چگونگی عبور فضاپیمای آپولو از کمربندهای تابشی زمین

به گزارش جی پلاس، از زمانی که مأموریت‌های آپولو انجام شدند و انسان توانست برای نخستین بار روی سطح ماه فرود آید، همواره افرادی بوده‌اند که این مأموریت‌ها را جعلی خوانده و آن‌ها را تنها یک بازی سیاسی می‌دانند. افرادی که سفر به ماه را دروغین می‌دانند، دلایل بسیاری برای گفته‌های خود ارائه می‌کنند که یکی از آن‌ها، کمربندهای تابشی ون آلن است که اطراف سیاره‌ی ما را فراگرفته‌اند. کمربندهای ون آلن در دهه‌ی ۵۰ میلادی کشف شدند و یک دهه بعد، فضاپیمای آپولو ۱۱ از میان آن‌ها عبور کرد.  اما چطور؟ چگونه می‌شود از میان این ناحیه بسیار پرخطر عبور کرد، آن‌هم زمانی که تجهیزات آن‌قدر پیشرفته نبودند؟

وقتی مأموریت‌های آپولو انجام شدند، ناسا خود را برای بدترین اتفاقات آماده کرده بود و اصلاً امیدی نداشت که بتواند مأموریت‌ها را به بهترین شکل ممکن و بدون کوچک‌ترین خطری پشت سر بگذارد. آژانس فضایی آمریکا، مطالعات گسترده‌ی خود روی کمربندهای تابشی ون آلن را آغاز کرد و مشکلاتی که این ناحیه برای انسان به وجود می‌آورد، همگی شناسایی شدند. ناسا خطرات عبور از کمربند تابشی را می‌دانست؛ اما دولت آمریکا این سازمان را تحت فشار قرار داده بود و ناسا تصمیم گرفت با توجه به امید اندکی که دارد، مأموریت را انجام دهد. مأموریت‌های آپولو همگی با موفقیت انجام شدند و حتی یک فضانورد به هنگام عبور از کمربند ون آلن فوت نکرد؛ این واقعاً عجیب بود.

کشف کمربند تابشی ون آلن

کمربندهای تابشی ون آلن توسط جیمز ون آلن که دانشمندی سرشناس بود، کشف شدند. در اواسط دهه‌ی ۵۰ میلادی، جیمز ون آلن تصمیم گرفت با ارسال راکت‌ها و راکُن‌هایی (راکت‌های کوچکی که از بالن‌هایی در ارتفاع زیاد پرتاب می‌شوند) به بررسی دنیای پیچیده‌‌ی ذرات بارداری خارج از جو زمین بپردازد. ابزاری که ون آلن در اختیار داشت بسیار محدود بود و نتایج نیز محدود بودند؛ ون آلن تنها می‌توانست به بررسی تشعشعات موجود در لایه‌های بالایی اتمسفر بپردازد و به ارتفاعات بالاتر از آن دسترسی نداشت. در سال‌های بعد و با ظهور سال بین‌المللی ژئوفیزیک (یک همکاری بین‌المللی بین دانشمندانی از سراسر جهان در سال‌های ۱۹۵۷ و ۱۹۵۸ که به کمک یکدیگر به بررسی فعالیت‌های خورشیدی و علوم زمینی پرداختند)، ون آلن این شانس را پیدا کرد که نگاه خود را به جایی فراتر از اتمسفر زمین ببرد و کمربند تابشی اطراف زمین را شناسایی کند.

حاصل همکاری دانشمندان آمریکایی در سال بین‌المللی ژئوفیزیک، یک ماهواره‌ی تحقیقاتی بود. ون آلن توانست به کمک این ماهواره، آزمایش خود را به سرانجام برساند و به یک نتیجه‌ی مهم دست یابد. ماهواره‌ای که به فضا رفت، اکسپلورر ۱ نام داشت و نخستین ماهواره‌ی ایالات متحده‌ی آمریکا بود که در مدار زمین گردش کرد. اکسپلورر ۱ در تاریخ ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ به فضا پرتاب شد و نتیجه‌ی آزمایش جیمز ون آلن را مشخص کرد.

ون آلن تجهیزات مختلفی برای تشخیص تشعشعات کیهانی روی اکسپلورر ۱ نصب کرده بود؛ اما در ارتفاعی که ون آلن تصور می‌کرد میزان تشعشعات کیهانی باید بسیار بالا باشد، هیچ‌گونه آثاری از تشعشعات مضر کیهانی یافت نشد. داده‌هایی که به دست آمدند، دقیق بودند؛ بنابراین ون آلن تصمیم گرفت توضیح دیگری برای نرخ پایین ذرات مضر کیهانی ارائه دهد. ون آلن اعلام کرد که ذرات مضر کیهانی به هیچ عنوان کم نیستند و در واقع ابزار نصب‌شده روی اکسپلورر ۱ میزان بسیار بالایی از ذرات کیهانی مضری را که توسط میدان مغناطیسی زمین به دام افتاده بودند، جذب کرده بودند و جایی برای جذب ذرات بیشتر نداشتند. ون آلن روی ماهواره‌ی اکسپلورر ۳ نیز ابزار علمی دیگری نصب کرد تا این‌که در نهایت، گفته‌های ون آلن در سال ۱۹۵۸ به اثبات رسیدند. کشف کمربندهای تابشی ون آلن، یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای سال بین‌المللی ژئوفیزیک بود.

پس از این کشف بسیار مهم، مشخص شد که در اطراف سیاره‌ی ما، یک ناحیه گسترده با میزان تشعشعات بالا وجود دارد و دلیل آن‌هم ذرات باردار مضر کیهانی هستند که در میدان مغناطیسی زمین به دام افتاده‌اند. میدان مغناطیسی، سیاره‌ی زمین را از تشعشعات مرگبار کیهانی محافظت می‌کند و از پخش شدن این تابش مضر در فضا جلوگیری می‌کند. ذرات بارداری که در میدان مغناطیسی زمین گرفتار می‌شوند، انرژی لازم برای فرار کردن ندارند و گرفتار می‌شوند.

با کشفی که جیمز ون آلن انجام داد، مشخص شد که ما در اطراف سیاره‌ی خود دو کمربند تابشی بسیار مهم دونات شکل داریم. این دو کمربند در ارتفاعات مختلفی از زمین قرار گرفته‌اند؛ کمربند درونی، از ارتفاع ۹۶۵ کیلومتری سطح زمین شروع‌ می‌شود و تا ارتفاع ۵۹۵۴ کیلومتری سطح زمین ادامه دارد و از پروتون‌های بسیار پرانرژی تشکیل شده است. دومین کمربند که همان کمربند بیرونی است، از ارتفاع ۱۴۹۶۶ کیلومتری سطح زمین آغاز می‌شود و تا ارتفاع ۴۰۲۳۳ کیلومتری سطح زمین ادامه دارد و از پروتون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده است. محیط تابشی این دو کمربند متفاوت است؛ در برخی مناطق متراکم‌تر است و در برخی مناطق تقریباً تابشی وجود ندارد.

کمربندهای ون آلن و آپولو

پس از آن‌که کمربندهای تابشی ون آلن کشف شدند، مشخص شد که آن‌ها یک مانع بسیار بزرگ بر سر راه فرستادن انسان‌ها به فضا هستند و ممکن است جان انسان‌هایی که به فضا می‌روند، به خطر بیندازند. راه‌حل مشکل این است که انسان‌ها تنها به ارتفاعاتی سفر کنند که کمتر از ارتفاع کمربند درونی است؛ یعنی انسان‌ها می‌توانستند تنها تا ارتفاع ۵۵۵ کیلومتری سطح زمین بالا بروند و اگر از این حد تجاوز می‌کردند، تحت تأثیر کمربندهای تابشی قرار می‌گرفتند. هنوز دانشمندان در خصوص این تصمیم شک داشتند که ناگهان ناسا اعلام کرد می‌خواهد انسان را به ماه بفرستد! ایده‌ی بسیار بلندپروازانه‌ای است؛ زیرا ماه در فاصله‌ی ۳۸۴,۴۰۳ از زمین قرار گرفته است و اگر قرار باشد انسانی به ماه برود، باید از هر دو کمربند تابشی ون آلن عبور کند.

بررسی چگونگی عبور از میان کمربندهای ون آلن برای مأموریتی احتمالی به ماه، برای نخستین بار در سال ۱۹۶۰ آغاز شد. رابرت پایلند و استنلی وایت از گروه برنامه‌های فضایی ناسا، برای شروع تحقیقاتی در مورد این مشکل، یکدیگر را در واشنگتن ملاقات کردند. این دو شخص پس از انجام تحقیقات گسترده، اعلام کردند که میزان تابش در کمربند تابشی درونی ون آلن بسیار بالا است و محافظت از فضانوردان در برابر تابش‌های این محیط، تقریباً غیرممکن است؛ اما با سطح متوسطی از حفاظت می‌توان فضانوردان را به هنگام عبور از کمربند تابشی خارجی ون آلن محافظت کرد.

۶ ماه بعد، در ژانویه‌ی سال ۱۹۶۱، ناسا هنوز قصد داشت انسان را به ماه ارسال کند؛ اما هنوز چند ماه تا عمومی کردن این هدف باقی مانده بود که موضوع کمربندهای تابشی ون آلن مجدداً مطرح شد. گروه تحلیل مسیر پروازهای فضایی ناسا اعلام کرد که خیلی سریع، به یک مدل استاندارد از کمربند تابشی ون آلن نیاز دارد که بتوان از آن در هر چیزی که به برنامه‌ی آپولو مربوط است، استفاده کرد. آن‌ها باید همه چیز را پیش از تعیین مسیر برای ارسال فضانوردان به درون این ناحیه پرخطر، می‌دانستند و جوانب کار را می‌سنجیدند.

ناسا اطلاعاتی را که این گروه نیاز داشت، فراهم کرد. تحقیق گسترده در مورد کمربندهای تابشی ون آلن، یکی از صدها تحقیقی است که دانشمندان پیش از آن‌ که مأموریت آپولو توسط ناسا عمومی و رسمی شود، در پشت صحنه انجام دادند. گروه تحلیل مسیر پروازهای فضایی ناسا اعلام کرد که تحقیقات آن‌ها نتایج بسیار خوبی داشته است؛ آن‌ها همچنین راه‌حل‌هایی عجیب نیز ارائه دادند که تا پیش از آن مورد استفاده قرار نگرفته بودند. در ماه جولای سال ۱۹۶۲، جیمز ون آلن نیز به‌صورت مستقیم در پروژه دخالت کرد و خطاب به انجمن راکت آمریکایی، در مورد مأموریت آپولو و تابش کیهانی هشدار داد؛ اما یک راه‌حل عجیب نیز ارائه کرد.

جیمز ون آلن در آن زمان گفت:

پروتون‌هایی که در کمربند درونی ون آلن هستند، برای مأموریت‌های سرنشین‌دار یک خطر جدی به شمار می‌روند؛ اما من در خصوص مأموریت‌ آپولو نظری دارم. می‌توان با انفجار یک کلاهک هسته‌ای در نزدیکی کمربند درونی ون آلن، تابش کیهانی مضر را از بین برد. به‌واسطه‌ی انفجار هسته‌ای، یک ماده اضافه وارد این ناحیه می‌شود و این موضوع باعث می‌شود انرژی ذرات باردار کیهانی که در این ناحیه گرفتار شده‌ است، افزایش یابد؛ بدین ترتیب آن‌ها انرژی لازم برای فرار از میدان مغناطیسی زمین را به دست می‌آورند و پاک‌سازی انجام می‌شود.

ناسا هیچ‌گاه کمربند تابشی ون آلن را به کمک یک انفجار هسته‌ای پاک‌سازی نکرد؛ اما متأسفانه کمیسیون انرژی اتمی ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۶۲ یک آزمایش انجام داد که مشکل تابش کمربند ون آلن را دوچندان کرد.

برنامه آزمایش هسته‌ای آمریکا در اوایل دهه ۶۰ میلادی با نام «عملیات دومینیک» شناخته می‌شد و در جریان آن، یک سری آزمایش‌های جوی انجام شد. هدف از انجام این آزمایش‌ها، بررسی چگونگی تأثیر انفجارهای هسته‌ای بر میدان مغناطیسی زمین در جریان یک جنگ هسته‌ای بود. این آزمایش‌ها هیچ فایده‌ای برای ناسا نداشتند و کار این موسسه را دشوارتر می‌کردند. در جریان این آزمایش‌ها، آمریکا یک بمب هسته‌ای را که شدت انفجار آن معادل ۱.۴ مگاتُن TNT بود، در ارتفاع بالا آزمایش کرد. این آزمایش نه‌تنها کمربند درونی ون آلن را پاک‌سازی نکرد، بلکه بر میزان تابش موجود در اطراف زمین نیز افزود.

سفر به ماه به چه قیمتی؟

با وجود انفجارهای اتمی متعدد آمریکا، دانشمندان به تحقیق در مورد کمربندهای ون آلن ادامه دادند و دریافتند که این کمربندها اصلاً مانعی بر سر راه مأموریت به ماه نیستند (تا سال ۱۹۶۹ میلادی که آپولو ۱۱ به فضا پرتاب شد، میزان الکترون‌هایی که به‌واسطه‌ی انفجار اتمی به کمربند ون آلن وارد شده بودند، بسیار کم شده بود و به یک دوازدهم مقدار سابق رسیده بود). در ماه فوریه‌ی سال ۱۹۶۴، ناسا تقریباً مطمئن بود که با توجه به وجود لایه‌های محافظ نسبتاً کافی و سرعت بالا، خدمه‌ی آپولو می‌توانند به‌سرعت و با ایمنی تقریبی از میان کمربندهای ون آلن عبور کنند و به تجهیزات و بدنه‌ی فضاپیما نیز آسیبی وارد نمی‌شود.

البته ناسا هنوز هم شک داشت و در پذیرش خطرات جدی ارسال فضانوردان بدون داشتن پوشش محافظ بسیار زیاد به درون کمربندهای ون آلن، دچار تردید شده بود؛ اما در هر حال خطرات را پذیرفت و تصمیم گرفت که مأموریت انجام شود. برای نظارت بر میزان تابشی که در طول پرواز آپولو وجود داشت، خدمه‌ی این فضاپیما به همراه خود ابزاری به نام دوز سنج حمل می‌کردند تا میزان کل دوز دریافتی از تابش موجود در کمربند ون آلن در طول پرواز را محاسبه کنند. نتایج مأموریت، مشخص کردند که ناسا بهترین تصمیم ممکن را گرفته است.

پس از آن‌که اطلاعات لازم از دوز سنج‌ها دریافت شد، ناسا اعلام کرد که میزان دوز دریافت شده توسط فضانوردان به هنگام عبور از کمربندهای ون آلن، بسیار کمتر از آن‌ چیزی است که پیش‌تر گفته می‌شد و دوز بالایی توسط آن‌ها دریافت نشده است. در طول مأموریت‌هایی سفر به ماه، میزان دوز دریافتی توسط فضانوردان بسیار پایین‌تر از دوز دریافتی توسط کارگرهای کمیسیون انرژی اتمی بود. این کارگرها به دلیل تماس مستقیم با مواد پرتوزا، به‌طور میانگین سالیانه ۵ rem دوز فیزیکی مضر دریافت می‌کنند و فضانوردانی که به ماه رفتند این مقدار دوز دریافت نکردند. در جریان مأموریت‌های ماه، هیچ‌کدام از فضانوردان عوارض پزشکی یا بیولوژیکی ناتوان‌کننده‌ای تجربه نکردند.