ماهواره چیست؟ با قمر مصنوعی بیشتر آشنا شوید

ماهواره چیست؟ ماهواره شی‌ای است که در مداری به دور جرم بزرگتر از خودش می‌گردد. به طور کلی دو نوع ماهواره داریم؛ ماهواره های طبیعی مانند کره ماه که به دور سیاره زمین می‌گردد و ماهواره های مصنوعی مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) که مانند ماه به دور زمین در گردش است.

در منظومه شمسی صدها ماهواره طبیعی وجود دارد. حداقل هر سیاره منظومه ما دارای یک قمر است. به عنوان مثال سیاره زحل حداقل دارای 53 ماهواره طبیعی است که البته در بین سال‌های 2004 تا 2017 یک ماهواره مصنوعی نیز داشت؛ کاوشگر کاسینی که با شناسایی حلقه‌ها و اقمار این سیاره خدمات ارزنده‌ای ارائه کرد.

تا اواسط قرن بیستم مفهومی به نام ماهواره مصنوعی وجود نداشت. کاوشگر فضایی اسپوتنیک اولین ماهواره مصنوعی بود که در 4 اکتبر 1957 مرز‌های اتمسفر زمین را شکافت. این سازه روسی که اندازه‌ای در حد یک توپ ساحلی داشت، در زمان خودش شوک بزرگی به جامعه علمی وارد کرد؛ چرا که تصورات بر این بود که شوروی به این زودی‌ها توان پرتاب ماهواره‌ای به فضا را ندارد.

مختصری از تاریخچه ماهواره های مصنوعی

پس از آنکه در 3 نوامبر 1957، شوروی توانست ماهواره‌ بزرگی به‌ نام اسپوتنیک 2 همراه با سگی به نام “لیکا” را پرتاب کند، ایالات متحده در 31 ژانویه 1958، اولین ماهواره‌اش که جستجوگر 1 (Explorer 1) نام داشت را به ورای جو زمین فرستاد. هرچند این ماهواره 13 کیلوگرمی تنها جرمی معادل 2 درصد جرم اسپوتنیک 2 را داشت.

پرتاب این سه ماهواره آغازگر عصر رقابت فضایی میان ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی بود. رقابتی که حداقل تا اواخر دهه 1960 به درازا انجامید. تمرکز بر ماهواره‌ها به عنوان یک ابزار سیاسی و شدت گرفتن این رقابت سرانجام به جایی رسید که هر دو کشور در سال 1961 موفق به ارسال انسان به فراتر از جو زمین شدند.

از این زمان به بعد اهداف دو کشور دیگر مشترک نبود؛ درحالی که ایالات متحده در صدد فرود آوردن انسان بر روی ماه و ساخت شاتل‌های فضایی بود، شوروی مشغول طراحی اولین ایستگاه فضایی جهان به نام Salyut 1 بود و توانست در 1971 با موفقیت آن را پرتاب کند (ایستگاه‌های فضایی بعدی به ترتیب اسکای‌لب متعلق به ایالات متحده و Mir شوروی بودند).

سایر کشور‌ها نیز بر روی این موج سوار شدند و اقدام به ارسال ماهواره های خود به فضا کردند تا از قافله بهره‌وری آن عقب نمانند. ماهواره های هواشناسی به تدریج پیش‌بینی ‌هایی دقیق‌تر، بخصوص برای مناطق دورافتاده، ارائه ‌می‌کردند. همچنین ماهواره هایی مانند Landsat در طول زمان در مشاهده تغییرات وسعت جنگل‌ها، آب اقیانوس‌ها و سایر مشخصه‌های سطح زمین توانمند‌تر شدند.

ماهواره های ارتباطی نیز به مرور برقراری تماس‌های تلفنی از فاصله‌های طولانی و پخش زنده تلویزیونی در سراسر جهان را به جزء عادی زندگی روزمره بشریت تبدیل کردند. نسل‌های آینده ماهواره‌ها سهم عمده‌ای در گسترش ارتباطات اینترنتی، ایفا کردند.

همراه با کاهش اندازه کامپیوتر‌ها و سایر سخت‌افزارها، اندازه ماهواره های ارسالی که با اهدافی نظیر انجام آزمایشات علمی و با گسترش و بهبود ارتباطات ارسال می‌شدند، روز به روز کوچک و کوچک‌تر می‌شد. امروزه ساخت کیوب‌ست‌ -ماهواره هایی مکعبی شکل که بخش عمده‌ای از جمعیت ماهواره‌ها در مدار نزدیک زمین را تشکیل می‌دهند- برای دانشگاه‌ها و کمپانی‌ها امر معمولی است.

کیوب‌ست ها یا توسط موشک و یا بوسیله پرتاب کننده‌های سیار در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) در مدار زمین قرار می‌گیرند. ناسا در حال حاضر در نظر دارد تا در ماموریت‌های آینده که به سوی مریخ و یا اروپا (قمر مشتری) انجام خواهد شد، از کیوب‌ست ها استفاده کند. اگرچه مشخص نیست که آیا کیوب‌ست‌ها چنین ظرفیتی دارند یا خیر.

ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) به عنوان بزرگترین ماهواره در مدار، حدود یک دهه از ساخت آن می‌گذرد. در تهیه قطعه قطعه‌ی این سازه، 15 کشور مختلف از نظر مالی و ساخت ابزار‌های درونی، در بین سال‌های 1998 تا 2011 همکاری داشته‌اند. طبق برنامه رسمی انتظار بر این است تا ایستگاه فضایی بین‌المللی حداقل تا سال 2024 به فعالیت خود ادامه دهد.

اجزای یک ماهواره

هر ماهواره مصنوعی قابل استفاده، خواه رباتیک باشد یا توسط انسان کنترل شود، از چهار بخش اصلی تشکیل شده است:

• سیستم قدرت (خورشیدی یا هسته‌ای)
• قسمتی برای کنترل مسیر و تعادل
• آنتنی برای انتقال و دریافت اطلاعات
• صفحه‌ای برای جمع‌آوری اطلاعات (شامل دوربین و یا شناساگر ذرات)

همانطور که در ادامه خواهید دید، لزوما همه ماهواره های مصنوعی کارایی ندارند. جالب است بدانید که حتی یک عدد پیچ و یا مقداری رنگ که در فضا پخش شده است نیز به عنوان ماهواره مصنوعی قلمداد می‌شوند.

چه چیز از سقوط ماهواره ها به زمین جلوگیری می‌کند؟

ماهواره ها بهترین مصداق برای پرتابه‌ها هستند، اجرامی که فقط یک نیرو بر آنها تاثیر می‌گذارد: گرانش.

به بیان فنی: هر چیزی که بالا‌تر از خط کارمن (100 کیلومتری سطح زمین) قرار داشته باشد، در فضا حضور دارد. با این حال یک ماهواره باید بتواند با حداقل سرعت 8 کیلومتر در ثانیه حرکت کند تا از سقوط آن بر زمین جلوگیری شود.

اگر یک ماهواره با سرعت کافی حرکت کند، به طور مداوم به سوی زمین سقوط خواهد کرد؛ اما انحنای زمین عاملی است تا ماهواره بجای آنکه بر سطح زمین سقوط کند و متلاشی شود، در اطراف زمین قرار بگیرد. ماهواره هایی که در نزدیکی زمین حرکت می‌کنند، بدلیل برخورد با ملکول‌های اتمسفر و کاسته شدن از سرعتشان، با خطر سقوط بر روی زمین مواجه هستند. در نقطه مقابل آن دسته از ماهواره‌هایی که در مدارهای بالایی زمین حرکت می‌کنند با ملکول‌های کمتری برهمکنش دارند.

چندین ناحیه در اطراف زمین وجود دارد که به عنوان مدار شناخته می‌شوند. مدار نزدیک زمین (LEO) یکی از آنهاست که از ارتفاع 160 تا 2000 کیلومتری از سطح زمین را دربرمی‌گیرد. این همان ناحیه‌ای است که ایستگاه فضایی بین‌المللی و شاتل‌های فضایی و بسیاری از ماهواره‌ها در آن به فعالیت می‌پردازند. اکثریت ماموریت‌های فضایی انسانی، به استثناء پروازهای آپولو که به مقصد ماه انجام شدند، مقصدی بجز مدار نزدیک زمین نداشتند.

مدار میانی زمین (MEO) بهترین نقطه برای استقرار ماهواره های ارتباطی است که از ارتفاع 2000 کیلومتری تا 30786 کیلومتری بالاتر ازخط استوای زمین را در بر‌می‌گیرد. در این ارتفاع میزان “سقوط” ماهواره‌ها در اطراف زمین تقریبا همسان با چرخش زمین است؛ بدین معنا که ماهواره همواره در مقابل یک نقطه متناظر با زمین قرار می‌گیرد. بنابراین ماهواره می تواند با به طور دائم با یک آنتن ثابت برروی زمین ارتباط داشته باشد، این موضوع بر قابل اطمینان بودن ارتباطات ماهواره‌ای می‌افزاید.

وقتی ماهواره های این مدار به پایان کار خود می‌رسند، بر اساس دستور‌العمل خود، مسیر حرکت خود را به ماهواره‌ جدیدی واگذار می‌کند. به این دلیل که فضای موجود در این ناحیه به ماهواره‌ها اجازه می‌دهد تا بدون دخالت در عملکرد یکدیگر کار کنند.

برخی از ماهواره‌ها بهترین عملکرد خود را زمانی دارند که به دور خط استوا در گردش هستند. این درحالی است که برخی دیگر، در مدارهایی که از قطبی به قطب دیگر کشیده شده است، عملکرد بهتری دارند. ماهواره های هواشناسی و ماهواره های اکتشافی-تحقیقاتی از این نوع هستند.

ماهواره ها چگونه به یکدیگر برخورد نمی‌کنند؟!

برآورد‌های صورت گرفته از حضور نیم میلیون ماهواره در اندازه‌های مختلف در مدار‌های زمین خبر می‌دهند؛ ماهواره‌هایی که فقط چند لکه رنگی را شامل می‌شوند تا ماهواره‌های بسیار تکامل یافته که با سرعت صد‌ها کیلومتر در ساعت در حال گردش هستند. فقط کسری کوچک از این تعداد ماهواره، کارامد هستند، یعنی خیل عظیمی از آنها به عنوان “زباله‌ فضایی” به دور زمین بصورت معلق در حرکتند. با این تفاسیر احتمال برخورد ماهواره ها بالاست.

سازمان‌های فضایی به‌ هنگام پرتاب ماهواره ها باید مسیر مدار‌ها را به دقت مورد بررسی قرار دهند. نهاد‌هایی مانند شبکه نظارت فضایی ایالات متحده (SSN) به دقت مدار‌ها را رصد می‌کنند تا اگر یک سازه حیاتی متعلق به سازمان‌هایی نظیر ناسا در خطر برخورد با جرمی دیگر باشد، به آنها هشدار دهد. در همین راستا، ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) در بازه‌های زمانی مختلف مانور‌هایی را برای تمرین خروج از مدار کنونی‌ خود انجام می‌دهد.

با همه‌ی این‌ها وجود برخوردها اجتناب ناپذیر است. یک آزمایش ضد ماهواره‌ای که در سال 2007 توسط چینی‌ها صورت گرفت، زباله‌هایی برجای گذاشت که منجر به نابودی یک ماهواره روسی در سال 2013 شد. همچنین در همان سال برخورد میان دو ماهواره ایریدیوم 33 کاسموس 2251 منجر به ایجاد ابری از زباله‌های فضایی شد.

ناسا، سازمان فضایی اروپا و سایر نهاد‌ها درصدد هستند تا میزان زباله‌های فضایی را کاهش دهند. یک پیشنهاد این است که ماهواره‌های از کار افتاده را پایین بیاوریم. بر این اساس، با استفاده از یک دام و حتی شاید یک انفجار می‌توان ماهواره را از مدار خودش منحرف کرد و به فاصله نزدیکتر زمین آورد. برخی نیز معتقدند سوخت‌گیری مجدد ماهواره‌، می‌تواند راهی برای استفاده مجدد از آنها باشد. تکنولوژی این کار امروزه در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) درحال انجام است.

اقمار سایر سیارات

اکثر سیارات منظومه شمسی دارای ماهواره طبیعی هستند، چیزی که ما به آن قمر می‌گوییم. در میان سیارات درونی منظومه شمسی، عطارد و ناهید هیچگونه قمری ندارند. کره خاکی ما یک قمر نسبتا بزرگ دارد. سیاره سرخ مریخ نیز دو قمر در سایز سیارکی به نام‌های فوبوس (Phobos) و دیموس (Deimos) دارد. قمر فوبوس به آهستگی و به صورت مارپیچی به سمت مریخ در حال حرکت است و در چند هزار سال آینده به این سیاره برخورد خواهد کرد و احتمالا آن را خواهد شکست.

در آنسوی کمربند سیارکی، چهار سیاره غول‌آسای گازی با اقمار زیادی جای خوش کرده‌اند. تا اواخر سال 2017، تعداد 69 قمر برای مشتری، 53 قمر برای زحل، 27 قمر برای اورانوس و 13 یا 14 قمر نیز برای نپتون به ثبت رسیده است. گاه و بیگاه قمر‌های جدید عمدتا بواسطه ماموریت‌ها (چه بوسیله ماموریت‌های در حال انجام و چه بررسی مجدد تصاویر حاصل از ماموریت‌های گذشته) و نیز مشاهدات جدیدی که توسط تلسکوپ‌ها صورت می‌گیرد، کشف می‌شوند.

در این میان، سیاره زحل موردی بسیار خاص است. هزاران جسم کوچک حول این سیاره در حال گردش است که در مجموع حلقه‌های زیبایی را شکل می‌دهد که با استفاده از تلسکوپ‌های کوچک نیز در سطح زمین قابل مشاهده هستند. در طول ماموریت 13 ساله کاوشگر کاسینی، دانشمندان تصاویر این حلقه‌ها را با نمای نزدیک و جزئیات دقیق مشاهده کردند.

نتایج بدست آمده از این مشاهدات حاکی از آن بود که شرایط این حلقه‌ها برای تشکیل قمر‌های جدید مناسب است. “پروانه‌”ها و یا “کاه”های موجود در حلقه‌های زحل دانشمندان را بسیار به خود مجذوب کرده‌ است. این پروانه‌ها یا کاه‌ها توسط ذرات مختلف در دل حلقه‌های زحل پدید می‌آیند. کمی پس از پایان ماموریت کاسینی در سال 2017، ناسا اعلام کرد که این احتمال وجود دارد که پروانه‌های موجود درحلقه‌های زحل، عناصر تشکیل دهنده این سیاره را به فضای اطراف صفحات گازی ستارگان جوان منتقل کند.

علاوه بر سیارات، اجرام کوچکتر نیز می‌توانند قمر داشته باشند. در این میان سیاره پلوتو و قمرش را به طور فنی می‌توان یک سیاره کوتولو در نظر گرفت. اگرچه محققانی که در ماموریت New Horizons مشغول به تحقیق هستند، مدعی هستند که بدلیل جغرافیا متنوع‌اش، پلوتو را می‌توان سیاره در نظر گرفت. چیزی که مخالفان “سیاره بودن پلوتو” نمی‌توانند انکار کنند، اقمار آن است. تاکنون 5 قمر برای پلوتو شناخته شده است که بیشتر آنها زمانی که ماموریت New Horizons در حال توسعه و یا در جریان بود کشف شدند.

تعداد زیادی از سیارک‌ها نیز قمر دارند. این جهان‌های کوچک ‌گاهی اوقات به سمت زمین می‌آیند و در این هنگام است که اقمارشان توسط رادار‌ها مورد مشاهده قرار می‌گیرد.  از بین تعدادی از سیارک‌های مشهوری که دارای قمر‌ هستند، می‌توان به وستا 4 (که در ماموریت Dawn مشاهده شد)، ایدا 243، اروس 433 و گاسپرا 951. همچنین مثال‌هایی از سیارک‌‌هایی که حلقه‌دار بودند نیز وجود دارد، چاریکتلو 10199 و چیرون 2060 از مثال‌های مهم هستند.

جالب است بدانید سیاره‌های زیادی در منظومه‌ شمسی وجود دارند که قمر‌هایی ساخته دست بشر دارند؛ به ویژه در اطراف مریخ. این اقمار شامل کاوشگر‌هایی است که در مدار سیارات، در حال مطالعه سطح و محیط آن‌ها هستند. سیاره عطارد، ناهید، مریخ، مشتری و زحل همگی در طول تاریخ مورد مطالعه انواعی از ماهواره های مصنوعی قرار گرفته‌اند.

از میان سایر اجرامی که ماهواره مصنوعی داشتند میتوان به دنباله‌ دار 67P/Churyumov–Gerasimenko  که در ماموریت رزتا سازمان فضایی اروپا (ESA) کشف شد و سیاره دوقلو وستا-کرس که در ماموریت Dawn ناسا یافت شد، اشاره کرد. به بیان فنی، در طول ماموریت‌های آپولو، در طی سال های 1968 تا 1972، انسان توانست در قمر‌ (فضاپیما)‌ های اطراف کره ماه حضور داشته باشد. ناسا ممکن است در دهه‌های آینده با ساخت ایستگاه فضایی “دروازه عمیق فضا” (DSG) در اطراف ماه، سکوی پرتابی برای ماموریت‌های آینده به سمت مریخ ایجاد کند.

مشتاقان فیلم آواتار (سال 2009)، باید زندگی انسان در پاندورا، قمری قابل سکونت که در اطراف غولی گازی به نام  پولیفموس، را به یاد داشته باشند. ما هنوز نمی‌دانیم که آیا سیارات فراخورشیدی هم دارای قمر هستند یا خیر، اما با توجه به اینکه سیارات منظومه شمسی اقمار زیادی دارند، می‌توانیم گمان ببریم که سیارات فراخورشیدی نیز قمر‌هایی دارند.

در سال 2014، دانشمندان جرمی را مشاهده کردند که می‌توانست به عنوان یک قمر فراخورشیدی که دور سیاره خود می‌گردد، تعریف شود؛ اما از آنجایی که چنین مشاهداتی را بدلیل عدم قرارگیری جرمی مشابه در برابر ستاره‌اش (پدیده گذر)، نمی‌توان مجددا تکرار کرد، امکان تعمیم این نتیجه برای همه‌ی سیارات فراخورشیدی میسر نیست.

 

بیشتر بخوانید:

• کرم چاله چیست؟
• دنباله دار چیست؟

.

منیع: Space