زومیت/ دانشمندان با شبیه‌سازی پرتاب هواپیمای کاغذی از ایستگاه فضایی بین‌المللی، تلاش می‌کنند راهکارهایی ساده و کم‌هزینه برای پاک‌سازی مدار زمین پیدا کنند.

اگر یک هواپیمای کاغذی را از ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) به بیرون پرتاب کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟ پاسخ این پرسش قدیمی سرانجام در یک مقاله جدید داده شده است.

فضای اطراف سیاره ما به‌شدت شلوغ شده. ما گونه‌ای بی‌نظم هستیم، و به نظر می‌رسد مدار نزدیک زمین نیز از قانون نانوشته‌ی «بعداً جمعش می‌کنیم» ما مستثنی نیست. یکی از نگرانی‌ها درباره‌ی این زباله‌ها، پدیده‌ای به نام «سندروم کسلر» است. سندروم کسلر به زبان ساده، به زنجیره‌ای از برخوردها اشاره دارد که در پی یک رویداد (مثلاً انفجار یک ماهواره) در مدار پایین زمین رخ می‌دهد و باعث می‌شود قطعات زباله با اشیای دیگر در مدار برخورد و آن‌ها را نیز نابود کنند.

اگر چنین اتفاقی بیفتد، این برخوردها می‌توانند ادامه پیدا کنند و در نهایت باعث اختلال در ارتباطات و حتی غیرقابل دسترس‌شدن بخش‌هایی از فضا برای فضاپیماها شوند. در بدترین حالت نیز، برخی حدس می‌زنند که این پدیده می‌تواند ما را عملاً در زمین گیر بیندازد، به‌طوری که دیگر امکان خروج از سیاره را نداشته باشیم.

درحالی 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.

تیم پژوهشی در مقاله جدید خود توضیح می‌دهد: «یکی از جهت‌گیری‌های پژوهشی، بررسی استفاده از مواد آلی به‌جای فلزات سنتی است که اثرات زیست‌محیطی سوختن فضاپیما را هنگام ورود مجدد به جو کاهش می‌دهد. جهت‌گیری دیگر، بررسی بادبان‌های مقاوم در برابر کشش جوی است تا سرعت سقوط مداری ماهواره‌ها در مدار پایین زمین، در پایان عمر عملیاتی آن‌ها افزایش یابد و زباله‌های فضایی حذف شوند. یک هواپیمای فضایی اوریگامی (در زبان ژاپنی به معنی کاغذ تاشده)، که میان این دو روند تحقیقاتی قرار می‌گیرد، می‌تواند راه‌هایی نوین برای استفاده و اکتشاف پایدار در فضا ارائه دهد.»

هواپیمای کاغذی اصلاح‌شده می‌تواند پس از پرتاب تا حدی پایداری داشته باشد و جهت خود را حفظ کند

تیم پژوهشی بدین منظور تلاش کرد شبیه‌سازی کند 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، آن‌ها نرخ افت مدار هواپیما، جهت‌گیری آن نسبت به مسیر حرکت، و میزان گرمایی را که حین عبور از جو زمین تحمل می‌کند مدل‌سازی کردند.

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

به گفته‌ی تیم پژوهشی: «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.»

براساس محاسبات تیم، مدار هواپیما بلافاصله پس از رهاسازی به‌سرعت 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.

تیم در ادامه می‌نویسد: «براساس نتایج آزمایش در تونل باد مافوق صوت و شبیه‌سازی‌ها، 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.»

گرچه ممکن است فرستادن هواپیمای کاغذی برای سوختن در جو کار چندان مفیدی به‌نظر نرسد، قابلیت «انهدام‌پذیری» دقیقاً همان چیزی بوده است که محققان به‌دنبالش بوده‌اند.

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

محققان توضیح می‌دهند: «با تحلیل مسیر حرکتی مداری هواپیمای کاغذی، می‌توان چگالی جو را به‌صورت معکوس محاسبه کرد. با توجه به زمان کوتاه ورود به جو، داده‌ها به‌سرعت جمع‌آوری می‌شوند. به‌دلیل هزینه بسیار پایین ساخت هواپیمای فضایی کاغذی، می‌توان چندین مورد از آن را به‌صورت همزمان پرتاب کرد و در فواصل زمانی مشخص، داده‌های همزمان و پراکنده به‌دست آورد.»

تیم پیشنهاد می‌دهد که از هواپیماهای کاغذی می‌توان در سایر مأموریت‌های کم‌هزینه و مداری نیز استفاده کرد، به‌ویژه اگر به آن‌ها سامانه‌های تصویربرداری با فیلم‌های نازک اضافه شود.

مطالعه در مجله آکتا آسترونومیکا منتشر شده است.