آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (LLNL) در مطالعهای گسترده با بهرهگیری از ابررایانهها، یک شبیهسازی پیشرفته انجام داد که در آن یک میلیون مدار نظری ماهوارهای در ناحیه میان زمین و ماه مورد بررسی قرار گرفت. این محدوده که در ادبیات فضایی با عنوان فضای «سیسلونار» شناخته میشود، به دلیل پیچیدگیهای گرانشی و پویاییهای مداری، یکی از چالشبرانگیزترین مناطق برای استقرار ماهوارهها به شمار میآید. نتایج این پژوهش نشان داد که کمتر از ۱۰ درصد این مدارهای فرضی توانستند در طول شش سال مشاهده، پایداری خود را حفظ کنند. این یافته بیانگر آن است که استقرار ماهوارهها فراتر از مدار نزدیک زمین با دشواریهای جدی همراه است و نیازمند راهکارهای علمی دقیق و برنامهریزیهای پیشرفته خواهد بود.
با این حال، از میان یک میلیون مدار بررسیشده، پژوهشگران موفق شدند ۹۷ هزار مدار را بهعنوان گزینههای عملیاتی شناسایی کنند؛ مدارهایی که میتوانند مبنای انتخاب مسیرهای مناسب برای مأموریتهای آینده فضایی قرار گیرند. این رقم در نگاه نخست شاید درصدی اندک به نظر برسد، اما در مقیاس عملیاتی، مجموعهای قابلتوجه از گزینههای بالقوه برای طراحی مأموریتها محسوب میشود.
شبیهسازیهای پیشرفته با توان پردازشی بالا
بر اساس این مطالعه، دانشمندان LLNL برای اجرای این پروژه از دو ابررایانه قدرتمند خود با نامهای «کوارتز» (Quartz) و «روبی» (Ruby) استفاده کردند. این سامانههای محاسباتی پیشرفته توانستند حجم عظیمی از دادهها و محاسبات پیچیده گرانشی را در مدتزمانی بسیار کوتاه پردازش کنند. در مجموع، اجرای این شبیهسازی به حدود ۱.۶ میلیون ساعت پردازش مرکزی (CPU) نیاز داشت؛ رقمی که اگر با یک رایانه منفرد انجام میشد، معادل حدود ۱۸۲ سال زمان میبرد. با این حال، به لطف پردازش موازی و تقسیم بار محاسباتی میان هزاران هسته پردازشی، کل این عملیات تنها طی سه روز به پایان رسید.
نکته قابلتوجه در روش تحقیق آن بود که پژوهشگران از پیش هیچ مدار خاصی را بهعنوان مبنا در نظر نگرفتند. در عوض، آنها طیف گستردهای از شرایط اولیه را تعریف کردند تا تصویری جامع و بیطرفانه از فضای سیسلونار به دست آورند. به گفته تراویس ییگر، نویسنده اصلی این پژوهش، تیم تحقیقاتی تصمیم گرفتند «فرض کنیم هیچ دانشی از این منطقه نداریم» تا از هرگونه پیشداوری یا سوگیری در انتخاب مدارها جلوگیری شود. این رویکرد به آنها اجازه داد تا ساختار دینامیکی این فضا را بهصورت فراگیر بررسی کرده و رفتار مدارها را در شرایط گوناگون تحلیل کنند.
نتایج و پیامدهای علمی و عملیاتی
برای درک بهتر اهمیت این نتایج، میتوان آن را با وضعیت مدار نزدیک زمین (Low Earth Orbit) مقایسه کرد. این منطقه هماکنون بهشدت اشباع شده و هزاران ماهواره فعال و غیرفعال در آن حضور دارند. برخی برآوردها نشان میدهد که تعداد حدود ۱۰۰ هزار ماهواره ممکن است سقف تحمل این مدار پیش از افزایش شدید خطر برخوردهای زنجیرهای باشد؛ پدیدهای که میتواند به واکنش زنجیرهای برخوردها و تولید آوار فضایی منجر شود.
در مقابل، فضای میان زمین و ماه تاکنون بهطور گسترده مورد بهرهبرداری قرار نگرفته، اما پیچیدگیهای دینامیکی آن بسیار بیشتر است. نتایج شبیهسازی نشان داد که اکثریت قاطع مدارهای بررسیشده ناپایدار بودند. تنها حدود ۹.۷ درصد از مدارها توانستند در طول شش سال کامل، پایداری خود را حفظ کنند. این بدان معناست که بیش از ۹۰ درصد مدارهای فرضی یا دچار واپاشی مداری شدند، یا تحت تأثیر نیروهای گرانشی زمین، ماه و حتی خورشید، تغییر مسیر دادند و از وضعیت عملیاتی خارج شدند.
با وجود این، همین ۹۷ هزار مدار پایدار شناساییشده در سامانه زمین-ماه، مجموعهای ارزشمند از گزینهها را برای برنامهریزی مأموریتهای آینده فراهم میکند. این مدارها میتوانند برای استقرار ایستگاههای ارتباطی، ماهوارههای ناوبری، سکوهای تحقیقاتی یا حتی زیرساختهای پشتیبان مأموریتهای سرنشیندار به ماه و فراتر از آن مورد استفاده قرار گیرند. در شرایطی که برنامههای بازگشت انسان به ماه و ایجاد پایگاههای دائمی در دستور کار برخی کشورها قرار دارد، شناخت دقیق مسیرهای پایدار در این ناحیه اهمیتی دوچندان پیدا میکند.
پژوهشگران همچنین تأکید کردهاند که حتی دادههای مربوط به مدارهای ناپایدار نیز بیفایده نیستند. بررسی این مسیرها میتواند به درک بهتر مرزهای پایداری مداری، نقاط تعادل گرانشی و رفتار آشوبناک سامانههای چندجرمی کمک کند. این اطلاعات نهتنها برای جلوگیری از طراحی مأموریتهای پرخطر مفید است، بلکه میتواند به توسعه مدلهای پیشبینی دقیقتر در مکانیک سماوی نیز یاری رساند.
در مجموع، این مطالعه نشان میدهد که بهرهگیری از توان محاسباتی پیشرفته تا چه اندازه میتواند در گشودن افقهای تازه در اکتشافات فضایی مؤثر باشد. شناسایی دقیق مسیرهای عملیاتی در فضای سیسلونار، گامی مهم در جهت توسعه پایدار فعالیتهای فضایی و کاهش ریسک مأموریتها به شمار میرود. چنین پژوهشهایی میتواند زیرساخت علمی لازم برای ورود به عصر جدیدی از حضور بشر در فراتر از مدار نزدیک زمین را فراهم سازد و زمینه را برای گسترش فعالیتهای اکتشافی در منظومه شمسی هموار کند.
