ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) در بالای سر ما به دور زمین می‌چرخد، اما جاذبه زمین هرگز این مجموعه را از مدار خارج نمی‌کند و آن را در جو ما به شدت پایین می‌آورد، جایی که می‌سوزد.
در اینجا یک راز کوچک وجود دارد: ISS همیشه سقوط می کند! با این حال هرگز خراب نمی شود زمین یا در جو ما می سوزد. این چگونه ممکن است؟
معجزه آسا به نظر می رسد، اما یک پارادوکس یا جادو نیست، فقط نتیجه فیزیک خوب قدیمی است. همه چیز به این برمی گردد ایستگاه فضایی بین المللیسرعت مداری آن، ارتفاع آن از سطح زمین، و سرعتی که در آن در حال سقوط است جاذبه.
علم و ریاضیات پشت آنچه ایستگاه فضایی بین‌المللی را در مدار نگه می‌دارد به پدر نظریه گرانش، دانشمند انگلیسی قرن هفدهم برمی‌گردد. سر آیزاک نیوتن. نیوتن که به عنوان یک غرغرو شناخته می شود، احتمالاً طبق داستان قدیمی، با نشستن بیکار و خیال بافی زیر درختی در حالی که سیبی روی سرش افتاده بود، نظریه گرانش خود را ارائه نکرد. اما او سقوط سیب‌ها و برگ‌ها و چیزهای دیگر را تماشا می‌کرد و تعجب می‌کرد که چرا افتادند.
مرتبط: ایستگاه فضایی بین المللی: هر آنچه که باید در مورد آزمایشگاه در حال گردش بدانید
برای شروع، اجازه دهید آن سیب در حال سقوط را در نظر بگیریم. هنگامی که به شاخه آویزان می شود، ساکن است، بنابراین وقتی می افتد، جاذبه آن را مستقیماً به پایین می کشد. با این حال، فرض کنید سیب افتاده را بردارید و آن را مانند یک توپ پرتاب کنید. سیب مانند زمانی که ساکن بود مستقیماً به پایین نمی افتد. اکنون حرکتی افقی دارد که با گرانش رقابت می کند و منحنی رو به پایین به سمت زمین را دنبال می کند.
نیوتن از تشبیه گلوله توپی استفاده کرد که به صورت افقی پس از یک منحنی مشابه به سمت زمین شلیک شد. اندازه و شکل این منحنی به سرعت گلوله و میزان مقاومت هوا بستگی دارد. هرچه گلوله سریعتر و مقاومت هوا کمتر باشد، مسافت بیشتری را طی می کند و زاویه انحنای گلوله به سمت زمین کمتر می شود.
بنابراین نیوتن این نظریه را مطرح کرد که اگر یک گلوله توپ به صورت افقی از یک قله کوه به اندازه کافی بلند، جایی که هوا رقیق بود، و با سرعت کافی شلیک شود، آنگاه منحنی رو به پایین گلوله توپ تحت گرانش با انحنای زمین مطابقت خواهد داشت. به دنبال این منحنی بدون از دست دادن ارتفاع به سقوط خود ادامه می دهد زیرا سیاره در همان زمان از آن منحنی می کند. دانشمندان نیرویی را که بر یک جسم وارد می کند تا آن را در مسیری منحنی دنبال کند، نیروی مرکزگرا می نامند که همیشه به سمت مرکز انحنای حرکت می کند.
ارتفاع و سرعت
این فرضیه ای است که باعث می شود ایستگاه فضایی بین المللی با خوشحالی در بالای سر در گردش باشد. این تعادل بین نیروی مرکزگرای هدایت شده به سمت مرکز زمین و نیروی گرانش زمین است که دائماً باعث می شود ایستگاه فضایی بین المللی در اطراف مسیر منحنی خود تحت شتاب گرانشی قرار گیرد. سرعت سقوط ایستگاه فضایی بین‌المللی در حالی که مسیر منحنی خود را دنبال می‌کند برابر است با سرعتی که سطح منحنی زمین در زیر آن می‌افتد.
این تعادل با ترکیب معینی از ارتفاع و سرعت مداری به دست می آید. ایستگاه فضایی بین‌المللی در ارتفاع حدود 402 کیلومتری یا 250 مایلی مدار می‌چرخد (به زودی توضیح می‌دهیم که چرا آن را «حدود» توصیف می‌کنیم) و با سرعت 7.6 کیلومتر (4.7 مایل) در ثانیه حرکت می‌کند که سرعت مورد نیاز در آن ارتفاع است. برای ادامه مسیری که مطابق با انحنای زمین است. اگر ایستگاه فضایی بین‌المللی در ارتفاع بالاتری به دور زمین می‌چرخید، برای حفظ سرعت انحنای سقوط خود، نیازی به سفر با این سرعت نداشت. اگر ایستگاه فضایی بین المللی در ارتفاع پایین تری قرار داشت، برای جلوگیری از سقوط باید سریعتر حرکت می کرد جو زمین و سوزاندن
با این حال، برخی از عوارض وجود دارد که به این معنی است که ایستگاه فضایی بین‌المللی را نمی‌توان به طور نامحدود به حال خود رها کرد – در نهایت اگر ما مداخله نکنیم، دوباره در جو سقوط می‌کند و می‌سوزد. به این دلیل که حتی در فاصله 402 کیلومتری از سطح، ISS هنوز در جو زمین است، البته در قسمت بسیار نازکی از جو به نام ترموسفر. ترموسفر چگالی بسیار کمی دارد، به این معنی که مولکول های جو کمیاب هستند، اما هنوز به اندازه کافی برای مقاومت در برابر حرکت ایستگاه فضایی بین المللی و ایجاد کشش کافی برای کاهش سرعت آن وجود دارد. این امر باعث می شود ایستگاه فضایی حدود 5 سانتی متر (2 اینچ) در ثانیه کاهش یابد و هر روز حدود 100 متر (328 فوت) ارتفاع از سطح زمین را از دست بدهد.
به همین دلیل است که گفتیم ارتفاع مداری ایستگاه فضایی بین المللی “حدود” 402 کیلومتر است، زیرا دائماً در حال از دست دادن ارتفاع است. هر ماه یا بیشتر، ایستگاه فضایی بین‌المللی باید پیشرانه‌های خود را شلیک کند تا آن را به ارتفاع مداری مورد نظر خود برگرداند. اگر ایستگاه فضایی بین المللی راهی برای بالا بردن مدار خود نداشت، در نهایت در ژرفای اتمسفر سقوط می کرد و در نهایت به عنوان یک فضای عظیم می سوخت. شهاب سنگ.
مرتبط: ایستگاه فضایی بین المللی در نهایت در آتش خواهد مرد
چرا ISS در نهایت خواهد سوخت؟
با این حال، یک روز، ما مجبور خواهیم شد ایستگاه فضایی بین المللی را رها کنیم – و آن روز نسبتاً زود فرا می رسد. ساخت ایستگاه فضایی در سال 1998 آغاز شد. و قدیمی‌ترین بخش‌های ایستگاه فضایی بین‌المللی اکنون بیش از ربع قرن قدمت دارند و با افزایش سن شروع به ترکیدن می‌کنند. ظرف چند سال، ایستگاه فضایی بین‌المللی عمر مفید خود را از دست خواهد داد و پس از رها شدن، چیزی برای نگه داشتن آن در ارتفاع مناسب وجود نخواهد داشت.
اندازه عظیم ایستگاه فضایی بین‌المللی که 109 متر طول و 73 متر (239 فوت) عرض دارد، به این معنی است که خیلی خطرناک است که بتوان به تنهایی به جو سقوط کرد: اگرچه بیشتر آن می‌سوزد. در بالا، تکه های قابل توجهی از زباله های ایستگاه فضایی بین المللی ممکن است روی زمین، احتمالاً در یک منطقه قابل سکونت، ریخته شود.
بنابراین برنامه این است که ISS باشد عمداً از مدار خارج شده است در سال 2031 بر فراز منطقه ای دورافتاده از اقیانوس آرام به نام “قبرستان سفینه های فضایی“A فضاپیمای یدک کش در سال 2030 آغاز خواهد شد و سوار ISS خواهد شد. تا این زمان، آخرین خدمه ایستگاه فضایی بین‌المللی را ترک کرده و چراغ‌ها را خاموش کرده‌اند. یدک کش فضایی که مانند یک قلاب به ایستگاه فضایی بین المللی متصل شده است، منتظر خواهد بود 12 تا 18 ماهگی به طور طبیعی ارتفاع ایستگاه فضایی بین المللی را از 402 کیلومتر به 220 کیلومتر (140 مایل) کاهش دهد. سپس این یدک‌کش موتورهای خود را به کار می‌اندازد و ایستگاه فضایی بین‌المللی را حتی به پایین‌تر می‌کشد، تا 150 کیلومتر (93 مایل). سوختن نهایی موتور سپس ایستگاه فضایی را به درون مزوسفر، که لایه جو زمین در زیر ترموسفر است، پایین می آورد.
مزوسفر چگال تر از ترموسفر است و در مزوسفری قرار دارد که در آن شهاب سنگ ها از سوزاندن فضا – وقتی ستاره تیراندازی را می‌بینیم، ذره‌ای از غبار فضایی است که در مزوسفر می‌سوزد و بین 50 تا 80 کیلومتر (31 و 50 مایل) بالاتر از ما قرار دارد. (همچنین، ابرهای شبانه یا “درخشش در شب”. مشاهده شده در طول ماه های تابستان در مزوسفر تشکیل می شود.)
اشیا در مزوسفر می سوزند زیرا انرژی حاصل از اصطکاک بین جسمی که در مزوسفر می افتد و مولکول های موجود در مزوسفر است. شهاب‌ها معمولاً به دلیل کوچک بودن کاملاً می‌سوزند. برای زنده ماندن از عبور از میان کره و رسیدن به سطح به عنوان یک قطعه بزرگ از سنگ فضایی لازم است شهاب سنگ (و حتی پس از آن بیشتر آن سوخته است).
همانطور که دیدیم، ایستگاه فضایی بین‌المللی بسیار بزرگ است و بخش‌های بزرگی از آن از سقوط آتشین در میان کره دست نخورده جان سالم به در خواهند برد. بنابراین، وظیفه یدک کش فضایی این خواهد بود که ایستگاه فضایی بین المللی را به سمت جوی بالای قبرستان فضاپیما، در دورترین نقاط اقیانوس آرام، جایی که هرگونه زباله دور از خشکی، خطوط دریایی و مسیرهای پرواز هواپیما به داخل آب می پاشد. هر بخش از ایستگاه فضایی بین‌المللی که از ورود مجدد جوی جان سالم به در ببرد، به ته اقیانوس فرو می‌رود و دیگر هرگز دیده نمی‌شود.
