سرنوشت هواپیمای کاغذی پرتاب‌شده از ایستگاه فضایی بین‌المللی فاش شد

چالش زباله‌های فضایی و سندرم کسلر

مدار نزدیک زمین به دلیل فعالیت‌های انسانی، به شدت شلوغ شده است. این بی‌نظمی منجر به نگرانی‌هایی جدی از جمله «سندرم کسلر» شده است. سندرم کسلر به زنجیره‌ای از برخوردها اشاره دارد که با انفجار یک ماهواره آغاز شده و منجر به نابودی اشیاء دیگر در مدار می‌شود. این پدیده می‌تواند ارتباطات را مختل کرده و حتی بخش‌هایی از فضا را برای فضاپیماها غیرقابل دسترس کند. در بدترین سناریو، این پدیده می‌تواند ما را عملاً در زمین محبوس کند و امکان خروج از سیاره را از بین ببرد.

در حالی که تلاش‌هایی برای پاک‌سازی مدار نزدیک زمین از زباله‌ها و ماهواره‌های از کار افتاده در جریان است، برخی پژوهشگران به دنبال طراحی فضاپیماها و ماهواره‌هایی هستند که پیش از پرتاب، پایداری زیست‌محیطی بیشتری داشته باشند.

هواپیمای اوریگامی: راهکاری نوین

تیم پژوهشی در مقاله جدید خود به بررسی استفاده از مواد آلی به جای فلزات سنتی برای کاهش اثرات زیست‌محیطی سوختن فضاپیما هنگام ورود مجدد به جو پرداخته است. همچنین، بررسی بادبان‌های مقاوم در برابر کشش جوی برای افزایش سرعت سقوط مداری ماهواره‌ها در مدار پایین زمین و حذف زباله‌های فضایی، از دیگر جهت‌گیری‌های این تحقیق است.

یک هواپیمای فضایی اوریگامی (کاغذ تاشده)، که میان این دو روند تحقیقاتی قرار می‌گیرد، می‌تواند راه‌هایی نوین برای استفاده و اکتشاف پایدار در فضا ارائه دهد.

پژوهشگران برای این منظور، شبیه‌سازی کردند که اگر یک هواپیمای کاغذی ساخته‌شده از یک برگ کاغذ A4 از ایستگاه فضایی بین‌المللی (در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری) به بیرون پرتاب شود، چه اتفاقی برای آن می‌افتد. در این مطالعه، نرخ افت مدار هواپیما، جهت‌گیری آن نسبت به مسیر حرکت، و میزان گرمایی که حین عبور از جو زمین تحمل می‌کند، مدل‌سازی شد.

نتایج شبیه‌سازی و آزمایش تونل باد

علاوه بر شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، آزمایش‌هایی نیز در تونل باد انجام شد. در این آزمایش، نسخه‌ای اندکی اصلاح‌شده از هواپیمای کاغذی (ترکیبی از کاغذ و آلومینیوم) به کار گرفته شد. نتایج اولیه نشان داد که این هواپیمای فضایی ممکن است عملکرد شگفت‌انگیزی از خود نشان دهد.

هواپیمای فضایی از نظر ایستایی در برابر جهت جریان هوا (محور X هم‌راستا با جریان ورودی) در محورهای پیچ و انحراف پایدار است و تعادل خود را حفظ می‌کند. این امر نشان می‌دهد که هواپیمای کاغذی ممکن است بتواند به‌طور طبیعی، جهت خود را با مسیر مداری هم‌راستا نگه دارد، حتی در جو رقیق موجود در مدار پایین زمین.

بر اساس محاسبات تیم، مدار هواپیما بلافاصله پس از رهاسازی به سرعت افت می‌کند و طی حدود ۳.۵ روز وارد جو زمین می‌شود. آزمایش تونل باد نشان داد که هواپیما هنگام عبور از جو، تنها اندکی تغییر شکل را تجربه می‌کند؛ اما نه آن‌قدر کافی که باعث نجاتش شود.

انتظار نمی‌رود که نیروهای سطحی وارد بر هواپیمای فضایی هنگام ورود به جو بتوانند باعث تغییر شکل قابل توجهی در آن شوند. بااین‌حال، هواپیمای کاغذی به مدت چند دقیقه با گرمایش شدید آیرودینامیکی در حدود ۱۰ وات بر سانتی‌متر مربع مواجه می‌شود. بنابراین، احتراق یا تجزیه حرارتی (پیرولیز) در زمان ورود به جو قابل پیش‌بینی است.

قابلیت «انهدام‌پذیری» این هواپیمای کاغذی، دقیقاً همان چیزی است که محققان به دنبال آن بوده‌اند.

کاربردهای آینده و نتیجه‌گیری

تیم پژوهشی نتیجه‌گیری می‌کند که حساسیت بالای هواپیمای کاغذی نسبت به مقاومت آیرودینامیکی در جو رقیق مدار پایین زمین نشان می‌دهد که می‌توان از آن به عنوان یک کاوشگر غیرفعال برای اندازه‌گیری چگالی جو استفاده کرد.

• با تحلیل مسیر حرکتی مداری هواپیمای کاغذی، می‌توان چگالی جو را به صورت معکوس محاسبه کرد.
• با توجه به زمان کوتاه ورود به جو، داده‌ها به سرعت جمع‌آوری می‌شوند.
• به دلیل هزینه بسیار پایین ساخت هواپیمای فضایی کاغذی، می‌توان چندین مورد از آن را به صورت همزمان پرتاب کرد و در فواصل زمانی مشخص، داده‌های همزمان و پراکنده به دست آورد.

محققان پیشنهاد می‌دهند که از هواپیماهای کاغذی می‌توان در سایر مأموریت‌های کم‌هزینه و مداری نیز استفاده کرد، به ویژه اگر به آن‌ها سامانه‌های تصویربرداری با فیلم‌های نازک اضافه شود. این مطالعه در مجله «آکتا آسترونومیکا» منتشر شده است.