( تالیف و گردآوری: محمدرضا نیکوسخن، مدیرعامل شرکت Connection S.r.l ایتالیا )

فولاد سبز: فضای جدید پیش رو (افق جدید در فضا)

ماهنامه پردازش – مقاله حاضر به بررسی چالش‌های فنی و تکنولوژی در بازیابی و بازچرخانی فولاد و دیگر مواد دارای ارزش‌ بالا می‌باشد که در مدار دور کره‌زمین شناور هستند.

این گزارش درخصوص پیشرفت بشر در طراحی‌ها و سازه‌های ارزشمند ساخته شده فضایی و خلا فنی و تکنولوژی در ارتباط با بازیابی تجهیزات ارزشمند فضایی می‌باشند که پس از استفاده و یا ایجاد مشکل در آنها بعنوان پسماند ارزشمند فضایی در مدار زمین شناور می‌مانند.

با اشاره به مقاله پیشین درمورد شروع مطالعه و حرکت به سمت اقتصاد چرخشی در کشورهای پیشرفته و برترین فولادسازان دنیا، نکته قابل تامل حرکت و تحقیق و توسعه موسسات دانشگاهی محافل علمی و تکنولوژها به مکانی فراتر از کره‌زمین و تفکر در مورد چگونگی بازیابی و بازچرخانی پسمانده‌های ارزشمند موجود در مدار زمین معطوف شده است. از زمان پرتاب اسپوتنیک در سال ۱۹۵۷ آلیاژهای فولادی کروم و نیکل به‌طور گسترده‌ای برای ساخت ماهواره‌ها و موشک‌های حامل فضانوردان و موشک‌های بدون فضانوردان مورد استفاده قرار گرفته است.

 مقاومت بالای این نوع فولادها در مقابل دمای بسیار بالایی که با آن مواجه می‌شوند بعنوان یک مقاوم حرارتی عالی در ساخت کلیه تجهیزات صنایع هوافضا مورد استفاده می‌باشد. تلسکوپ فضایی “جیمزوب” از قالب‌های فلزی با ۶/۵ میلیون آینه که با پودر بریلیوم فشرده شده‌اند ساخته شده است. همان‌طور در سیستم خنک‌کاری تلسکوپ جیمزوب از لوله‌های فولادی بسیار زیاد استفاده شده است. از طرف دیگر بادبان‌های خورشیدی با تیرهای فولادی برای طمینان از پایداری مهار شده‌اند. سازه‌های موجود در ایستگاه فضایی بین‌المللی و کلیه فضاپیماهای دیگر با فولاد و مواد ارزشمند دیگری ساخته شده‌اند. مثال‌های فوق دیدگاهی را در مورد نیاز اصلی و کاربری فولاد در صنایع هوا فضا را نشان می‌دهد. به‌طوری‌که فرصت اقتصادی و فنی و تکنولوژیکی بسیار بزرگی برای ماهواره‌ها و قطعات ساخته شده قضایی که عمر کاریشان پایان یافته و یا بر اساس اشتباهاتی از کار افتاده‌اند بصورت پسمانده فضایی همگی در مدار زمین شناور شده‌اند.

مواد موجود در فضا

کلیه ماهواره‌ها از مواد با مقاومت بالا بدون انحراف زیادی ساخته می‌شوند. فولاد به کار برده شده در ماهواره‌ها باید مقاوم در برابر تنش‌های بسیار بالای استاتیکی و دینامیکی و حرارتی از زمان پرتاب تا عبور از جو و قرارگیری در مدار خودشان باشند. از لحاظ ساختاری معمولا ماهواره‌ها به دو بخش اصلی براساس مواد به کار برده شده و مورد استفاده‌ خود می‌توانند تقسیم شوند. ساختار اولیه برای انتقال و تحمل بارهای موجود ماشین فضایی و نقاط اتصال طراحی می‌شوند. ساختار ثانویه شامل بقیه اجزا پنل‌های خورشیدی و عایق‌های حرارتی و قطعات الکترونیکی می‌باشند. فلز آلومینیوم و آلیاژهای آن در ساختار اولیه کلیه تجهیزات هوافضایی به کار می‌روند. بنابراین در زباله‌های فضایی به‌طور فراوان وجود دارند. اصلی‌ترین مواد سری ۲۰۰۰/۷۰۰۰ از آلومینیوم برای مخازن، سیلیکون، لیتیوم، منگنز، منیزیوم، آلیاژهای آلومینیومی، آلومینیوم‌های خاص پوشانده شده با پلی‌آمید و کلوار برای پوشش‌ها و صفحات استفاده می‌شوند. آلومینیوم به خودی خود فلز قوی و مستحکمی نمی‌باشد اما با ایجاد آلیاژهای آلومینیومی، استحکام آنها افزوده و وزن نیز کاهش می‌یابد. برای سازه‌های کوچک فضایی روی پلتفرم‌های ۱۰-۱۲U  در ساختارهای اولیه مطابق شکل‌های زیر استفاده می‌شود که اغلب ماشین‌کاری برای ۶۰۶۱-T6 یا ۷۰۷۵ آلومینیوم مطابق جدول زیر می‌باشد.

بخش‌های مکعبی نیز از ماشین‌کاری  AL 5052-H32 که در سایزهای ۶U-12U سوپرنوا استفاده می‌شود. لایه بیرونی سازه‌ها اغلب از آلومینیوم  ۶۰۶۱-T651  استفاده می‌شود. ماشین‌ها و سازه‌های فضایی موجود آینده نیز از مواد خاصی برای اجزای مختلفشان از قبیل آلیاژهای آلومینیوم و لیتیوم، پلیمر کامپوزیت‌های ماتریکس، کامپوزیت‌های کربن و فلز کامپوزیت‌های ماتریکس مشهورتر از بقیه هستند. آلیاژهای آلومینیوم و لیتیوم Weldalite , ALLOY 2090 , ALLOY 8090) ) تا ۲۰ درصد وزن را نسبت به آلومینیوم را کاهش می‌دهند. این آلیاژها با چگالی کم، مقاومت بالاتر و استحکام بالاتر را ایجاد می‌کنند که در تانک‌های سوخت اکسیژن مایع و هیدروژن مایع به کار می‌روند. کامپوزیت‌های پلیمر ماتریکس دسته دیگری از مواد مورد استفاده در قطعات پنل‌های مسطح و تانک‌های فضاپیما ماشین‌های فضایی هستند. از بین موادی که به خوبی از کامپوزیت پلیمر ماترکیس‌ها استفاده می‌شود می‌توان به شیشه کلوار و پوشش گرافیتی اشاره نمود و بیشترین مصرف کامپوزیت پلیمر ماتریکسی برای سازه‌های اولیه ماشین‌های فضایی، پوشش گرافیتی می‌باشد.

کامپوزیت‌های پلیمر ماتریکس برای اثر کمتری بر محیط‌زیست، فعال و در شرایط محیط فضا با عمر ۳ تا ۵ ساله دیده شده‌اند. کامپوزیت‌های کربن مواد دیگری هستند که در قطعات فضاپیما استفاده می‌شوند برای مقاومت در دمای بالا تا حدود ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد که در بال‌ها و دم‌لبه‌های کناری در دماغه و قسمت‌های بدنه هواپیما استفاده می‌شوند همراه با کامپوزیت‌های تیتانیوم ماتریکس.

به منظور کاهش هزینه کامپوزیت‌های ماتریکس فلزی MMC درحال استفاده برای فریم‌های ساختار و اجزای ماشین‌های فضایی می‌باشند. کامپوزیت‌های ماتریکس فلزی MMC  عبارت است از  B/Al,Gr/Al,Gr/Mg  و Gr/Cu که در ساخت اجزای مختلفی از ماشین‌های فضایی از قبیل لوله‌ها، صفحات و پنل‌ها به کار رفته‌اند. آلیاژهای آلومینیومی با کاربید سیلیکون آلومینا ذرات برون و یا فیبرها باعث افزایش قدرت و استحکام می‌شوند علیرغم اینکه مواد فوق گران‌تر از آلیاژهای conventional می‌باشند. برون آلومینیوم (MMC) برای ساختار اولیه ماشین‌های انتقال فضایی استفاده می‌شود و سیلیکون کاربید و ذرات آلیاژهای آلومینیومی برای مخازن برودتی استفاده می‌شوند.

استفاده موفق دیگر فلزات ماتریکس کامپوزیتی MMC در اجزا خرپاها ذر بخش شاتل فضایی اوربیتر آلیاژ Gr/Al در آنتن تلسکوپ فضایی هابل می‎باشد. استفاده از مواد فوق باعث کاهش ۴۵ درصد وزن درصورت استفاده از آلومینیوم خالص شده است که این مهم در شاتل فضایی اوربیتر رخ داده است. همین‌طور استفاده از آلیاژهای فوق در آنتن تلسکوپ فضایی هابل باعث استحکام بالاتر ضریب پایین‌تر انبساط حرارتی جهت ثابت ماندن وضعیت آنتن تلسکوپ شده است. در پکیج‌های الکترونیکی ماشین‌های فضایی و ماهواره‌ها از آلیاژهای SiCp/Al  و Grp/Al استفاده می‌شود. این ترکیبات به‌طور قابل ملاحظه‌ای از آلیاژهای فلزی سبک‌تر و ارزان‌تر می‌باشند. فناوری‌های استفاده از کاربرد و کامپوزیت در تجهیزات فضایی، آغاز عصر جدیدی در استفاده از مواد جدید می‌باشند. فناوری جدید با ترکیبات متنوع مختلف فوق و امکان استفاه از پرینت سه بعدی برای طراحی‌های جدید امکاناتی را بوجود آورده است که از طریق فناوری‌های قبلی جابه‌جایی میسر نبوده است. پرینت‌های سه بعدی جرم کمتر و پیچیدگی بیشتر و بازدهی بهتر و زمان کمتر چاپ را ارائه می‌دهند. برای چاپ اجزای ماهواره‌ها فناوری‌های متنوع مختلفی با منافع چالش‌های بیشتری موجود می‌باشند. مثال‌های متنوعی از این فناوری‌ها در EQUULEUS CubeSat  با آلیاژ آلومینیوم AlSi10Mg باعث کنترل حرارت در قدرت بالا پودر فلزی آلیاژ Inconel 718 برای بازطراحی رانشگر ناسا که SS316 و CoCr برای انژاکتور پیشران موتور جت و فلز AlSi10Mg برای آنتن هدایتگر برای آماده کردن صفحات مغناطیسی برای فیبرهای نوری ژیرسکوپ‌ها می‌توان اشاره نمود.

مسیر تکاملی فولاد سبز در فضا

صنعت فضایی ارزش بسیار زیادی برای زندگی در روی زمین به وسیله ماهواره‌ها و زیرساختارهای فضایی در وسایل ارتباط جمعی ایجاد کرده است که در زمینه‌های راهبری و مسیریابی با ردیابی زمان واقعی اتفاقات و فعالیت‌های جهانی در فضا و زمین و پشتیبانی بسیار از توسعه تکنولوژی را فراهم کرده است. اما در هر صورت کلیه ماهواره‌ها و سازه‌های فضایی زمانی به انتهای عمری کار خود و یا از کار افتادگی در حین فعالیت‌های خود دچار می‌شوند.

نکته مهم درحال‌حاضر وجود میلیون‌ها زباله‌های فضایی کوچک و بزرگ در مدار زمین می‌باشند که اکوسیستم فضا را تهدید می‌کند. رشد زیاد زباله‌های فضایی به شدت در پایداری عملکرد فضا تاثیرگذار می‌باشد. براساس مطالعات “رایان ات آل” کل جرم موجود زباله‌های فضایی درحال‌حاضر در حدود هفت هزار تن تخمین زده می‌شود که رقم خالص ۶۰۰ میلیارد دلار ارزش زباله‌های فضایی می‌باشد‌. فهمیدن این حجم و این مقدار ارزشمند از فلزهای با ارزش بالا در فضا باعث پایه‌گذاری مطالعات و اقدامات مهمی در ایجاد مبحث اقتصاد چرخشی در فضا شده است. با هشدار حجم بالای زباله‌های فضایی بسیاری از مطالعات فعالیت‌ها در جهت پاکسازی فضا ایجاد شده است درحالی‌که بازیابی و برگرداندن زباله‌های فضایی به زمین نه تنها مقرون به صرفه بلکه باعث آلودگی و تاثیر اکوسیستم دریاها و اقیانوس‌ها نیز می‌شود. بنابراین درحال‌حاضر، ایده بازیابی و بازچرخانی زباله‌های فضایی و قابلیت استفاده مجدد در فضا و مدار زمین مطرح می‌باشد.

براساس اطلاعات موجود ارزش بالای زباله‌های فضایی موجود در فضا و مدار زمین که قابلیت استفاده موجود دارند در حدود ۱/۲ تریلیون دلار برآورده می‌شود. بنابراین انگیزه و توجیه‌های اقتصادی زیادی جهت بازیابی و بازچرخانی زباله‌های فضایی در مدار زمین وجود دارد.

به منظور بازیابی و بازچرخانی و بازیافت مواد موجود در مدارهای فضایی بسیار مهم است موادی که در ساخت ماهواره‌ها به‌کار رفته‌اند را به‌طور کامل بشناسیم و از فاکتورهایی که در مشخصات مواد تاثیر می‌گذارند را نیز به‌طور کامل تشخیص دهیم. مورد فوق به این دلیل می‌باشد که رفتار مواد تشکیل دهنده ماهواره‌ها و زیرساختارهای فضایی در قابل تاثیرات شدید محیطی کاملا رفتار متفاوتی دارند و تغیییرات مختلف و متنوعی در آنها می‌دهند. در سال ۲۰۲۱ مطالعاتی که توسط “یالونگ ات آل” انجام گرفت و روش رده‌بندی مواد را تشریح نمود که در بانک اطلاعاتی‌ای در ESA برای مشخصات مواد موجود در فضا و منابع اطلاعات دیگر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در ابتدا سیستم رتبه‌بندی براساس شکل اشیا توسعه یافته بود اما بعدا براساس مشخصات مواد دسته‌بندی جداگانه‌ای اضافه گردید. اطلاعات رفتار مواد برای ساخت مواد جدید و یا موادی که قرار است جایگزین شوند و از طریق عملیات بازیافت دوباره به چرخه استفاده برگردند بسیار مهم و حیاتی می‌باشد که شامل موارد قبلی استفاده شده و یا مواد موجود درحال استفاده تجهیزات فضایی نیز می‌شود. این درحالی است که تحقیقات برای بازیافت تجهیزات فضایی در مدار زمین در مراحل بسیار اولیه و ابتدایی می‌باشد که مانعی برای موفقیت در اقتصاد چرخشی تجهیزات فضا یا در حال حاضری می‌باشند. درک این موضوع که چه مقدار از مواد فضایی موجود قابلیت استفاده مجدد دارند (شامل مواد یا اجزا) برای آینده اختراعات فضایی هنوز کاملا درک نشده است و هنوز منابع اطلاعاتی کافی برای ساخت تجهیزات و ماشین‌های فضایی ارائه نشده است.

آزمایش کامل و اطلاع از عمر دقیق مواد تجهیزات فضایی یک مفهوم پایه‌ای و اساسی در سرویس‌ها تغییر مونتاژ و ساخت می‌باشد که در مدار زمین تعبیه خواهند شد.

مفهوم اصلی اقتصاد چرخشی در توان ارزیابی بقایای فضایی موجود در مدار دسته‌بندی موادی که قابلیت بازیافت و بازیابی استفاده مجدد و ساخت دوباره را دارند خلاصه می‌شود.

علاوه بر این گسترش دامنه ساخت متوسط به سلسله مراتب مواد زائد بر روی زمین نیز می‌باشند که مفهوم اولیه ساخت چرخشی هستند مانند موادی که عمر طولانی‌، قابلیت تعمیر ساده‌، مرمت کردن، بازیافت و قابلیت ساخت مجدد دارند.

موادی که مجددا ساخته شده‌اند، هم‌چون موادی که قبلا به فروش رفته‌، پوشش داده شده‌ و یا در اصل دمونتاژ کردن دوباره ساخته شده‌اند و هم‌چنین موادی که قابلیت تمیز، تعمیر و جایگزینی قطعی برای اجزا دارند، حتی‌الامکان باید برای حرکت حداکثری صحیح در سلسله مراتب مواد موجود در مدارها لحاظ گردند. یک تشریح و راه‌حل هنری ساخت جاروی مدارگرد مفهومی می‌باشند که بتواند اقتصاد چرخشی و بازیابی مواد موجود را عملیاتی نماید که در شکل زیر نشان داده شده است.

همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، ایده نهایی ایجاد جاروی مداری، رباتی می‌باشد تا مواد زاید فضایی را جمع‌آوری و در مکان انبار پشتیبانی تعبیه شده در فضا ذخیره‌سازی نماید، این حرکت توسط ربات عملیات بازیافت و بازچرخانی انجام و قادر خواهد بود دوباره مواد زاید را به چرخه استفاده برگرداند.

نتیجه‌گیری

پارادایم ساخت تجهیزات فضایی همسو با کنجکاوی کشف کیهان شبیه زندگی در کره‌زمین به حرکت خود ادامه می‌دهد و با توجه به پایداری و موفقیت‌های شکل گرفته در اقتصاد چرخشی فعالیت‌های موجود در کره‌زمین به موازات این تفکر و ایده در فضای خارج از کره‌زمین نیز در حال رشد و شکل‌گیری است. این توانایی به طرز قابل توجهی هزینه‌ها و میزان کربن منتشر شده را کاهش می‌دهد. با در نطر گرفتن اهمیت ساخت بدون کربن در مدار زمین و فضا بازیافت مواد در مدارهای فضایی کاملا برای اکوسیستم و محیط‌زیست مفید و لازم‌الاجراست که دانشگاه‌ها و تکنولوژی‌های برتر، تمرکز خود بر اقتصاد چرخشی در فضا را آماده نموده‌اند که تحول و آینده مهمی در این زمینه در انتظار فعالیت‌های فضایی می‌باشد.