آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory – LLNL) اخیراً یک مطالعه پیشرفته انجام داده است که در آن از ابررایانهها برای شبیهسازی و بررسی یک میلیون مدار نظری ماهوارهای بین زمین و ماه استفاده شده است. هدف این پژوهش، بررسی پایداری مدارها در فضای «سیسلونار» (فضای میان زمین و ماه) و ارزیابی امکان استفاده از آنها برای مأموریتهای آینده فضایی بوده است.
نتایج این تحقیق نشان داد که کمتر از ۱۰ درصد از این مدارهای سیسلونار در طول شش سال مشاهده شبیهسازیشده پایدار باقی ماندهاند. این موضوع نشان میدهد که قرار دادن ماهوارهها در فضاهای فراتر از مدار پایین زمین (Low Earth Orbit) با چالشهای بسیار پیچیدهای همراه است و نیاز به برنامهریزی دقیق و راهحلهای مهندسی پیشرفته دارد. در واقع، طراحی مسیرهای پایدار برای ماهوارهها در فضای بین زمین و ماه، به مراتب دشوارتر از آن چیزی است که پیشتر تصور میشد.
در نتیجه این مطالعه، حدود ۹۷٬۰۰۰ مدار پایدار شناسایی شد که میتوانند برای مأموریتهای آینده مورد استفاده قرار گیرند. این مدارها به عنوان گزینههای عملی برای استقرار ماهوارهها در سیستم زمین–ماه در نظر گرفته میشوند و میتوانند مسیرهای متنوعی را برای مأموریتهای علمی، ارتباطی و حتی اکتشافی فراهم کنند.
شبیهسازیهای با عملکرد بالا
بر اساس گزارش این پژوهش، دانشمندان LLNL از دو ابررایانه بسیار قدرتمند به نامهای Quartz supercomputer و Ruby supercomputer استفاده کردند. این دو سیستم محاسباتی پیشرفته وظیفه داشتند یک میلیون مدار سیسلونار را به صورت همزمان شبیهسازی کنند.
این فرآیند محاسباتی بسیار سنگین بود و حدود ۱.۶ میلیون ساعت پردازنده (CPU hours) زمان نیاز داشت. اگر این میزان محاسبه به صورت متوالی و بدون استفاده از پردازش موازی انجام میشد، معادل تقریباً ۱۸۲ سال زمان پردازشی میبود. با این حال، به لطف استفاده از تکنیک پردازش موازی (Parallel Processing)، کل این شبیهسازی عظیم تنها در حدود سه روز تکمیل شد. این موضوع نشاندهنده قدرت فوقالعاده ابررایانههای مدرن در حل مسائل پیچیده علمی است.
نکته مهم در طراحی این شبیهسازی این بود که پژوهشگران هیچ فرض خاصی درباره نوع مدارها در نظر نگرفتند. به جای آن، آنها مجموعهای بسیار گسترده از شرایط اولیه را بررسی کردند تا بتوانند تصویر دقیقی از رفتار واقعی فضای سیسلونار به دست آورند. به گفته «تراویس ییگر» (Travis Yeager)، نویسنده اصلی این تحقیق، هدف آنها این بود که «فرض کنیم هیچ چیز درباره این فضا نمیدانیم» تا هیچ نوع مدار از قبل برتری داده نشود و همه گزینهها به صورت بیطرفانه بررسی شوند.
نتایج و پیامدها
برای درک بهتر اهمیت این یافتهها، باید توجه داشت که مدار پایین زمین (LEO) هماکنون به شدت از ماهوارهها اشباع شده است. تخمینها نشان میدهد که حدود ۱۰۰٬۰۰۰ ماهواره یا جسم مداری در این منطقه میتواند حداکثر ظرفیت پیش از وقوع خطرات جدی برخورد زنجیرهای (پدیدهای شبیه اثر کسلر) باشد. این وضعیت نشان میدهد که فضاهای نزدیک زمین به سرعت در حال پر شدن هستند و نیاز به یافتن مسیرهای جدید برای استقرار ماهوارهها بیش از پیش احساس میشود.
در این مطالعه مشخص شد که بخش بزرگی از مدارهای بررسیشده ناپایدار هستند. تنها حدود ۹.۷ درصد از یک میلیون مدار شبیهسازیشده توانستند در طول شش سال به صورت پایدار باقی بمانند. این بدان معناست که بیش از ۹۰ درصد مدارها در نهایت دچار تغییرات شدید شده و از حالت پایدار خارج میشوند. چنین ناپایداریای میتواند ناشی از عوامل گرانشی پیچیده بین زمین، ماه و حتی تأثیرات خورشید باشد.
با این حال، همان ۹.۷ درصد مدار پایدار نیز عدد بسیار قابل توجهی است. این رقم معادل حدود ۹۷٬۰۰۰ مدار پایدار در سیستم زمین–ماه است. این مجموعه بزرگ از مدارهای قابل استفاده، گزینههای متنوعی را برای طراحی مأموریتهای آینده فراهم میکند. به عنوان مثال، ماهوارهها میتوانند در مسیرهایی قرار گیرند که مصرف سوخت کمتری دارند، یا در مدارهایی قرار بگیرند که برای ارتباطات بین زمین و مأموریتهای قمری مناسبتر هستند.
نکته جالب این است که حتی مدارهای ناپایدار نیز بیفایده نیستند. پژوهشگران اشاره میکنند که این مدارها نیز دادههای ارزشمندی ارائه میدهند، زیرا مطالعه رفتار آنها میتواند به درک بهتر دینامیک پیچیده فضای سیسلونار کمک کند. به عبارت دیگر، حتی مسیرهایی که در نهایت پایدار نیستند نیز میتوانند اطلاعات مهمی درباره رفتار گرانشی و تعاملات مداری در اختیار دانشمندان قرار دهند.
اهمیت این پژوهش برای آینده فضا
این تحقیق نشان میدهد که فضای میان زمین و ماه یک محیط بسیار پیچیده و کمتر شناختهشده است. برخلاف تصور ساده اولیه که ممکن است فکر شود هر مدار مشخصی میتواند برای ماهوارهها مناسب باشد، واقعیت این است که تنها بخش محدودی از این فضا دارای مدارهای پایدار است.
یافتههای LLNL میتواند تأثیر مهمی بر طراحی مأموریتهای آینده فضایی داشته باشد. با افزایش تعداد مأموریتهای قمری و برنامههایی مانند بازگشت انسان به ماه، نیاز به زیرساختهای مداری پایدار در این منطقه بیشتر میشود. همچنین این نتایج میتواند به سازمانهای فضایی کمک کند تا از برخوردهای مداری و ایجاد زبالههای فضایی جلوگیری کنند.
در نهایت، این مطالعه نشان میدهد که استفاده از ابررایانهها در علوم فضایی نقش کلیدی دارد. بدون چنین ابزارهایی، بررسی میلیونها حالت ممکن برای مدارهای فضایی تقریباً غیرممکن بود. اکنون با کمک این فناوریها، دانشمندان میتوانند با دقت بسیار بیشتری آینده حضور انسان در فضا را برنامهریزی کنند و مسیرهای امنتر و کارآمدتری برای اکتشافات فضایی طراحی نمایند.
