متلازمة كيسلر (وتسمى أيضًا تأثير كيسلر ، سلسلة الاصطدام ، أو سلسلة الاجتثاث) ، التي اقترحها عالم ناسا دونالد كيسلر.
وهي تمثيل لتصادمات متعددة بين أجزاء من أقمار صناعية متكاثرة في جو الأرض وتوجد في مدارات منخفضة بحيث ينشأ من تصادم واحد عدة تصادمات كثيرة كالشلال؛ حيث ينتج عن كل تصادم قطع نفايات عديدة تدخل بدورها في اصطدامات جديدة. فيزداد بذلك عدد النفايات في جو الأرض مما قد يشكل خطرًا على الرحلات الفضائية في المستقبل.
المحتويات
_تاريخ العلم وراء المتلازمة
_توليدالحطام والدمار
_النتائج للمتلازمة
_الاجتناب والتخفيض
_المشغل المحتمل
المدار الأرضي المنخفض (LEO)
بسبب تلوث الفضاء مرتفع بدرجة كافية بحيث أن الاصطدامات بين الأجسام يمكن أن تتسبب في حدوث تسلسل يؤدي فيه كل تصادم إلى توليد حطام فضائي يزيد من احتمالية حدوث المزيد من الاصطدامات.
أحد الآثار المترتبة على ذلك هو أن توزيع الحطام في المدار يمكن أن يجعل الأنشطة الفضائية واستخدام الأقمار الصناعية في نطاقات مدارية محددة أمرًا صعبًا لأجيال عديدة.
تاريخ العلم وراء المتلازمة
تنبأ ويلي لي في عام 1960 بأنه “بمرور الوقت ، سيتراكم عدد من هذه الطلقات المحظوظة بالصدفة في الفضاء وسيتعين إزالتها عندما يصل عصر رحلات الفضاء المأهولة”.
بعد إطلاق سبوتنيك 1 في عام 1957 ، بدأت قيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية (نوراد) في تجميع قاعدة بيانات (كتالوج الأجسام الفضائية) لجميع عمليات إطلاق الصواريخ المعروفة والأجسام التي وصلت إلى المدار: الأقمار الصناعية والدروع الواقية والمراحل العليا والسفلى للداعم و الصواريخ. نشرت وكالة ناسا لاحقًا إصدارات معدلة من قاعدة البيانات في مجموعة مكونة من سطرين ، وخلال أوائل الثمانينيات1980s أعاد نظام لوحة النشرات CelesTrak نشرها.
كان المتتبعون الذين قاموا بتغذية قاعدة البيانات على دراية بأجسام أخرى في المدار ، وكثير منها كان نتيجة انفجارات في المدار. تم التسبب في بعضها عن عمد أثناء اختبار الأسلحة المضادة للأقمار الصناعية (ASAT) في الستينيات ، وكان البعض الآخر نتيجة لمراحل الصواريخ التي انفجرت في المدار مع توسع الوقود المتبقي وتمزق دباباته. لتحسين التتبع ، احتفظ موظف NORAD جون غابارد بقاعدة بيانات منفصلة. من خلال دراسة الانفجارات ، طور غابارد تقنية للتنبؤ بالمسارات المدارية لمنتجاتها ، وتستخدم الآن مخططات غابارد (أو المؤامرات) على نطاق واسع. تم استخدام هذه الدراسات لتحسين نمذجة التطور المداري والانحلال.
عندما أصبحت قاعدة بيانات NORAD متاحة للجمهور خلال السبعينيات ، طبق عالم ناسا دونالد جيه كيسلر التقنية المطورة لدراسة حزام الكويكبات في قاعدة بيانات الأجسام المعروفة. في عام 1978 ، شارك كيسلر وبورتون كور باليه في تأليف “تردد الاصطدام للأقمار الصناعية: إنشاء حزام الحطام” ، مما يدل على أن عملية التحكم في تطور الكويكبات ستسبب عملية تصادم مماثلة في المدار الأرضي المنخفض خلال عقود بدلاً من المليارات سنوات. وخلصوا إلى أنه بحلول عام 2000 تقريبًا ، سوف يتفوق الحطام الفضائي على النيازك الدقيقة باعتباره الخطر الأساسي في اجتثاث المركبات الفضائية التي تدور في مدارات.
في ذلك الوقت ، كان يعتقد على نطاق واسع أن السحب من الغلاف الجوي العلوي سيؤدي إلى إزالة الحطام من المدار بشكل أسرع مما تم إنشاؤه.
ومع ذلك ، كان غابارد على علم بأن عدد ونوع الأجسام في الفضاء كانت أقل – ممثلة في بيانات NORAD وكان على دراية بسلوكها. في مقابلة بعد وقت قصير من نشر ورقة كيسلر ، صاغ غابارد مصطلح متلازمة كيسلر للإشارة إلى تراكم الحطام ؛ أصبح مستخدمًا على نطاق واسع بعد ظهوره في عام 1982 في مقال علمي شعبي ،والذي فاز بمجلة الطيران- جائزة الصحافة الوطنية لجمعية كتاب الفضاء 1982.
دفع نقص البيانات الصلبة حول الحطام الفضائي إلى سلسلة من الدراسات لتوصيف بيئة المدار الأرضي المنخفض بشكل أفضل. في أكتوبر 1979 ، قدمت وكالة ناسا التمويل لكيسلر لمزيد من الدراسات. تم استخدام عدة طرق من خلال هذه الدراسات.
تم استخدام التلسكوبات البصرية والرادار قصير الموجة لقياس عدد وحجم الأجسام الفضائية ، وأظهرت هذه القياسات أن عدد السكان المنشور كان أقل بنسبة 50٪ على الأقل.
قبل ذلك ، كان يعتقد أن قاعدة بيانات NORAD تمثل غالبية الأجسام الكبيرة في المدار. تم العثور على بعض الأشياء (عادة ، المركبات الفضائية العسكرية الأمريكية) محذوفة من قائمة NORAD ، ولم يتم تضمين البعض الآخر لأنها اعتبرت غير مهمة. لم تستطع القائمة تفسير الأجسام التي يقل حجمها عن 20 سم (7.9 بوصة) بسهولة – ولا سيما الحطام الناجم عن مراحل انفجار الصواريخ والعديد من اختبارات الستينيات المضادة للأقمار الصناعية.
تم فحص المركبات الفضائية المعادة مجهريًا بحثًا عن تأثيرات صغيرة ، وتم العثور على أجزاء من Skylab ووحدة القيادة / الخدمة Apollo التي تم استردادها. أشارت كل دراسة إلى أن تدفق الحطام كان أعلى من المتوقع وأن الحطام كان المصدر الأساسي للميكروميتورويدات وتصادمات الحطام المداري في الفضاء. أظهر LEO بالفعل متلازمة كيسلر.
في عام 1978 ، وجد كيسلر أن 42 بالمائة من الحطام المفهرس كان نتيجة 19 حدثًا ، في الأساس انفجارات لمراحل الصواريخ المستهلكة (خاصة صواريخ دلتا الأمريكية).
اكتشف ذلك من خلال تحديد عمليات الإطلاق التي تم وصفها أولاً نظرًا لوجود عدد كبير من الأشياء المرتبطة بالحمولة ، ثم البحث في الأدبيات لتحديد الصواريخ المستخدمة في الإطلاق. في عام 1979 ، نتج عن هذا الاكتشاف إنشاء برنامج NASA Orbital Debris Program بعد إحاطة إعلامية للإدارة العليا لناسا ، مما أدى إلى إلغاء الاعتقاد السائد سابقًا بأن معظم الحطام غير المعروف كان من اختبارات ASAT القديمة ، وليس من انفجارات الصواريخ الأمريكية في المرحلة العليا التي يمكن على ما يبدو إدارتها بسهولة من خلال استنفاد الوقود غير المستخدم من صاروخ دلتا المرحلة العليا بعد حقن الحمولة. ابتداءً من عام 1986 ، عندما تم اكتشاف أن الوكالات الدولية الأخرى ربما تواجه نفس النوع من المشاكل ، وسعت ناسا برنامجها ليشمل الوكالات الدولية ، أولها وكالة الفضاء الأوروبية.
متلازمة كيسلر الجديدة
خلال الثمانينيات ، أجرى سلاح الجو الأمريكي (USAF) برنامجًا تجريبيًا لتحديد ما سيحدث إذا اصطدم الحطام بالأقمار الصناعية أو غيرها من الحطام. أظهرت الدراسة أن العملية اختلفت عن اصطدامات النيازك الدقيقة ، حيث تشكلت قطع كبيرة من الحطام والتي قد تصبح تهديدات بالاصطدام.
في عام 1991 ، نشر كيسلر “التعاقب التصادمي: حدود النمو السكاني في مدار أرضي منخفض” بأفضل البيانات المتاحة في ذلك الوقت. نقلاً عن استنتاجات USAF حول إنشاء الحطام ، كتب أنه على الرغم من أن جميع أجسام الحطام تقريبًا (مثل بقع الطلاء) كانت خفيفة الوزن ، إلا أن معظم كتلتها كانت في حطام حوالي 1 كجم (2.2 رطل) أو أثقل. هذه الكتلة يمكن أن تدمر مركبة فضائية عند الاصطدام ، وخلق المزيد من الحطام في منطقة الكتلة الحرجة. وفقًا للأكاديمية الوطنية للعلوم:
على سبيل المثال ، من المحتمل أن يكون جسم وزنه 1 كجم يصطدم بسرعة 10 كم / ثانية قادرًا على تحطيم مركبة فضائية تزن 1000 كجم بشكل كارثي إذا اصطدم بعنصر عالي الكثافة في المركبة الفضائية.
في مثل هذا التفكك ، سيتم إنشاء شظايا عديدة أكبر من 1 كجم.
قسم تحليل كيسلر المشكلة إلى ثلاثة أجزاء:
– كثافة منخفضة بدرجة كافية ، تكون إضافة الحطام من خلال التأثيرات أبطأ من معدل تحللها والمشكلة ليست كبيرة.
– كثافة حرجة ، حيث تؤدي الحطام الإضافي إلى تصادمات إضافية.
– الكثافات التي تتجاوز هذا الإنتاج الضخم الحرج ، يتجاوز الإنتاج التلاشي ، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل متسلسل يقلل من السكان المداريين إلى أجسام صغيرة (يبلغ حجمها عدة سنتيمترات) ويزيد من خطر النشاط الفضائي. يُعرف هذا التفاعل المتسلسل بمتلازمة كيسلر.
في لمحة تاريخية في أوائل عام 2009 ، لخص كيسلر الموقف:
يمكن للأنشطة الفضائية العدوانية دون ضمانات كافية أن تقصر بشكل كبير الوقت بين الاصطدامات وتنتج خطرًا لا يطاق على المركبات الفضائية في المستقبل. تتضمن بعض الأنشطة الأكثر خطورة من الناحية البيئية في الفضاء الأبراج الكبيرة مثل تلك التي اقترحتها في البداية مبادرة الدفاع الاستراتيجي في منتصف الثمانينيات ، والهياكل الكبيرة مثل تلك التي تم النظر فيها في أواخر السبعينيات لبناء محطات الطاقة الشمسية في مدار الأرض ، والمضادة. – حرب الأقمار الصناعية باستخدام أنظمة اختبرها الاتحاد السوفياتي والولايات المتحدة والصين على مدى الثلاثين عامًا الماضية. يمكن أن تؤدي مثل هذه الأنشطة العدوانية إلى وضع يمكن أن يؤدي فيه فشل ساتل واحد إلى فشل متتالي للعديد من الأقمار الصناعية في فترة أقصر بكثير من سنوات.
توليد الحطام والدمار
الحطام الفضائي
كل قمر صناعي ومسبار فضاء وبعثة مأهولة لديها القدرة على إنتاج حطام فضائي.
تزداد احتمالية حدوث متلازمة كيسلر المتتالية النظرية مع زيادة عدد الأقمار الصناعية في المدار. اعتبارًا من عام 2014 ، كان هناك حوالي 2000 قمر صناعي تجاري وحكومي يدور حول الأرض.
تشير التقديرات إلى أن هناك 600000 قطعة من الخردة الفضائية تتراوح من 1 إلى 10 سم (0.39 إلى 3.94 بوصة) ، وفي المتوسط يتم تدمير قمر صناعي واحد عن طريق الاصطدام بالخردة الفضائية كل عام.
المدارات الأكثر استخدامًا لكل من المركبات الفضائية المأهولة وغير المأهولة هي المدارات الأرضية المنخفضة ، والتي تغطي نطاق ارتفاع منخفض بما يكفي ليكون السحب الجوي المتبقي كافياً للمساعدة في الحفاظ على المنطقة خالية.
الاصطدامات التي تحدث في هذا يعد نطاق الارتفاع أيضًا مشكلة أقل لأن الاتجاهات التي تطير فيها الشظايا طاقتها النوعية المنخفضة غالبًا ما تؤدي إلى تقاطع مدارات مع الأذن …
النتائج للمتلازمة
متلازمة كيسلر مزعجة بسبب تأثير الدومينو والتغذية المرتدة الهاربة حيث تؤدي التأثيرات بين الأجسام ذات الكتلة الكبيرة إلى تشظي الحطام من قوة الاصطدام. يمكن أن تصطدم الشظايا بعد ذلك بأجسام أخرى ، مما ينتج عنه المزيد من الحطام الفضائي: في حالة حدوث تصادم أو انفجار كبير بدرجة كافية ، مثل بين محطة فضائية وقمر صناعي غير صالح ، أو نتيجة لأعمال عدائية في الفضاء ، فإن الحطام الناتج يمكن أن تجعل سلسلة التتابع احتمالات بقاء السواتل على المدى الطويل في مدارات أرضية منخفضة للغاية منخفضة للغاية.
ومع ذلك ، حتى سيناريو كيسلر الكارثي في المدار الأرضي المنخفض سيشكل خطرًا ضئيلًا على عمليات الإطلاق المستمرة في المدار الأرضي المنخفض ، أو الأقمار الصناعية التي تسافر في مدار أرضي متوسط (MEO) أو مدار أرضي متزامن (GEO). تتنبأ السيناريوهات الكارثية بزيادة في عدد الاصطدامات سنويًا ، بدلاً من وجود حاجز غير سالك جسديًا لاستكشاف الفضاء يحدث في مدارات أعلى.
الاجتناب والتخفيض
كثيرًا ما يطلب الاتحاد الدولي للاتصالات مصممي مركبة جديدة أو قمرًا صناعيًا لإثبات أنه يمكن التخلص منها بأمان في نهاية عمرها ، على سبيل المثال عن طريق استخدام نظام إعادة الدخول في الغلاف الجوي المتحكم فيه أو دفعه إلى مدار مقبرة.
بالنسبة لعمليات الإطلاق أو الأقمار الصناعية الأمريكية التي ستبث إلى أقاليم الولايات المتحدة – من أجل الحصول على ترخيص لتقديم خدمات الاتصالات في الولايات المتحدة – طلبت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) من جميع الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض التي تم إطلاقها بعد 18 مارس 2002 الالتزام بالانتقال إلى المدار المقبرة في نهاية عمرها التشغيلي.
تتطلب لوائح حكومة الولايات المتحدة بالمثل خطة للتخلص من الأقمار الصناعية بعد انتهاء مهمتها: إعادة دخول الغلاف الجوي ، التحرك إلى مدار تخزين ، أو استرجاع مباشر.
تتمثل إحدى الوسائل المقترحة الموفرة للطاقة لإخراج مركبة فضائية من المدار MEO في تحويلها إلى مدار في صدى غير مستقر مع الشمس أو القمر مما يسرع من تسوس المدار.
المشغل المحتمل
القمر الصناعي Envisat عبارة عن قمر صناعي كبير غير نشط كتلته 8211 كجم (18102 رطلاً) ينجرف عند 785 كم (488 ميل) ، وهو ارتفاع حيث تكون بيئة الحطام هي الأكبر – من المتوقع أن يمر جسمان مفهرسان في حدود 200 م (660 قدمًا) من إنفيسات كل عام ومن المحتمل أن تزيد.
توقع دون كيسلر في عام 2012 أنه يمكن بسهولة أن يصبح مساهمًا رئيسيًا في الحطام الناتج عن تصادم خلال الـ 150 عامًا القادمة أنه سيبقى في المدار.
يثير برنامج Starlink التابع لـ SpaceX قلق العديد من الخبراء بشأن تفاقم احتمال الإصابة بمتلازمة كيسلر بشكل كبير بسبب العدد الكبير من الأقمار الصناعية التي يهدف البرنامج إلى وضعها في مدار أرضي منخفض ، حيث أن هدف البرنامج سيزيد من ضعف الأقمار الصناعية الموجودة حاليًا في المدار الأرضي المنخفض.