اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده و رهبر این تحقیق، گفت: یکی از سوالات اساسی این بود که چه مقدار کلر در این موتورهای سوخت جامد و به چه شکل ساخته می‌شود. ما چندین مرتبه آن را اندازه‌گیری و سپس نتایج را تجزیه و تحلیل کردیم. در آن زمان پرتاب‌های شاتل فضایی کافی برای ایجاد تفاوت در سطح جهانی وجود نداشت اما در سطح محلی توانستیم دریابیم که توده پراکنده به جا مانده از موشک می‌تواند لایه ازن را تخریب کند.

شاتل فضایی ۱۰ سال پیش بازنشسته شد اما موشک‌هایی که مواد مخرب ازن تولید می‌کند، همچنان انسان‌ها و ماهواره‌ها را به فضا می‌فرستد.

در واقع در سال ۲۰۱۸ سازمان جهانی هواشناسی در آخرین ارزیابی علمی خود از تخریب لایه ازن که هر چهار سال یک بار منتشر می‌شود، موشک‌ها را به‌ عنوان یک نگرانی بالقوه برای آینده در نظر گرفت. این سازمان خواستار انجام تحقیقات بیشتری در این زمینه شد زیرا انتظار می‌رود تعداد پرتاب‌ها افزایش یابد.

تیم روزنلوف با استفاده از ابررایانه‌های قدرتمند اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده تاثیرات گسترده‌تر مواد ساخت بشر را در لایه‌های بالاتر جو مطالعه می‌کند. یعنی تاثیر تغییرات جزئی در شیمی هوا در ده‌ها مایل بالاتر از زمین بر اقلیم و الگوهای آب‌وهوایی روی زمین را مورد ارزیابی قرار می‌دهد. برای آنان کربن سیاه یا دوده منتشر شده از موشک‌هایی که سوخت‌های هیدروکربنی را می‌سوزانند، نگران‌کننده است.

روزنلوف توضیح داد مشکل دوده این است که نور فرابنفش را جذب می‌کند؛ به این معنا که می‌تواند استراتوسفر را گرم کند. وقتی شروع به گرم کردن استراتوسفر، لایه بالای تروپوسفر(نزدیکترین لایه به زمین)، می‌کنید، حرکت در استراتوسفر را تغییر می‌دهید. شما در حال تغییر انتقال انرژی هستید و این می‌تواند در واقع بر آنچه روی زمین اتفاق می‌افتد، تاثیر بگذارد.

وی خاطرنشان کرد: بسیاری از ذرات تولید شده توسط برخی موشک‌ها به دلیل تاثیرات احتمالی که می‌تواند بر آب‌وهوای جهانی در زمینه‌های مختلف داشته باشد، از جمله مهندسی زمین و دستکاری عمدی جو با هدف توقف یا کاهش گرمایش جهانی مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است.

روزنلوف در تحقیق جدید خود از همان ابررایانه‌های قدرتمند اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده برای مدل‌سازی چیزی که دانشمندان آن را مداخله اقلیمی می‌نامند نیز استفاده کرد. این گروه به اثرات آب‌وهوایی ناشی از پراکندگی ذرات دی‌اکسید گوگرد که به بازتاب نور به دور از زمین، در ترکیب با دوده(که همچنین بخشی از انتشار موشک است) در استراتوسفر پایینی رخ می‌دهد، علاقه‌مند بود. دوده انرژی نور خورشید را جذب می‌کند و ذرات آئروسل دی‌اکسید گوگرد را با گرم کردن هوای اطراف به ارتفاع بالاتر می‌راند. در ارتفاع بالاتر دی‌اکسید گوگرد می‌تواند کار خنک‌کننده آب‌وهوا را آغاز کند. این آزمایش مدل‌سازی کرد که وقتی ۱.۱ میلیون تن دی‌اکسید گوگرد منعکس‌کننده نور خورشید مخلوط با ۱۱ هزار تن کربن سیاه در تروپوسفر فوقانی توسط هواپیما طی یک دوره ۱۰ روزه آزاد می‌شود، چه اتفاقی می‌افتد.

این مطالعه هیچ اثر منفی قابل‌ توجهی بر آب‌وهوا روی زمین پیدا نکرد. با این حال این نتایج نگرانی روزنلوف در مورد خطرات احتمالی مرتبط با تعداد فزاینده پرتاب موشک را برطرف نمی‌کند.

وی بیان کرد: میزان کربن سیاه در آزمایش ژئومهندسی که ما انجام دادیم، به اندازه مواد این موشک‌ها بالا نیست. مشکل این است که هر چه بالاتر بروید، این مواد بیشتر دوام می‌آورد. هیچیک از این موشک‌ها ایده‌آل نیستند زیرا هر کدام از آنها در مکان‌هایی که در حال حاضر گرمایش نداریم، گرمایش تولید می‌کنند.

به گفته ماگی ذرات دوده تولید شده توسط موتورهای موشک هیبریدی بسیار کوچک و سبک است. در واقع زمانی که وی و همکارانش سعی کردند خروجی دوده موتورهای موشک هیبریدی را در آزمایشگاه اندازه‌گیری کنند، به دلیل اندازه کوچک ذرات نتوانستند با اطمینان این کار را با دقت انجام دهند.

وی اظهار کرد: ما توانستیم خروجی ذرات را از موتورهای موشک جامد اندازه‌گیری کنیم. اندازه آن تقریبا یک میکرون است و تعداد زیادی از آن وجود دارد اما به دلیل بزرگ بودن این ذرات سریعتر به زمین می‌افتد. در موتورهای موشک هیبریدی ما قادر به جمع‌آوری دوده نبودیم زیرا اندازه آن چند نانومتر است.

ماگی نگران است این ذرات برای همیشه در استراتوسفر باقی بماند.

او می‌گوید: اندازه آن به اندازه کربن منتشر شده از هواپیماهاست و می‌دانیم که لایه‌ای از کربن در اتمسفر در سطح پرواز هواپیماها وجود دارد که در آنجا می‌ماند و به احتمال زیاد ذرات ناشی از موتورهای موشک نیز همین کار را می‌کنند.

تجمع این ذرات در طول سال‌ها و دهه‌ها چیزی است که دانشمندان را نگران کرده است. همانطور که بحران آب‌وهوایی کنونی با افزایش میزان کربن آزاد شده در اتمسفر نسبتا آهسته شروع شد، آلودگی در استراتوسفر ممکن است تنها چند سال بعد شروع به ایجاد آسیب کند.

روزنلوف افزود: در درازمدت تزریق آلاینده‌ها به استراتوسفر می‌تواند جریان جت قطبی الگوهای طوفان زمستانی را تغییر دهد یا بر میانگین بارندگی تاثیر بگذارد.

وی افزود: ممکن است میزان بارندگی از ۲۵ اینچ(۶۴ سانتی‌متر) در سال به ۲۰ اینچ(۵۱ سانتی‌متر) در سال در برخی مکان‌ها برسد که شاید آنقدرها هم مهم به نظر نرسد؛ مگر اینکه کشاورزی باشید که سعی کنید گندم خود را همانجا بکارید و یک تغییر کوچک در بارندگی می‌تواند بر عملکرد محصول شما تاثیر بگذارد.

به همین دلیل فاهی می‌گوید: بسیار مهم است که کار علمی برای ارزیابی خطرات آینده از هم‌اکنون آغاز شود.

وی تاکید کرد: این شکاف اساسی وجود دارد که ما فقط اعداد را نداریم، به این دلیل که علم محدود است و این کمبود اطلاعات وجود دارد. ما احساس می‌کنیم این بخشی از مسئولیت ما در اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده است که تاثیر فعالیت‌های انسانی بر استراتوسفر را ارزیابی کنیم. موشک‌ها منبع اصلی و منحصربه‌فرد آلودگی استراتوسفر است. همچنین فرکانس پرتاب در حال افزایش و اثرات در حال انباشته شدن است.

هنوز چیزهای زیادی در مورد تاثیر پرتاب موشک و انتشار مجدد گازهای گلخانه‌ای بر جو وجود دارد؛ به ویژه اندازه آینده این صنعت، انواع و محصولات جانبی سوخت‌های جدید مانند متان مایع و زیستی سوخت‌های مشتق شده است. این مطالعه به ما اجازه می‌دهد با چشمان باز نسبت به تاثیرات احتمالی وارد عصر جدید گردشگری فضایی شویم؛ بنابراین گفت‌وگو در مورد تنظیم اثرات زیست‌محیطی صنعت پرتاب فضایی باید از هم‌اکنون آغاز شود تا بتوانیم آسیب به لایه ازن استراتوسفر و آب‌وهوا را به حداقل برسانیم.

منابع

www.ucl.ac.uk/news

www.openaccessgovernment.org

phys.org/news

www.space.com