Kilometre-scale orbital data centres may clear debris by avoiding rocket bodies and defunct satellites

أصبح الفضاء فوقنا مزدحماً. فعلى مدى عقود، خلّفت الأنشطة البشرية وراءها طبقة فوضوية من الحطام الفضائي: مراحل صواريخ مستهلكة، أقمار صناعية محطمة، وكميات لا تحصى من شظايا المعادن والطلاء. يتحرك هذا الحطام بسرعات فائقة، تبلغ حوالي عشر أضعاف سرعة رصاصة البندقية. وبهذه السرعات، يمكن حتى لقطعة صغيرة جداً أن تخترق مركبة فضائية، بينما يمكن لقطعة أكبر أن تحطم قمراً صنائياً إلى آلاف الشظايا الجديدة. وهذا يخلق دورة خطيرة حيث تولد الاصطدامات مزيداً من الحطام، مما يؤدي بدوره إلى المزيد من الاصطدامات. يطلق العلماء على هذه العملية اسم "التتالي التصادمي" (collisional cascade)، وهي عملية جامحة قد تجعل مدارات معينة غير صالحة للاستخدام لقرون.

والآن، تهدف مجموعة جديدة من المقترحات إلى وضع مراكز بيانات ضخمة في هذه البيئة تحديداً. تخطط الشركات لبناء هياكل في المدار الأرضي المنخفض تمتد لعدة كيلومترات مربعة، وهي في الأساس مزارع خوادم عائمة تعمل بالطاقة المستمدة من ضوء الشمس المستمر. ستكون هذه المرافق ضخمة، مع مصفوفات شمسية تمتد لكيلومترات، مصممة للتعامل مع قدرة الحوسبة الهائلة التي يتطلبها الذكاء الاصطناعي. وكان السؤال الجوهري لهذه المشاريع دائماً هو كيف سيؤثر الحطاف الفضائي على الهيكل. هل ستحدث قطعة طائشة من الحطام ثقباً في الألواح الشمسية الرقيقة؟ لكن البحث الجديد يقلب هذا السؤال رأساً على عقب؛ فبدلاً من التساؤل عما يفعله الحطام بالهيكل، يتساءل عما يفعله الهيكل بالحطام. وتكشف الإجابة عن إمكانية مذهلة: يمكن لهذه المنصات المدارية العملاقة أن تصبح إما أسوأ ملوث في التاريخ أو أكثر المنظفات كفاءة في الفضاء على الإطلاق، اعتماداً كلياً على كيفية إدارتها.

تقوم الدراسة، التي قادها الباحث جياوي جينغ، بمحاكاة سلوك هذه الهياكل ذات المقياس الكيلومتري على مدار فترة خمسة عشر عاماً. ويتتبع النموذج نوعين متميزين من الأجسام التي تعبر مسار مركز البيانات. تتكون المجموعة الأولى من الشظايا الصغيرة والأجسام المميتة الصغيرة، وهي أصغر من أن يتم تتبعها بواسطة الرادار الأرضي، لكنها ثقيلة بما يكفي لتدمير قمر صناعي إذا اصطدمت به. وتتضمن المجموعة الثانية الأجسام الكبيرة والسليمة: أقمار صناعية معطلة وأجسام صواريخ معروفة ومدرجة في سجلات التتبع. ويجد البحث أن المصفوفات الشمسية الرقيقة تتعامل بشكل مختلف تماماً مع هاتين المجموعتين. فعندما تصطدم شظية صغيرة وسريعة الحركة باللوح الخفيف، فإن الاصطدام يبطئ حركة الشظية بشكل كبير؛ حيث يثقب اللوح مسارها، ويكون تبادل الزخم كافياً لخفض مدار الشظية، مما يؤدي إلى احتراقها في الغلاف الجوي خلال وقت قصير. وبهذه الطريقة، يقوم الهيكل طبيعياً بكنس السماء من الحطام الصغير الذي لا يمكن تتبعه والذي ينهي المهمات الفضائية.

ومع ذلك، فإن التفاعل مع الأجسام الكبيرة والسليمة يروي قصة مختلفة. فعندما يعبر جسم صاروخي ضخم أو قمر صناعي ميت مسار المصفوفة الرقيقة، لا يستطيع اللوح إيقافه. وبدلاً من ذلك، يعمل الاصطدام كقذيفة عالية السرعة تصطدم بجدار؛ إذ تكون الطاقة الناتجة مكثفة للغاية لدرجة أنها يمكن أن تجرد جزءاً من سطح الجسم الكبير، أو في أسوأ الحالات، تحطم الجسم بالكامل إلى سحابة من الحطام الجديد. وتحسب الدراسة أنه إذا تم تجريد جزء ضئيل جداً من كتلة الجسم الكبير -أقل من واحد بالمائة- أو إذا تحطم الجسم تماماً، فإن الهيكل سيصبح مصدراً صافياً لحطام فضائي جديد. وفي عمليات المحاكاة التي لا يفعل فيها الهيكل شيئاً لتجنب هذه الأجسام الكبيرة، يمكن أن يرتفع عدد الشظايا المميتة وغير القابلة للتتبع في ذلك المدار إلى ثلاثة إلى خمسة عشر ضعف ما هو عليه اليوم. وسيكون الهيكل بذلك بمثابة بذر للسماء بمخاطر جديدة، مما يلغي عملية التنظيف الطبيعية التي يقوم بها تجاه الحطام الأصغر.

يكمن الحل في نوع محدد من مناورات التجنب. ويظهر البحث أنه إذا تمت برمجة مركز البيانات لتجنب بضع مئات فقط من الأجسام الكبيرة التي يتم تتبعها -مثل أجسام الصواريخ والأقمار الصناعية المعطلة- فإنه يمكنه أن يظل منظفاً صافياً للحطام. ومن خلال الابتعاد عن هذه الأهداف الضخمة، يسمح الهيكل للشظايا الصغيرة وغير القابلة للتتبع بالمرور عبر المصفوفات الشمسية وتبطئ سرعتها، مع تجنب الاصطدامات الكارثية التي قد تخلق سحباً جديدة من الحطام. وهذا التجنب الانتقائي فعال بشكل مدهش؛ إذ تشير الدراسة إلى أنه إذا تمكن الهيكل من حجب 93 إلى 99.6 بالمائة من هذه الأجسام الكبيرة بنجاح، اعتماداً على الارتفاع، فإنه سينظف المدار بسرعة أكبر مما يلوثه. وهذا حد أدنى أقل بكثير من التجنب شبه المثالي المطلوب إذا حاول الهيكل تجنب كل قطعة من الحطام المدرج، بما في ذلك الشظايا الصغيرة التي يُفترض أن ينظفها.

تكلفة هذا التنظيف الانتقائي يمكن السيطرة عليها، لكنها تعتمد على مدى دقة معرفتنا بمواقع الأجسام الكبيرة. لتجنب جسم صاروخي، يحتاج مركز البيانات إلى تحريك إطاره الضخم بما يكفي لتفادي نقطة العبور. وإذا كان موقع جسم الصاروخ معروفاً بدقة عالية، في حدود بضع مئات من الأمتار، فإن الوقود المطلوب لهذه المناورات سيكون ضئيلاً نسبياً. ومع ذلك، إذا كان موقع الجسم غير مؤكد بفارق عدة كيلومترات، فإن الوقود اللازم لضمان تفادي الاصطدام سيزداد بشكل كبير، مما قد يستهلك جزءاً كبيراً من كتلة الهيكل كل عام. كما تسلط الدراسة الضوء على نقطة ضعف حرجة: وحدات الكمبيوتر الكثيفة داخل الهيكل. فخلافاً للألواح الشمسية الرقيقة، تعتبر هذه الوحدات الثقيلة أهدافاً هشة؛ فإذا اصطدم جسم كبير بوحدة كمبيوتر، فمن المرجح أن يحطم الوحدة، مما يخلق سحابة ضخمة من الحطام الجديد. لذلك، يجب حماية وحدات الكمبيوتر عبر تجنب كل جسم مدرج يمكن أن يدمرها، وهو متطلب أكثر صرامة بكثير من متطلبات المصفوفات الشمسية.

تتحدى هذه النتائج الطريقة الحالية التي تقيم بها وكالات الفضاء والشركات المخاطر. فالقواعد القياسية للسلامة تركز على احتمالية حدوث اصطدام يلحق الضرر بالمركبة الفضائية. وبالنسبة لهذه الهياكل العملاقة، فإن هذا النهج غير كافٍ. وتجادل الدراسة بأن المنظمين والمشغلين يجب أن ينظروا إلى نتيجة عملية العبور نفسها. فإذا عبر جسم كبير المصفوفة وتسبب في تفتته، فإن الهيكل يكون قد فشل في أداء واجبه البيئي، حتى لو نجا الهيكل نفسه. وتقترح الأبحاث أن تصميم مراكز البيانات المستقبلية هذه يجب أن يمنح الأولوية لحماية البيئة المدارية على حماية الهيكل نفسه. ومن خلال السماح للحطام الصغير بالمرور ليتم تنظيفه، مع التجنب النشط للحطام الكبير المدرج، يمكن لهذه المنصات ذات المقياس الكيلومتري أن تصبح أول الأجسام من صنع الإنسان التي تقلل فعلياً من تعداد الحطام الفضائي.

هذه النتيجة ليست مضمونة، فهي تعتمد على عاملين لم يتم قياسهما بعد في بيئة مدارية حقيقية: بدقة، مقدار الكتلة التي يفقدها جسم كبير عند احتكاكه بشريحة رقيقة بسرعات مدارية، وكم عدد الشظايا الجديدة التي تنتج عن تلك الكتلة المفقودة. وحتى يتم اختبار هذه التفاعلات الفيزيائية، تظل الكفاءة الدقيقة المطلوبة لتبقى مراكز البيانات منظفات صافية مجرد محاكاة. ومع ذلك، توفر الدراسة مساراً واضحاً للمضي قدماً؛ فهي تثبت أن مصير المدار الأرضي المنخفض في عصر البنية التحتية الفضائية العملاقة هو خيار تصميمي. فإذا بُنيت هذه الهياكل لتجنب الأجسام الكبيرة المدرجة وتسمح للحطام الصغير بالمرور، فقد تساعد في تنظيف السماء. أما إذا بُنيت لتجنب جميع الأجسام المدرجة، أو الأسوأ من ذلك، لتجاهل الأجسام الكبيرة تماماً، فقد تؤدي إلى زيادة كارثية في الحطام الفضائي، مما يجعل المدارات التي تحتاجها للعمل غير صالحة للاستخدام. والفرق بين مصعد فضائي ينظف السماء وآخر يملؤها بالحطام هو ببساة معرفته بالأجسام التي يجب تجنبها.