اكتشف الفيزيائيون كيف يغير إطلاق Falcon 9 الغلاف الجوي

مع انخفاض تكلفة إطلاق صاروخ في الفضاء ، فإن عدد عمليات إطلاق الصواريخ ينطلق. في العام الماضي ، نجحت الحكومات والشركات في جميع أنحاء العالم أطلقت 133 صاروخا في المدار ، محطمًا رقمًا قياسيًا دام 45 عامًا.

لكن هناك مشكلة. يتطلب التحرر من جاذبية الأرض صاروخًا لإطلاق كمية هائلة من الطاقة في فترة زمنية قصيرة. عندما يغادر صاروخ الأرض ، فإنه ينتج عادم ساخن يغير فيزياء وكيمياء الغلاف الجوي أثناء مروره. في ورق نشرت الثلاثاء في المجلة المحكمة فيزياء السوائلقام اثنان من علماء الفيزياء بمحاكاة إطلاق صاروخ SpaceX Falcon 9 وهو ينفجر في الفضاء.

وجدوا عدة أسباب للقلق.

البصمة الكربونية ليست هي المشكلة

الصواريخ ليست مسؤولة عن وضع هذا القدر من الأهمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يحرق الإطلاق النموذجي نفس كمية الوقود تقريبًا التي تحرقها رحلة تجارية تستغرق يومًا واحدًا ولكنها تنتج سبعة أضعاف كمية ثاني أكسيد الكربون2 – ما بين 200 و 300 طن – كطائرة ركاب. هذا كربون أكثر بكثير مما يفعله الشخص العادي تولد في حياتهم، ولكنه خطأ في التقريب مقارنةً بـ 900 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون2 كانت صناعة الطيران تقذف سنويًا قبل انتشار الوباء.

لكن هذه ليست القصة الكاملة. “نحن لا نهتم بالبصمة الكربونية للصاروخ. هذا غير ذي صلة ، ” يقول الباحث مارتن روس. بالنسبة له ، الجسيمات الموجودة في عادم الصواريخ – بالأساس الألومينا والكربون الأسود – هي التي تهم حقًا. تنتشر هذه الجسيمات وتمتص ضوء الشمس. يقول روس “إنهم يغيرون درجة حرارة ودوران الستراتوسفير”.

لسوء الحظ ، لا يمتلك العلماء سوى فهم ضعيف للتأثير البيئي الإجمالي لإطلاق الصاروخ. “المستوى الحالي للبيانات حول انبعاثات الصواريخ لا يزود الباحثين بمعلومات كافية لتقييم تأثير عمليات الإطلاق على البيئة العالمية بشكل كامل ،” يقول روس.

READ  تم تسمية حفرية أسلاف الحبار مصاص الدماء باسم بايدن

تأثير انبعاثات الكربون العالية في الغلاف الجوي غير مؤكد

يعمل الباحثون الذين يقفون وراء الدراسة الجديدة على إبراز المشكلة بشكل أكثر حدة من خلال نمذجة العادم من الفتحات التسعة لصاروخ فالكون 9 أثناء إطلاقه في الفضاء. تتضمن عمليات المحاكاة هذه بيانات حول الصاروخ والوقود الدافع (RP-1) مع المعادلات التي تصف كيف تتصرف الغازات في ظل ظروف مختلفة. بفضل بعض القوة الحاسوبية الجادة ، تمكن الباحثون من التنبؤ بسلوك العادم بعد الخروج من الفتحات ، على ارتفاعات تقارب 0.6 ميل (1 كم) في الارتفاع.

قام الباحثون بتحليل الإطلاق من خلال مقارنة حجم العادم المنطلق خلال كيلومتر واحد من السفر لأعلى عبر نطاق معين من الغلاف الجوي (على سبيل المثال بين 2 كم و 2.99 كم) مع خصائص الغلاف الجوي عند هذا الارتفاع المحدد. كان عليهم أن يتبنوا هذه الطريقة المربكة إلى حد ما لأن التركيب الفيزيائي والكيميائي للغلاف الجوي يختلف على ارتفاعات مختلفة.

ووجدوا أن كمية العادم الكلي “ضئيلة” مقارنة بالهواء المحيط بها ، حتى على ارتفاعات عالية. هذه مفاجأة لأن الغلاف الجوي أقل كثافة بكثير في الارتفاعات العالية. وفقًا لحساباتهم ، فإن كمية العادم التي تطلقها فالكون 9 أثناء انتقالها بين 70 كيلومترًا و 70.99 كيلومترًا (حوالي 43 ميلًا) تساوي واحدًا على أربعة عشر كمية الكتلة الموجودة في كيلومتر مكعب واحد (حوالي 0.25 ميل)3) من الهواء على هذا الارتفاع. (ينقل هذا الخط الأزرق في الرسم البياني أدناه).

مقدار الكتلة الموجودة في كيلومتر مكعب من العادم مقارنة بالهواء المحيط.

ماذا لا لا يكاد يذكر هو كمية ثاني أكسيد الكربون2 أن فالكون 9 يدخل إلى مستويات أعلى من الغلاف الجوي أثناء مروره (يمثله الخط الأحمر المنقط في الشكل أعلاه). بمجرد أن يتجاوز ارتفاعه 27 ميلاً (43.5 كم) ، يبدأ الصاروخ في إطلاق أكثر من كيلومتر مكعب من ثاني أكسيد الكربون.2 لكل كيلومتر يصعده. بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى 43.5 ميلاً (70 كم) ، تطلق فالكون 9 أكثر من 25 ضعف كمية ثاني أكسيد الكربون2 وجدت في كيلومتر مكعب من الهواء على هذا الارتفاع.

READ  يمكن استخدام التربة القمرية لتوليد الأكسجين والوقود لرواد الفضاء على القمر

وعادم الصواريخ يحتوي على أكثر من الكربون

إنه أكثر من ثاني أكسيد الكربون. “ربما يكون الأمر الأكثر أهمية هو أن [amount of] أول أكسيد الكربون (CO) والماء (H2O) [in rocket exhaust] ذات ترتيب مشابه لثاني أكسيد الكربون ، “يكتب المؤلفون. هذا مصدر قلق لأنه لا يكاد يكون هناك أي أول أكسيد كربون أو ماء مرتفع في الغلاف الجوي.” لذلك ، فإن انبعاثات هذه المركبات على ارتفاعات عالية تقدم مساهمة / ارتفاعًا أكثر أهمية في كميات التتبع الموجودة ، إن وجدت ، موجودة بالفعل “.

يتجمد بخار الماء على الفور عند هذا الارتفاع ، لكن ليس لدى الباحثين أي فكرة عن مكان بلورات الجليد هذه. يتفاعل أول أكسيد الكربون مع الهيدروكسيد (OH) لتكوين المزيد من ثاني أكسيد الكربون2. اكتشف الباحثون أيضًا أن انبعاثات العادم الخطيرة التي تسمى أكاسيد النيتروجين الحرارية (NOx) يمكن أن تبقى لفترة طويلة في الأنهار الحارة قبل أن تنتشر في جميع أنحاء الغلاف الجوي ، خاصة على ارتفاعات منخفضة.

https://www.youtube.com/watch؟v=3Yui6C8ZFZ4

المستقبل غير مؤكد ، لكن الباحثين والمنظمين ينتبهون لذلك

مع أكثر من 100 عملية إطلاق فقط في السنة ، يقول البعض أن التلوث الناجم عن الصواريخ ليس مشكلة. “إحدى الحجج التي استخدمها الناس في الماضي هي القول إننا لا نحتاج حقًا إلى الاهتمام بالصواريخ أو صناعة الفضاء ، أو أن صناعة الفضاء صغيرة ، وستظل دائمًا صغيرة ،” يقول روس.

لا يوافق. “أعتقد أن التطورات التي نشهدها في السنوات القليلة الماضية تظهر أن … الفضاء يدخل مرحلة النمو السريع للغاية مثل الطيران الذي شهده في العشرينات والثلاثينيات.”

يشعر المؤلفون الذين يقفون وراء الدراسة الجديدة بنفس الشعور. وكتبوا: “نعتقد أن مشكلة تلوث الغلاف الجوي الناجم عن إطلاق الصواريخ أمر حيوي ويجب معالجته بشكل مناسب لأن الرحلات الفضائية التجارية ، على وجه الخصوص ، من المتوقع أن تزداد في المستقبل”.

READ  تم السماح برحلة رائد فضاء خاصة من طراز Ax-1 تابعة لشركة SpaceX للإطلاق في انتظار اختبار صاروخ القمر Artemis 1 التابع لناسا

أصبحت مشكلة التلوث من الصواريخ تدريجيًا أكثر وضوحا ، ويتم التعامل معها بجدية في الأماكن المرتفعة. في وقت لاحق من هذا العام ، ستصدر المنظمة العالمية للأرصاد الجوية وبرنامج البيئة التابع للأمم المتحدة تقريرًا جديدًا يلخص كيف تؤدي انبعاثات الصواريخ إلى استنفاد طبقة الأوزون. مع أي حظ ، فإن هذا الاهتمام سوف يتسبب في أن يصبح تلوث الغلاف الجوي عاملاً رئيسياً في تصميم صواريخ المستقبل.

تصحيح: نسخة سابقة من هذه المقالة بشكل غير صحيح تفيد بأن الإطلاق يطلق نفس كمية ثاني أكسيد الكربون تقريبًا2 كرحلة ليوم كامل. في الواقع ، يحرق الإطلاق النموذجي نفس كمية الوقود التي تحرقها رحلة تستغرق يومًا واحدًا ، ولكنها تنتج ما يقرب من سبعة أضعاف ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.