أزمة نهاية العمر الافتراضي للأقمار الصناعية

وبحسب قانون نيوتن الأول للحركة، ويعرف أيضا بالقصور الذاتي، فإن أي جسم يظل متحركا في خط مستقيم ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، لكن بتناغم تلك الحركة المستمرة مع قوة الجاذبية، يصبح مسار القمر في خط منحن وليس مستقيما، والنتيجة النهائية أن القمر يتحرك في مداره حول الأرض، فلا يسقط بسبب حركته. في نفس الوقت، لا يهرب، بفعل الجاذبية، وهنا يتحقق التوازن المطلوب بين القصور الذاتي والجاذبية، ويدور القمر في مداره حول الأرض منذ مليارات السنين، مؤنسا للمسافرين وهواة الفلك.

وعلى المبدأ الفيزيائي نفسه لحركة القمر حول الأرض، ذهب الإنسان ليطلق القمر الصناعي، محاكيا القمر الطبيعي، لكن لأغراض أخرى مثل بث القنوات التلفزيونية والإنترنت والاتصالات بصورة عامة، إضافة إلى تصوير الأرض من الفضاء ومراقبة التغيرات الحاصلة على مدار الزمن في النظم البيئية المختلفة، مثل متابعة الغابات والزراعة والتصحر والتلوث وغيرها، كما تساعد الأقمار الصناعية من خلال البيانات التي تقدمها في التبنؤ بالطقس والملاحة الجوية أو البحرية. من جانب آخر، تستخدم الأقمار الصناعية في الأغراض العسكرية، مثل تأمين الحدود والاستطلاعات العسكرية.

لكن، هل يمكن نقل القوانين النظرية إلى الجانب العملي وإطلاق قمر صناعي فعلا بدون أن يسقط؟ كان هذا السؤال المحير الذي بسبب غموض إجابته، حبست الأنفاس عند إطلاق "سبوتنيك 1"، إذ كانت هناك مخاوف من عدم تحقيق الخطة إلى نهايتها أو يقع القمر الصناعي قبل أن يصل إلى مداره، لكن ما حدث هو العكس، وحقق الاتحاد السوفياتي انتصارا معنويا في أثناء الحرب الباردة بنجاح مهمة "سبوتنيك 1".

فقد كان هذا القمر الصناعي بمثابة تفوق صاروخي للاتحاد السوفياتي، إذ لم يكن غرض موسكو إثبات تفوقها التكنولوجي فحسب، بل أيضا اختبار الصواريخ البعيدة المدى، فالصاروخ الذي حمل القمر الصناعي، يمكن استخدام تقنيته في الصواريخ البالستية العابرة للقارات، وهذا تحديدا ما أثار قلق الولايات المتحدة.

لكن المحير للعلماء كان كيفية نقل القمر الصناعي إلى مدار الأرض في ظل الجاذبية، وحصلوا على الإجابة قبل ذلك من العالم والرياضي الروسي الأصل قسطنطين تسيولكوفسكي، الذي غالبا يما شار إليه بأنه "أبو علم الفضاء ورحلات الفضاء البشرية"، وعاش في روسيا بين عامي 1857 و1935، وله الكثير من الإضافات والأعمال في مجال السفر إلى الفضاء وقد اقترح أنه يجب استخدام صاروخ متعدد المراحل يعمل بالأوكسيجين والهيدروجين السائلين لرفع القمر الصناعي إلى المدار.

حطام الفضاء

يجدر بالذكر أيضا أن تسيولكوفسكي وضع "معادلة تسيولكوفسكي للصواريخ"، وعلى الرغم من أن أفكاره لم تنفذ على أرض الواقع أثناء حياته، إلا أنها كانت ملهمة للمهندسين الروس في حقبة الخمسينيات، خاصة المهندس الروسي سيرغي كورول الذي اعتمد على مبادئ تسيولكوفسكي لتصميم صواريخ قادرة على الوصول إلى الفضاء، وهنا تجب الإشارة إلى أن هوية كورول ظلت غامضة حتى وفاته، حفاظا على سرية البرنامج العسكري للاتحاد السوفياتي، وكان معروفا للإعلام باسم "المصمم الرئيس".

من ذلك، يمكن القول إن الصاروخ يقوم بمهمة حمل القمر الصناعي إلى مداره بسرعة كبيرة تمنع تأثير الجاذبية أو الهواء في الغلاف الجوي.

واليوم صار مدار الأرض مملوءا بالأقمار الصناعية المعطلة والحطام الفضائي، مما يؤثر سلبا على مهمات الفضاء الحالية أو المستقبلية، وقد ازداد بالفعل إطلاق المركبات الفضائية اليوم، لذلك ازدادت الحاجة إلى الحد من الحطام الفضائي، ويشير "تقرير وكالة الفضاء الأوروبية لعام 2025 حول البيئة الفضائية"، إلى أن هناك أكثر من 1.2 مليون قطعة من الحطام الفضائي يزيد حجمها على 1 سم تدور حول الأرض، إضافة إلى ما يزيد على 100 مليون قطعة يزيد حجمها على 1 مم، وتتحرك تلك الشظايا بسرعة تصل إلى 7.6 كيلومترا في الثانية، وهذا يشكل خطرا على الأقمار الصناعية الموجودة في المدار.

وهذا يزيد المخاوف حول "متلازمة كيسلر"، وهي سيناريو اقترحه دونالد كيسلر، عالم أميركي متخصص في مدارات الأقمار الصناعية وحطام الفضاء، وقدم فكرة متلازمة كيسلر في ورقة نشرها عام 1978 في "جورنال أوف جيوفيزيكال ريسرش: سبيس فيزيكس" التي أشارت إلى أن ازدياد أعداد الأقمار الصناعية في مدار الأرض، يزيد احتمالية تصادمها، وتنتج من هذا التصادم شظايا تدور في المدار نفسه، وتستمر التصادمات هكذا دواليك، وقد ينتهي الأمر إلى تكوين حزام من الحطام حول الأرض، على غرار حزام الكويكبات الواقع بين كوكبي المريخ والمشتري، الذي يحتوي على ملايين من الأجرام السماوية التي تجمعت معا لتشكيل ذلك الحزام. اقترح كيسلر في ورقته منذ ذلك الحين تطبيق قيود لتأخير تشكيل ذلك الحزام المحتمل من حطام الفضاء حول الأرض.

في النهاية، يظل القمر الصناعي مجرد آلة، لها عمر افتراضي مثل أي آلة من صنع الإنسان، خاصة أنه يعمل في بيئة قاسية ويتعرض لفترات طويلة للأشعة الكونية. وعادة يتراوح متوسط عمر القمر الصناعي من 5 إلى 15 سنة. لكن السؤال الأهم هو: ماذا يحدث عند انتهاء هذا العمر الافتراضي؟

في الواقع، هناك سيناريوهات عدة للتعامل مع القمر الصناعي بعد انتهاء مهمته. أحد أبرزها هو إعادة إدخاله إلى الغلاف الجوي، حيث يقوم المهندسون بخفض مداره تدريجيا حتى يصل إلى الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي للأرض، فيحترق ويتفتت إلى أجزاء صغيرة قبل أن تصل إلى سطح الأرض. وتُستخدم هذه الطريقة غالبا مع الأقمار الصناعية القريبة من الأرض.

أما في حالة الأقمار الصناعية البعيدة، فيستخدم ما يعرف بمدار المقبرة. وهو مدار خاص يتم إرسال القمر الصناعي إليه بعد انتهاء مهمته، ويقع على ارتفاع أعلى من المدار الجغرافي المتزامن بنحو 300 إلى 400 كيلومتر. يهدف هذا الإجراء إلى تجنب الاصطدام بالأقمار الصناعية الأخرى، وإفساح المجال لإطلاق أقمار جديدة. ويذكر أن المدار الجغرافي المتزامن هو مدار يدور فيه القمر الصناعي حول الأرض على ارتفاع يقارب 36 ألف كيلومتر.

مع ذلك، تعد "إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي" الطريقة الأكثر شيوعا للتخلص من الأقمار الصناعية عند انتهاء عمرها الافتراضي. لذلك، يتم تصميم غالبية الأقمار الصناعية على مبدأ "التصميم من أجل الزوال" بحيث يحترق القمر الصناعي بالكامل عند إعادة دخوله الغلاف الجوي، والهدف من ذلك التصميم هو تقليل احتمالية سقوط الحطام على الأرض، مما يقلل خطر إصابة البشر.

قد يبدو هذا المبدأ مثاليا، لكن الحقيقة أن هناك ضريبة مرتفعة، إذ يطلق احتراق الأقمار الصناعية في الغلاف الجوي شظايا قد تصل إلى سطح الأرض، مما يشكل خطرا على السلامة العامة وقد يؤدي بشكل غير مباشر إلى آثار صحية، أو يلحق ضررا بالممتلكات الثمينة على الأرض. إضافة إلى المعادن والجزيئات التي يطلقها احتراق الأقمار الصناعية في طبقات الجو العليا، مما قد يؤثر سلبا على طبقة الأوزون، وقد يصل الأمر إلى إحداث ثقب آخر في طبقة الأوزون من خلال غازات ومركبات تفاعلية قادرة على إحداث تغييرات في طبقة الأوزون والمناخ، مثل أكاسيد النيتروجين والألومينا.

تجدر الإشارة إلى موجة الصدمة التي تحدث حول المركبة أثناء إعادة الدخول الأقمار الصناعية إلى الغلاف الجوي، وتحدث الصدمة عندما يتحرك جسم بسرعة أكبر من سرعة الهواء، وفي حالة الأقمار الصناعية، فإنها تتحرك بسرعة تقترب من 8 كيلومترات في الثانية، في حين أن سرعة موجات الصوت تبلغ 343 مترا في الثانية تقريبا. ومن ذلك، يتضح أن سرعة الأقمار الصناعية أكبر من سرعة الصوت 20 مرة. إضافة إلى ذلك، ينضغط الهواء وترتفع درجات الحرارة نتيجة الطاقة الحركية، فتحدث تغيرات كبيرة في طبيعة الهواء فجأة.

ومع الحرارة المرتفعة، ينتج من تلك الصدمة اندماج ذرات الأوكيسجين والنيتروجين الموجودة، فتتكون أكاسيد النيتروجين، عبر ما يسمى "آلية زيلدوفيتش"، وتتفاعل أكاسيد النيتروجين المتكونة مع جزيئات الأوزون، مما قد يتسبب في ثقب آخر للأوزون، إذ يتأثر عمود الأوزون. وبحسب دراسة منشورة في دورية "إيرثس فيوتشر" عام 2016، تتسبب إعادة الدخول المركبات الفضائية الى الغلاف الجوي في فقدان نحو 0.5% من متوسط عمود الأوزون على مستوى العالم، بينما تتجاوز خسائر العمود في المناطق القطبية 2%. وتشير التقديرات إلى أن ما يصل إلى 40% من طاقة كتلة المركبة الفضائية تتحول إلى أكاسيد النيتروجين أثناء دخولها الغلاف الجوي، مما يزيد التهديدات اللاحقة بطبقة الأوزون.

أما بالنسبة للألومينا -أكسيد الألومنيوم- فتنتج من المركبة الفضائية نفسها، حيث يفضل مصممو المركبات الفضائية مادة الألومنيوم، لأن درجة انصهاره منخفضة، مما يسهل احتراقه في الغلاف الجوي. لكن عند احتراق الألومنيوم، تنتج الألومينا التي تتراكم في طبقة الستراتوسفير على ارتفاع 20 كيلومترا، وهي الطبقة التي تضم طبقة الأوزون، ويترتب على ذلك بعض التأثيرات السلبية على أنماط الطقس وطبقة الأوزون، إذ تشكل جزيئات الألومنيا سطحا تفاعليا لتنشيط الكلور، علما بأن الكلور هو العدو اللدود لجزيئات الأوزون، إذ تتفاعل ذرات الكلور مع جزيئات الأوزون، فيتحول الأوزون إلى أوكسيجين، ويدخل الكلور في سلسلة من التفاعلات المتسلسلة بعد ذلك، محولا الأوزون إلى أوكسيجين، وهذا يؤدي إلى ما يسمى بـ"استنزاف الأوزون".

يذكر أن "بروتوكول مونتريال"، وضع هدفا منذ اعتماده عام 1987 للتخلص التدريجي من المواد المستنفدة للأوزون، مثل مركبات الكلورفلوروكربون ومركبات الهيدروكلوروفلوروكربون التي تحتوي على كلور.

من جانب آخر، تتسبب جزيئات الألومينا في إحداث تأثيرات مبردة على الطبقات السفلى في الغلاف الجوي، بينما تحدث تأثيرات مدفئة على الطبقات العليا منه، مما يتسبب في نهاية المطاف في اضطرابات في أنماط الطقس.

وتشير النماذج إلى احتمال زيادة الألومينا في الطبقات العليا من الغلاف الجوي بنسبة 650% في أثناء العقود القادمة، وتترتب على ذلك عواقب غير معروفة بعد، سواء على المناخ أو طبقة الأوزون نفسها.

التصميم من أجل البقاء

ناقشت دراسة منشورة في دورية "أكتا أسترونوتيكا" في نوفمبر/تشرين الثاني 2025، تلك المعضلة، واقترحت أن "مبدأ التصميم من أجل البقاء" قد يكون أكثر فعالية، لكن بشروط وتكلفة أعلى.

مبدأ التصميم من أجل البقاء، هو فلسفة تصميمية لضمان عدم تحلل جسم القمر الصناعي عند دخوله الأرض مرة أخرى، إذ يقوم المهندسون بتصميمها بحيث تبقى متحدة عمدا أثناء عملية خروجها من المدار، بحيث تهبط في مناطق معينة على الأرض، مثل المحيط الهادئ، بدون أي خطر على البنية التحتية أو السكان. وعلى الرغم من أن تلك الطريقة يتم التحكم فيها، إلا أنها تأتي بتكاليف إضافية، فقد يتطلب الأمر زيادة في وزن الأقمار الصناعية لضمان بقائها سالمة عند دخولها الغلاف الجوي، كما ستكون هناك حاجة إضافية للوقود، لدعمها حتى تستطيع الوصول إلى نقطة دخول آمنة.

وعلى الرغم من الجهود التي تبذلها الشركات والجهات المعنية بتصنيع الأقمار الصناعية، إلا أن المخاطر المرتبطة بنهاية العمر الافتراضي للأقمار الصناعية لا تزال قائمة، فلا يوجد حل صحيح بنسبة مئة في المئة، لكن المؤكد أن تقييمات الأثر البيئي والسلامة العامة يجب أن تأتي في رأس أولويات المصنعين.