ماهواره چیست؟ از اولین ماهواره ها تا انواع ماهواره
مقدمه
احتمالاً برای همه شما این سوال پیش آمده است که چگونه به راحتی از راه‌های دور تماس تلفنی برقرار می‌کنید، چگونه از GPS برای پیدا کردن مسیر خود استفاده می‌کنید، یا اینکه سیگنال‌های تلویزیونی و ماهوارهای چطور کار می‌کنند؟ به کمک چه وسیله‌ای تصاویر مختلفی از سیاره زمین و فضا داریم؟
برای یافتن پاسخ این قبیل پرسش ها باید به سراغ ماهواره ها رفت! در این مقاله سعی می کنیم مهمترین پرسش های بشر در این رابطه را پاسخ دهیم. اینکه اصلا چرا ماهواره ها برای ما مهم هستند؟ چه کارهایی انجام می دهند؟ آیا ممکن نیست که آنها در فضا با یکدیگر برخورد کنند؟ راز حرکت و رمز سقوط نکردنشان در چیست؟
ماهواره؛ ساخته دست بشر یا طبیعت؟
ماهواره، جسمی است که به دور یک جسم بزرگ‌تر در فضا می‌چرخد و می‌تواند به دو دسته تقسیم شود: ماهوارههای طبیعی و ماهوارههای ساخته‌دست بشر. ماهوارههای طبیعی شامل اجرامی مانند ماه هستند که به دور زمین می‌چرخند، و زمین که به دور خورشید می‌چرخد. این ماهوارهها به‌طور طبیعی و بدون دخالت انسان در فضا وجود دارند و در نظام‌های طبیعی به طور طبیعی به دور یکدیگر می‌چرخند.
از سوی دیگر، زمانی که از “ماهواره” صحبت می‌شود، معمولاً منظور ، ساخته‌دست بشر است.
این ماهوارهها دستگاه‌هایی هستند که توسط انسان ساخته شده و به فضا پرتاب می‌شوند تا به دور زمین یا دیگر اجرام آسمانی بچرخند. ماهوارههای ساخته‌دست بشر برای مقاصد متعددی مانند عکس‌برداری از سیارات، ارسال سیگنال‌های تلویزیونی و تماس‌های تلفنی، و جمع‌آوری داده‌های علمی به کار می‌روند. با استفاده از این ماهوارهها، ما می‌توانیم اطلاعات زیادی درباره‌ی زمین، منظومه شمسی و کل جهان به دست آوریم و ارتباطات جهانی را به راحتی برقرار کنیم.
جالب است بدانید که زمین و ماه ما هم ماهواره هستند. ماهواره می‌تواند هر جسمی باشد که به دور یک سیاره، ستاره یا ماه می‌چرخد. مدار یک مسیر منظم و تکراری است که یک جسم در فضا به دور جسم دیگری طی می‌کند.
در منظومه شمسی ده‌ها ماهواره طبیعی وجود دارد و تقریباً هر سیاره حداقل یک قمر دارد. به عنوان مثال، زحل حداقل ۵۳ ماهواره طبیعی دارد و بین سال‌های ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۷ یک ماهواره مصنوعی نیز داشت به نام فضاپیمای کاسینی، که سیاره حلقه‌دار و قمرهای آن را کاوش می‌کرد.
تاریخچه مختصر ماهوارهها
پس از موفقیت اسپوتنیک ۱، در ۳ نوامبر ۱۹۵۷، شوروی ماهوارهای بزرگ‌تر به نام اسپوتنیک ۲ را به فضا پرتاب کرد که حامل یک سگ به نام لایکا بود. اولین ماهواره آمریکا، اکسپلورر ۱، در ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ به فضا فرستاده شد. این ماهواره تنها ۲ درصد از وزن اسپوتنیک ۲ بود و وزنی معادل ۱۳ کیلوگرم (۳۰ پوند) داشت.
اسپوتنیک‌ها و اکسپلورر ۱، آغازگر رقابت فضایی بین ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی بودند که حداقل تا اواخر دهه ۱۹۶۰ ادامه داشت. تمرکز بر ماهوارهها به عنوان ابزارهای سیاسی به تدریج جای خود را به سفر انسان به فضا داد، زیرا هر دو کشور در سال ۱۹۶۱ انسان به فضا فرستادند. اما در ادامه این دهه، اهداف دو کشور شروع به تفاوت کردند. در حالی که ایالات متحده به فرود آوردن انسان روی ماه و ساخت شاتل فضایی روی آورد، شوروی اولین ایستگاه فضایی جهان به نام سالیوت ۱ را در سال ۱۹۷۱ به فضا پرتاب کرد. (ایستگاه‌های دیگری نیز به دنبال آن ساخته شدند، مانند اسکای‌لب آمریکا و میر شوروی.)
لایکا، اولین سگ فضانورد، در ۳ نوامبر ۱۹۵۷ توسط شوروی به فضا پرتاب شد. او در اسپوتنیک ۲ قرار داشت و اولین موجود زنده‌ای بود که به مدار زمین رسید. لایکا یک سگ کوچک نژاد لایکا بود و این پرتاب نشان‌دهنده پیشرفتهای بزرگ در برنامه‌های فضایی شوروی بود. متأسفانه، لایکا در مدت کوتاهی پس از پرتاب در اثر حرارت و فشار زیاد در فضا جان باخت، اما سفر او به فضا نقش مهمی در پیشبرد برنامه‌های فضایی ایفا کرد و به تحقیقات درباره زندگی موجودات زنده در فضا کمک کرد.
اولین ماهوارههای فضایی چه بودند؟
اتحاد جماهیر شوروی اولین کشوری بود که ماهوارهای را به فضا پرتاب کرد. این ماهواره در در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ به فضا پرتاب شد و اسپوتنیک ۱ نام داشت. این رویداد بخش زیادی از جهان غرب را شگفت‌زده کرد، زیرا تصور می‌شد که شوروی توانایی فرستادن ماهواره به فضا را ندارد.
بسیاری از ماهوارههای ناسا دوربین‌ها و حسگرهای علمی حمل می‌کنند. آنها ممکن است اطلاعاتی درباره خشکی‌ها، هوا و آب زمین جمع‌آوری کنند یا داده‌هایی از منظومه شمسی و جهان به دست آورند.
بسیاری از ماهواره ها را ناسا به فضا فرستاده است که اولین آنها Explorer 1 در سال ۱۹۵۸ بود که اولین ماهواره ساخت دست بشر در آمریکا محسوب می‌شود. اولین تصویر ماهوارهای از زمین توسط ماهواره Explorer 6 ناسا در سال ۱۹۵۹ گرفته شد.
اعتبار: ناسا
اولین تصویر ماهوارهای از زمین است که در تاریخ 14 اوت 1959 توسط Explorer 6 ثبت شده است. این تصویر به نظر می‌رسد که فقط یک لکه تار است، اما نشان داد که ماهوارهها توانایی تغییر نحوه مشاهده مردم از زمین از فضا را دارند. از آن زمان، ماهوارهها در گرفتن تصاویر بسیار بهتر شده‌اند! منبع تصویر: مرکز فضایی کندی ناسا
چرا ماهوارهها مهم هستند؟
ماهوارهها در ارتفاع زیادی در آسمان پرواز می‌کنند، به همین دلیل می‌توانند مناطق وسیعی از زمین را به‌طور هم‌زمان مشاهده کنند. همچنین،چون بالاتر از ابرها و جو زمین در حال پرواز هستند، دید واضحتری به فضا دارند.
قبل از ماهوارهها، سیگنال‌های تلویزیونی نمی‌توانستند مسافت زیادی را طی کنند. سیگنال‌های تلویزیونی فقط به صورت خط مستقیم حرکت می‌کنند، بنابراین به جای دنبال کردن انحنای زمین، به فضا می‌رفتند. گاهی اوقات سیگنال‌ها توسط کوه‌ها یا ساختمان‌های بلند مسدود می‌شدند.
تماس‌های تلفنی به مکان‌های دوردست نیز مشکل بود. هزینه زیادی داشت و نصب سیم‌های تلفن در فواصل طولانی یا زیر دریا بسیار دشوار بود.
با وجود ماهوارهها، سیگنال‌های تلویزیونی و تماس‌های تلفنی می‌توانند به ماهواره فرستاده شوند و سپس ماهواره آنها را به نقاط مختلف زمین بازگرداند.
در گذشته، مسیریابی به دلیل نداشتن ابزارهای دقیق و پیشرفته، بسیار دشوار بود. به همین دلیل نیاز به ساخت دستگاه‌هایی مانند اسطرلاب احساس شد که به دریانوردان کمک می‌کرد تا با استفاده از موقعیت ستارگان، مسیر خود را تعیین کنند. اما دقت این ابزارها پایین بود و به مرور زمان، پیشرفتهای علمی و فناوری، نیاز به دقت بالاتری را به‌وجود آورد. این روند به توسعه ماهوارههای موقعیت‌یابی مانند GPS منجر شد که می‌توانند با دقت بسیار بالا، موقعیت دقیق کاربران را در هر نقطه از زمین تعیین کنند.
امروزه، ماهوارهها و GPS نه‌تنها برای ناوبری کشتی‌ها و هواپیماها، بلکه در تلفن‌های همراه و خودروها نیز به‌طور گسترده استفاده می‌شوند.
اعتبار: ناسا
اجزای یک ماهواره چیست؟
ماهوارهها در اشکال و اندازه‌های مختلفی ساخته می‌شوند. اما بیشتر آنها حداقل دو بخش مشترک دارند – یک آنتن و یک منبع تغذیه. آنتن برای ارسال و دریافت اطلاعات استفاده می‌شود. منبع تغذیه می‌تواند یک صفحه خورشیدی یا باتری باشد. صفحات خورشیدی با تبدیل نور خورشید به برق، انرژی تولید می‌کنند.
ولی به طور کلی هر ماهواره مصنوعی قابل استفاده چهار بخش اصلی دارد:
1- سیستم تأمین انرژی (که می‌تواند خورشیدی یا هسته‌ای باشد)
2- سیستم کنترل وضعیت (برای تنظیم و کنترل وضعیت ماهواره)
3- آنتن (برای ارسال و دریافت اطلاعات)
4- بار کاربردی (برای جمع‌آوری اطلاعات، مانند دوربین یا آشکارساز ذرات)
ناسا چگونه از ماهوارهها استفاده می‌کند؟
ماهوارههای ناسا نقشی حیاتی در جمع‌آوری اطلاعات مهم علمی دارند که به دانشمندان کمک می‌کند تا به درک عمیق‌تری از جهان پیرامون برسند. این ماهوارهها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند داده‌هایی از موضوعات متنوع را ارائه دهند، مانند وضعیت آب و هوا، اقیانوس‌ها، خشکی‌ها و لایه‌های مختلف جوی زمین. ماهوارههای ناسا به ردیابی و مشاهده‌ی رویدادهایی چون آتش‌سوزی‌های جنگلی، فوران‌های آتشفشانی و میزان دود و آلاینده‌ها در جو نیز می‌پردازند. این اطلاعات ارزشمند، نه تنها به پیش‌بینی وضعیت آب و هوا و بررسی تغییرات اقلیمی کمک می‌کند، بلکه به انسان‌ها در تنظیم سبک زندگی و مقابله با چالش‌های مختلف نیز یاری می‌رساند.
دانشمندان با استفاده از این اطلاعات می‌توانند الگوهای جوی و تغییرات اقلیمی را با دقت بیشتری پیش‌بینی کنند و به این ترتیب مردم را برای مقابله با شرایط غیرعادی جوی آماده کنند. این داده‌ها همچنین برای کشاورزان سودمند است، زیرا با توجه به این اطلاعات، کشاورزان می‌توانند تصمیم بگیرند که چه نوع محصولاتی را در هر فصل بکارند و چگونه مزارع خود را مدیریت کنند. در مواقعی که بیماری‌های مسری در حال گسترش هستند، داده‌های ماهوارهای می‌توانند به شناسایی مناطق پرخطر و مهار شیوع بیماری کمک کنند. در شرایط اضطراری، مثل سیل، زلزله، یا طوفان‌های شدید، این ماهوارهها می‌توانند سریعاً اطلاعات لازم را به مقامات محلی ارسال کنند و آنها را برای پاسخگویی بهتر و سریع‌تر آماده کنند.
علاوه بر همه اینها، ماهوارههای ناسا نه تنها به کاوش در زمین محدود نمی‌شوند، بلکه از ابزارهای پیشرفتهای برای مطالعه فضا نیز بهره می‌برند. این ماهوارهها به رصد و شناسایی اشعه‌های خطرناک خورشیدی که ممکن است به انسان‌ها و تجهیزات آسیب برسانند، پرداخته و راه‌حل‌هایی برای کاهش تاثیرات منفی آنها پیشنهاد می‌دهند. آنها همچنین به کاوش در جهان‌های دیگر مانند ستارگان، سیارات، سیارک‌ها و دنباله‌دارها مشغول هستند و اطلاعات بسیار مهمی در زمینه تکامل منظومه شمسی و کیهان به ما ارائه می‌دهند.
فاصله ماهوارهها با زمین چقدر است؟ از نزدیک‌ترین تا دورترین ها
مدارهای مختلفی در اطراف زمین وجود دارد که در آنها ماهوارهها فعالیت می‌کنند:
1- مدار نزدیک به زمین (LEO): این منطقه از حدود ۱۶۰ تا ۲,۰۰۰ کیلومتر (حدود ۱۰۰ تا ۱,۲۵۰ مایل) است. ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) و شاتل فضایی در این مدار قرار داشتند و بیشتر ماموریت‌های انسانی (به جز ماموریت‌های آپولو به ماه) در این منطقه انجام شده است. اکثر ماهوارهها نیز در این منطقه فعالیت می‌کنند.
2- مدار ثابت نسبت به زمین (GEO): این بهترین موقعیت برای ماهوارههای مخابراتی است و در بالای خط استوا در ارتفاع ۳۵,۷۸۶ کیلومتر (۲۲,۲۳۶ مایل) قرار دارد. در این ارتفاع، نرخ “سقوط” به دور زمین تقریباً برابر با چرخش زمین است، که به ماهواره اجازه می‌دهد تقریباً به طور مداوم بر روی یک نقطه ثابت از زمین باقی بماند. این وضعیت ارتباط پایدار با آنتن ثابت در زمین را امکان‌پذیر می‌کند. وقتی ماهوارههای ثابت به پایان عمر خود می‌رسند، طبق پروتکل باید از مدار خارج شوند تا ماهواره جدیدی جایگزین آنها شود، زیرا در این مدار تنها تعداد محدودی “فضا” وجود دارد.
3- مدار قطبی: این نوع مدارها از قطب به قطب در حال حرکت هستند و مناطق شمالی و جنوبی را پوشش می‌دهند. ماهوارههای جوی و شناسایی معمولاً در این مدارها قرار دارند.
چگونه از برخورد ماهوارهها با یکدیگر جلوگیری می‌شود؟
امروزه حدود نیم میلیون شیء مصنوعی در مدار زمین وجود دارد که از خرده‌های رنگ تا ماهوارههای کامل متغیر است و هر کدام با سرعت‌های هزاران مایل در ساعت حرکت می‌کنند. تنها بخشی از این اجسام قابل استفاده هستند و باقی‌مانده‌ها به عنوان “زباله فضایی” شناخته می‌شوند. با افزایش تعداد اجسام در فضا، احتمال برخوردها نیز بالا می‌رود.
چرا ماهوارهها نمی‌افتند؟ راز حرکت و مدار در فضا
چیزی که مانع از سقوط ماهواره به زمین می‌شود، سرعت و شتاب آن است.
یک ماهواره به‌طور کلی به عنوان یک جسم پرتابی در نظر گرفته می‌شود که تنها نیرویی که بر آن عمل می‌کند، نیروی جاذبه است. به طور تکنیکی، هر چیزی که از خط کارمان (Karman Line) در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری (۶۲ مایل) عبور کند، به عنوان فضای بیرونی در نظر گرفته می‌شود. با این حال، یک ماهواره باید با سرعتی حداقل ۸ کیلومتر (۵ مایل) در ثانیه حرکت کند تا از سقوط به زمین جلوگیری شود.
اگر ماهواره با سرعت کافی حرکت کند، به‌طور دائمی به سمت زمین “سقوط” می‌کند، اما انحنای زمین باعث می‌شود که به دور سیاره ما بیفتد و به سطح آن برخورد نکند. آنهایی که نزدیک‌تر به زمین در حال حرکت هستند، به دلیل اصطکاک مولکول‌های جوی که سرعت آنها را کاهش می‌دهد، در معرض خطر سقوط قرار دارند. ما‌هواره‌هایی که در مدارهای دورتر از زمین قرار دارند، با مولکول‌های کمتری مواجه می‌شوند.
نظارت بر مسیرهای مداری
آژانس‌های فضایی وقتی که چیزی به فضا پرتاب می‌شود باید مسیرهای مداری را با دقت بررسی کنند.
شبکه نظارت فضایی ایالات متحده (United States Space Surveillance Network) از زمین به نظارت بر زباله‌های مداری می‌پردازد و در صورتی که یک قطعه اشتباهی در معرض خطر برخورد با یک شیء حیاتی باشد، به ناسا و دیگر سازمان‌ها هشدار می‌دهد. این بدان معنی است که گاهی اوقات ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) نیاز به انجام مانورهای انحرافی برای جلوگیری از برخورد دارد.
برخوردهای فضایی
با وجود تلاش‌های بسیاری برای مدیریت زباله‌های فضایی، برخوردهای ناخواسته همچنان اتفاق می‌افتند و مشکلات بزرگی ایجاد می‌کنند. یکی از بزرگ‌ترین منابع زباله‌های فضایی به آزمایش ضد ماهوارهای چین در سال ۲۰۰۷ بازمی‌گردد. در این آزمایش، چین با از کار انداختن ماهوارهای قدیمی خود به صورت عمدی، حجم عظیمی از زباله‌های فضایی را در مدار زمین به وجود آورد. این زباله‌ها در طول سال‌ها به صورت تصادفی با دیگر اشیای فضایی و ماهوارهها برخورد کرده‌اند. به عنوان نمونه، در سال ۲۰۱۳ یکی از این زباله‌ها منجر به تخریب یک ماهواره روسی شد و قطعات بیشتری را به فضا اضافه کرد.
در سال ۲۰۰۹، دو ماهواره فعال Iridium 33 و Cosmos 2251 نیز که هر کدام در حال گردش در مدار خود بودند، با یکدیگر برخورد کردند. این برخورد به تولید ابری از زباله‌های فضایی منجر شد که به تهدیدی برای دیگر ماهوارهها و فضاپیماها تبدیل شده است. این برخورد که نخستین حادثه‌ی بزرگ بین دو ماهواره فعال در مدار بود، نشان داد که چگونه چنین تصادفاتی می‌توانند مشکلات زنجیره‌ای ایجاد کرده و باعث افزایش بی‌رویه‌ی زباله‌ها در مدار زمین شوند.
اقدامات برای کاهش زباله‌های فضایی
ناسا، آژانس فضایی اروپا و بسیاری از سازمان‌های دیگر در حال بررسی روش‌هایی برای کاهش میزان زباله‌های مداری هستند. برخی از این اقدامات شامل:
1- جمع‌آوری ماهوارههای مرده: یکی از پیشنهادات این است که ماهوارههای مرده به نحوی به زمین بازگردانده شوند. این ممکن است از طریق استفاده از شبکه‌ها یا انفجارهای هوایی برای اختلال در مسیر زباله‌ها و نزدیک کردن آنها به زمین انجام شود.
2- سوخت‌گیری ماهوارههای مرده: دیگران در حال بررسی امکان سوخت‌گیری ماهوارههای مرده برای استفاده مجدد هستند. این تکنولوژی که به صورت رباتیک بر روی ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) آزمایش شده، می‌تواند به کاهش زباله‌های فضایی کمک کند.
نتیجه گیری
ماهوارهها با طیف گسترده‌ای از خدمات و کاربردها، از جمله ارائه ارتباطات جهانی، نظارت بر تغییرات زیست‌محیطی، و مسیریابی دقیق GPS، نقشی بی‌بدیل در زندگی مدرن دارند و به بخشی حیاتی از زیرساخت‌های روزمره تبدیل شده‌اند. از نخستین پرتاب‌ها در دوران آغازین فناوری فضایی تا دستیابی به تکنولوژی‌های پیشرفته امروزی، این ابزارهای نوآورانه کمک شایانی به بهبود ارتباطات جهانی، پیش‌بینی‌های دقیق‌تر آب‌وهوایی، و توسعه برنامه‌های اکتشافات فضایی کرده‌اند. ماهوارهها به دانشمندان امکان مشاهده زمین از فاصله‌ای ایمن و گردآوری اطلاعاتی مهم در زمینه‌های مختلف علمی را داده‌اند و به‌ویژه در پیش‌بینی تغییرات اقلیمی و مدیریت بحران‌های زیست‌محیطی موثر بوده‌اند.
با وجود تمامی این پیشرفت‌ها، مسیر توسعه فناوری‌های مرتبط با ماهوارهها همچنان پر از چالش‌ها و فرصت‌های جدید است. ورود به عصر تازه‌ای از فناوری‌های فضایی با دسترسی به سیستم‌های ماهوارهای پیشرفته‌تر و کوچکتر، فرصت‌هایی جدید برای کاربردهای مختلف در حوزه‌های پزشکی، کشاورزی، حمل‌ونقل و حتی سرگرمی فراهم می‌کند. از ردیابی منابع طبیعی و حفظ محیط‌زیست گرفته تا توسعه نسل‌های جدیدی از اینترنت ماهوارهای که می‌تواند تمام نقاط زمین را به اینترنت پرسرعت متصل کند، آینده‌ای روشن و پر از نوآوری در انتظار این صنعت حیاتی است.
منابع
Joukowsky Institute, Brown University: “13 Things – space“
Amanda Barnett, NASA’s Jet Propulsion Laboratory for NASA’s Science Mission Directorate: “Basics of Space Flight – Section 1: Environment, Chapter 5: Planetary Orbits“
Astromaterials Research & Exploration Science, NASA: “The Orbital Debris Issue“
آیا از محتوای این مقاله راضی بودید؟
