مردم در گذشته اعتقاد داشتند حرکت اجرام فضایی در سرنوشت‌شان تاثیر دارد. به همین دلیل حرکت آنها را رصد می‌کردند. مدتی از دنبال کردن این علاقه گذشت تا این که متوجه شدند می‌توانند برای اندازه‌گیری زمان از اجرام آسمانی استفاده کنند. بعد از مدتی دیگر ستاره‌ها صرفا برای اندازه‌گیری زمین و تاثیر در سرنوشت اهمیت نداشتند، آنها در امر ناوبری و جهت‌یابی نیز مورد استفاده قرار گرفتند.
«مریم باغبان» عضو تیم طراحی و ساخت ماهواره ناهید (زیر سیستم طراحی الکتریکی) پس از این توضیحات اولیه در خصوص فضا، ادامه داد: علاقه و تاثیر اجرام آسمانی بر زندگی انسان، کار را به این‌جا رسانده که با توجه به فرسایش و تخریب کره زمین مردم به دنبال ادامه حیات در فضا هستند. در ادامه توضیحات عضو همکاری با امور بین‌الملل پژوهشگاه فضایی ایران که تحصیلات مهندسی برق را در دانشگاه انرژی کارزان روسیه به پایان رسانده است را درباره فضا، مدارها و زباله‌های فضایی بخوانید.
قوانین کپلر و نیوتن
«یوهان کپلر» دانشمند و ستاره‌شناس آلمانی با تحقیق در خصوص حرکت سیارات به دور خورشید، قوانینی را وضع کرد. قوانینی که امروزه برای ارسال محموله‌های بزرگ و کوچک به فضا مورد استفاده قرار می‌گیرد. حاصل تلاش ۲۰ساله کپلر، سه قانون بود که در دو مرحله منتشر شد و سرنوشت دنیا را تغییر داد.
قانون اول کپلر به این مسئله اشاره دارد که مسیر حرکت سیارات به دور خورشید بیضی است و خورشید در یکی از دو کانونِ این بیضی قرار دارد. در واقعیت شکل مدار اجرام سماوی یا مدارگردهای مصنوعی نظیر ماهواره‌ها می‌تواند یکی از اشکال گوناگون مقاطع مخروطی نظیر دایره، بیضی، سهمی و هذلولی باشد.
در قانون دوم، کپلر می‌گوید زمانی که سیاره به خورشید نزدیک‌تر است نسبت به زمانی که از خورشید دورتر است با سرعت بیشتری حرکت می‌کند. کپلر بیشتر به این دو قانون شناخته شده است اما قانون سوم او که ده سال پس از این دو قانون منتشر شد می‌گوید «مربع زمان تناوب چرخش سیارات به دور خورشید، با مکعب نصف محور بزرگ بیضی متناسب است.»
این قوانین علاوه بر تشریح حرکت سیارات نسبت به خورشید، برای تمام سیستم‌هایی که در آنها یک جرم به دور جرم دیگر می‌گردد نیز صادق است و کاربرد دارد. با این تفاوت که قانونِ اول کپلر تنها ناظر بر یک شکل خاص و عام از مسیرهای ممکن فضایی است. در واقعیت شکل مدار اجرام سماوی یا مدارگردهای مصنوعی نظیر ماهواره‌ها می‌تواند یکی از اشکال گوناگون مقاطع مخروطی نظیر دایره، بیضی، سهمی و هذلولی باشد.
تلاش‌های انسان در زمینه تحقیقات بر روی حرکت سیارات و اجرام آسمانی، منجر به کشف قوانین کپلر شد. بعد از این کشف توسط کپلر، آیزاک نیوتن در سال ۱۶۴۲ قوانین خود را در خصوص اجرام آسمانی ارئه داد.
قوانین حرکت نیوتن سه قانون فیزیکی دارد که این قوانین ارتباط بین نیروهای وارد آمده بر یک جسم و حرکت آن را به دست می‌آورد. ترکیب قوانین کپلر و نیوتن باعث شد انسان بتواند به رویای خودش برای رسیدن به فضا یا قرار دادن جسمی در فضا دست پیدا کند.
مروری بر مدارهای مختلف زمین
مسیری که یک جرم در فضا دور جرم دیگر می‌چرخد مدار نام دارد. این حرکت می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد که یکی از مقاطع مخروطی هستند. حرکت سیارات حول یک سیاره بیشتر به صورت بیضی و دایره است. مسیر حرکت فضاپیماها یا ماهواره‌هایی که انسان به فضا می‌فرستد می‌تواند به شکل «سهمی» باشد.
برای زمین می‌توان سه دسته ارتفاع متفاوت در نظر گرفت. ارتفاع سطح زمین تا دو هزار کیلومتری را مدار ارتفاع پایین زمین یا لئو LEO می‌نامند. از دو هزار کیلومتر تا ۳۵۷۸۶ متر، مدارهای میانی زمین نام دارد و مدارهای بالاتر از این ارتفاع را مدار ارتفاع بالا نام‌گذاری کرده‌اند.
مدار «ژئو سنکرون» بین مدارهای ژئو و لئو و در ارتفاع ۲۳۵۰ کیلومتر قرار دارد. این مدار بیشتر برای استفاده‌های GPS مناسب است. GPS یک ماهواره نیست، بلکه حداقل ۲۴ ماهواره هستند که تمام‌مدت با هم کار می‌کنند تا بتوانند اطلاعات موقعیت مکانی کل زمین را پوشش دهند. این ماهواره‌ها هر ۱۲ ساعت یک‌بار زمین را دور می‌زنند. ماهواره‌های GPS در مدار شبه سنکرون (sso) مستقر می‌شوند که در ارتفاع ۲۰۳۵۰ کیلومتری قرار دارد.
مدار «GSO» کاملا دایره‌ای است و در ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتر در صفحه استوایی قرار دارد. یعنی ماهواره‌هایی که در این مدار هستند دقیقا بر فراز مدار استوا در حال چرخش هستند و زاویه انحراف آنها صفر است. سرعت زاویه‌ای ماهواره برابر با سرعت زمین و پریود چرخش آن نیز با پریود چرخش وضعی زمین (۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴.۱ ثانیه) برابر است. ماهواره‌های مخابراتی، ناوبری، هواشناسی و نظامی در این مدار قرار می‌گیرند.
مدار «ژئو استیشنری» تقریبا به موازات خط استوا زمین قرار دارد. ماهواره‌های مخابراتی نیز بیشتر در این مدار قرار می‌گیرند. برای این که کل زمین از این طریق پوشش داده شوند حداقل سه ماهواره باید به کار گرفته شود. سرعت چرخش ماهواره‌ها در این مدار با سرعت چرخش زمین یکسان است و به همین دلیل است که ماهواره‌ها از زمین، ثابت به نظر می‌رسند.
مدار زمین آهنگ یا ژئو کاملا دایره‌ای نیست و در صفحه استوا قرار ندارد. سرعت زاویه‌ای ماهواره با سرعت چرخش وضعی زمین برابر است و پریود چرخش همان ۲۳ ساعت و ۵۶ دقیقه و ۴.۱ ثانیه است. تعداد زیادی مدار زمین آهنگ می‌تواند وجود داشته باشد. GSO شاخص‌ترین نوع از مدارهای GEO است.
مسئله‌ای که مدار ژئو با آن مواجه شده این است که به لحاظ مخابراتی، ماهواره‌ها سیگنال‌هایی را مخابره می‌کنند که ممکن است از نظر فرکانسی یا حتی فیزیکی با یکدیگر تداخل داشته باشند. به همین دلیل تعداد محدودی ماهواره می‌تواند در این مدار قرار بگیرد.
با توجه به این که این مدار در حال پر شدن است، چالشی بین کشورها برای استفاده از این نقاط ایجاد شده است. ایران نیز در این مدار نقطه‌ای برای ارسال ماهواره دارد که مسائل حقوقی آن در حال پیگیری است.
مدارها با ارتفاعات مختلف، کاربردهای متفاوتی دارند. مدارهایی که تا ۲۰۰ کیلومتری زمین قرار دارند بیشتر برای ارسال تجهیزات نظامی به فضا مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مدار ۴۰۰ تا هزار کیلومتر برای قابلیت‌های سنجش از دور است و ارتفاع بالای ۴ تا۱۰ هزار کیلومتر، کاربرد علمی دارد. ارتفاعات ۱۰هزار تا ۲۴ هزار کیلومتر برای مقاصد ناوبری مورد استفاده قرار می‌گیرد و مقصد بیشتر ماهواره مخابراتی نیز در مدار ژئو با ارتفاع ۳۵۷۸۶ است.
مدارهای پایین زمین بیشتر شکل دایره دارند، مدت زمانی که طول می‌کشد تا ماهواره در مدار لئو، یک دور زمین بچرخد بین ۸۸ تا ۱۲۷دقیقه است. تعداد زیادی از ماهواره‌های هواشناسی، پایش زمین و سنجش از دور، مطالعات علمی، ایستگاه‌های فضایی و تلسکوپ‌ها و رصدخانه‌های فضایی، در این مدار قرار می‌گیرند.
ارسال ماهواره به فضا
ماهواره ناهید، ساخت پژوهشگاه فضایی ایران است نیز در مدار لئو قرار خواهد گرفت و کاربرد آن مخابراتی است. این مدارها چون به زمین نزدیک‌تر هستند به لحاظ سنجشی می‌توانند مفید باشند و اطلاعات با کیفیت‌تری را از سطح زمین مخابره کنند. زمانی که ماهواره پرتاب می‌شود مسیر سهمی شکلی را طی می‌کند تا به یک مدار میانی برسد. پس از یک دور چرخش در این مدار، انتقال مداری رخ می‌دهد و ماهواره به مدار ژئو وارد می‌شود. پس از آن به مدار اصلی می‌رسد و همان مدار به حرکت خود ادامه می‌دهد.
سرنوشت زباله‌های فضایی چیست
این روزها زباله‌های فضایی چالش بزرگی است که در دفتر امور فضای ماورای جو سازمان ملل متحد مدام درباره آن بحث می‌شود. ماهواره‌ها گاهی اوقات در مدار با یکدیگر برخورد می‌کنند، اما به این شکل نیست که شکایتی بین کشورها صورت بگیرد. مدتی قبل ماهواره‌های روسیه و امریکا به یکدیگر برخورد کردند اما شکایتی به ثبت نرسید.
سازمان ملل از تمام کشورها درخواست کرده تا ماهواره خودشان را پیش از پرواز ثبت کنند تا بعد پس از خارج شدن ماهواره از مدار یا از بین رفتن آن، بتوان درباره‌اش تصمیم‌گیری کرد. البته این درخواست الزام‌آور نیست و نمی‌توان آن را به کشورها تحمیل کرد. این مسئله از نظر قانونی قابلیت پیگیری ندارد اما قرار است شرایطی ایجاد شود تا کشورها به شکل داوطلبانه برای رعایت آن پیشقدم شوند.
مدتی قبل قبل دانشمندان روسیه اعلام کردند تصادف این اشیا با یکدیگر تکه‌های جدیدی را به وجود می‌آورد که این وضع را وخیم‌تر می‌کند. این زباله‌ها خطر واقعی برای ماهواره‌های در حال کار و ایستگاه بین‌المللی فضایی است که بارها مجبور شده‌اند با انجام مانورها از تصادف با زباله‌های فضایی در امان بمانند.
به گزارش اسپوتنیک، مدار اطراف زمین آنقدر پر از زباله شده که احتمال دارد مانع پیشروی در فضا شود، زیرا هر تکه در حال پرواز با سرعت چند هزار کیلومتر در ساعت، قدرت فوق‌العاده زیادی مساوی گلوله دارد.
هم اکنون متخصصان در حال بررسی روش‌های مختلف نابودی کردن زباله‌های فضایی از جمله استفاده از سلاح اتمی هستند، اما این ایده‌ای پوچ و غیر ضروری است که درست مثل شلیک توپخانه به سوی گنجشک می‌ماند. از این رو متخصصان در حال طراحی روش‌های دیگری از جمله به دام انداختن زباله‌ها با تورهای مخصوص و استفاده از پرتوهای لیزری هستند.
«بوریس شوستوف» رئیس انستیتوی اخترشناسی روسیه اعلام کرد که استفاده از سلاح هسته‌ای برای مبارزه با آشغال‌های فضایی بی‌معناست. شمار قطعات سرگردان ماهواره‌های مصنوعی در مدار زمین آن قدر زیاد است که طی ۲۰-۱۰ سال امکان دسترسی به فضا را از دست خواهیم داد.
«ولادیمیر آگاوف» رئیس برنامه علمی جمع‌آوری و پردازش اطلاعات اشیای فنی نیز در این‌باره می‌گوید از بین رفتن ماهواره از دست دادن پول زیاد و لزوم خرج‌های مضاعف برای ساخت ماهواره جدید و پرتاب است. وقت زیادی صرف ساخت ماهواره خواهد شد و اگر تجاری باشد، سود خود را از دست خواهد داد.
به گزارش اسپوتنیک راه‌حل‌های زیادی شامل جمع‌آوری زباله‌ها با کمک یدک‌کش‌های ویژه فضایی، سامانه‌های الکترومغناطیسی و همچنین تورهای ویژه جمع‌آوری زباله‌های کوچک مطرح شده که فقط طرح پیشنهادی است و این که چه زمانی پیاده خواهد شد به عوامل مهندسی، ساخت سامانه‌های ضروری و امنیت بستگی دارد. جمع‌آوری زباله‌ها باید به گونه‌ای انجام شود که ماهواره‌ها آسیب نبینند و موضوع حقوقی هم وجود دارد زیرا هر یک از اجزای هر زباله فضایی به یک کشور تعلق دارد و از این رو باید اجازه نابودی آن گرفته شود.
هر یک از کشورها در بروز این وضعیت نقش داشته‌اند و با قبول این موضوع، کمیسیون هماهنگی جهانی زباله‌های فضایی را تشکیل دادند و طبق قانون کنونی، کشورها باید پس از پایان زمان کار، دستگاه‌های فضایی را از مدار زمین خارج کنند که گزینه ایده‌آلی نیست، زیرا خروج آنها از مدار محتاج صرف سوخت گران‌قیمت است. همچنین دستگاه‌ها پس از پایان دوره استفاده بیشتر غیرقابل هدایت می‌شوند و از این رو کارشناسان پیشنهاد می‌کنند پاک‌سازی مدار زمین از زباله‌ها همراه با پیشرفت انواع جدید سوخت، مطالعه ویژگی‌های جدید مواد و فناوری لیزری انجام شود.