Οι δραστηριότητες στον διαστημικό τομέα βρίσκονται σε άνοδο, με εταιρείες όπως η SpaceX, η Blue Origin και η Virgin Galactic να επενδύουν πολλά κεφάλαια σε εμπορικές διαστημικές πτήσεις και με οργανισμούς όπως η Nasa να συνεχίζουν να τροφοδοτούν αποστολές στο διάστημα. Ωστόσο, ο αντίκτυπος τέτοιων εκτοξεύσεων στην ατμόσφαιρα της Γης είναι ακόμη ελάχιστα κατανοητός και απασχολεί τους επιστήμονες.
«Μόνο η SpaceX μέσα στο έτος που διανύουμε εκτοξεύει κατά μέσο όρο έναν διαστημικό πύραυλο κάθε εβδομάδα (αριθμός που αναλογεί σε 52 πυραύλους τον χρόνο), σχεδιάζοντας να φτάσει τους 70 ετησίως μέσα στα επόμενα δύο χρόνια», σχολιάζει ο Δρ. Ιωάννης Κοκκινάκης, ο οποίος είναι ερευνητής στο Defence and Security Research Institute (DSRI) του πανεπιστημίου της Λευκωσίας στην Κύπρo. Ο ίδιος, μαζί με τον Καθηγητή Δημήτρη Δρικάκη ξεκίνησαν στα τέλη του 2021-όταν άρχισε να γίνεται όλο και πιο συνειδητό ότι οι εκτοξεύσεις διαστημικών πυραύλων θα συνεχίσουν να αυξάνονται-να μελετούν τον βαθμό στον οποίο οι εκπομπές πρόωσης των πυραύλων μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη θερμοκρασία και τη χημική σύσταση της ατμόσφαιρας.
Σύμφωνα με τους δυο Έλληνες ερευνητές, οι διαστημικοί πύραυλοι, σε αντίθεση με άλλες πηγές καυσαερίων, απελευθερώνουν σημαντικές ποσότητες ψηλά στην ατμόσφαιρα όπου η πυκνότητα του αέρα είναι πολύ χαμηλότερη από αυτήν στο επίπεδο της θάλασσας. «Συγκεκριμένα, στη μεσόσφαιρα (το μεσαίο στρώμα της ατμόσφαιρας που χαρακτηρίζεται από τη δραματική πτώση της θερμοκρασίας καθώς αυξάνεται το ύψος), μεταξύ 50 - 55 και 85 - 95 χλμ. ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας, η πυκνότητα του αέρα κυμαίνεται από 4 έως και 5 τάξεις μεγέθους χαμηλότερα σε σχέση με τον αέρα που αναπνέουμε. Σε συνάρτηση με την χαμηλή περιεκτικότητα διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα (περίπου 0,0395%) και με την εν αντιθέσει υψηλή στα καυσαέρια του πυραύλου (περίπου 34.543%), των οποίων η πυκνότητα παραμένει σχεδόν αμετάβλητη κατά την διάρκεια του πρώτου σταδίου της εκτόξευσης, γίνεται προφανές ότι η ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που διοχετεύεται στην μεσόσφαιρα δεν είναι αμελητέα. Στην μελέτη βρήκαμε ότι για κάθε 1 Km ανόδου στην μεσόσφαιρα, απελευθερώνεται η ίδια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα με αυτήν που περιλαμβάνονται σε 26 κυβικά χιλιόμετρα ατμοσφαιρικού αέρα στα 70 Km. Αυτές οι ποσότητες μπορούν να παραμείνουν για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα στην μεσόσφαιρα, ίσως και για μήνες, προτού αναμιχθούν με την υπόλοιπη ατμόσφαιρα, οπότε οι συχνές εκτοξεύσεις διαστημικών πυραύλων ίσως να καταστούν πρόβλημα στο κοντινό μέλλον», περιγράφει ο Δρ. Κοκκινάκης.
Επιπρόσθετα, οι δυο ερευνητές διαπίστωσαν ότι και η παραγωγή οξειδίων του αζώτου (NOx) λόγω της θέρμανσης του ατμοσφαιρικού αζώτου και του οξυγόνου που προκαλείται από τα θερμά καυσαέρια του πυραύλου είναι μέγιστη στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας και συγκεκριμένα εντός της τροπόσφαιρας (10 - 13 χλμ. ύψους), επιβεβαιώνοντας και προηγούμενες μελέτες άλλων ερευνητών. «Η ποσότητα οξειδίων του αζώτου δεν είναι σημαντική. Στο χειρότερο σενάριο μπορούν να παραχθούν περί του ενός τόνου οξειδίων του αζώτου μέχρι ο πύραυλος να φτάσει τα 10 χλμ. ύψος, ποσότητα που αντιστοιχεί περίπου σε αυτήν που παράγονται από 1000 αμάξια κατά την διάρκεια ενός έτους. Ωστόσο, τα αέρια αυτά συνεισφέρουν στο σχηματισμό του φωτοχημικού νέφους και της όξινης βροχής, ενώ επιπλέον επηρεάζουν και το όζον (O3). Εμείς, χρησιμοποιώντας υπολογιστικές προσομοιώσεις στην μελέτη μας, δείξαμε επιπλέον πως η παραγωγή NOx μπορεί να παραμείνει σημαντική έως τουλάχιστον και τα 30 χλμ., μέσα στην στρατόσφαιρα, ύψος στο οποίο το όζον έχει την υψηλότερη συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα. Ενδέχεται λοιπόν οι συχνές μελλοντικές εκτοξεύσεις πυραύλων να συμβάλουν και στην αύξηση της τρύπας του όζοντος», παρεμβαίνει ο καθηγητής Δημήτρης Δρικάκης.
Μοντελοποίηση της συμπεριφοράς πυραύλων
Στην μελέτη οι ερευνητές έλαβαν υπόψη τους έναν τυπικό εμπορικό διαστημικό πύραυλο, σαν τον Falcon 9 της SpaceX, που προς το παρόν χρησιμοποιεί ως προωθητικό καύσιμο έναν τύπο επεξεργασμένης κηροζίνης, γνωστό ως RP-1 (Rocket Propellant-1). Ο συγκεκριμένος πύραυλος παράγει περίπου 6,806 kN ώσης, που είναι αρκετό για να μεταφέρει 23 τόνους φορτίο σε χαμηλή γήινη τροχιά (Low Earth Orbit, LEO). Μελλοντικά, ο Falcon Heavy θα μπορεί να μεταφέρει αντίστοιχα 63 τόνους, ενώ το Starhip φορτίο άνω των 120 τόνων. Τέτοιοι πύραυλοι θα πρέπει να παράγουν ακόμα περισσότερη ώση και συνεπακόλουθα θα εκπέμπουν ακόμα μεγαλύτερες ποσότητες καυσαερίων. Γενικά, τα αποτελέσματα της μελέτης επαληθεύονται και για άλλους πυραύλους παρόμοιους του Falcon 9, που χρησιμοποιούν προωθητικά καύσιμα βασισμένα σε κηροζίνη.
Για να καταλήξει σε αυτά τα συμπεράσματα, η ομάδα μοντελοποίησε τη συμπεριφορά του πίδακα των καυσαερίων σε πολλά ύψη ακολουθώντας μια τυπική τροχιά ενός τυπικού σημερινού πυραύλου γύρω από τη γη και πέρα από αυτή. Η μεθοδολογία των επιστημόνων βασίστηκε σε μεθόδους υπολογιστικής ρευστομηχανικής υψηλής ανάλυσης και υψηλού βαθμού που έχει επικυρωθεί από πολύχρονα πειράματα θεωρίας και πειραμάτων, όπως και από άλλα δεδομένα υψηλής πιστότητας. «Εφαρμόσαμε αυτήν την μεθοδολογία μας στην υπολογιστική προσομοίωση της τρισδιάστατης τυρβώδους ροής του πίδακα καυσαερίων ενός τυπικού εμπορικού διαστημικού πυραύλου, μέτριου ωφέλιμου φορτίου, που χρησιμοποιεί ως προωθητικό έναν τύπο κηροζίνης σε διάφορα υψόμετρα στην ατμόσφαιρα. Οι προσομοιώσεις μας βασίζονται σε δημόσια διαθέσιμα δεδομένα της διαμόρφωσης εκτόξευσης του επιλεγμένου πυραύλου και αυτά τα δεδομένα πιστεύουμε είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στις πραγματικές τιμές. Επιπλέον, στόχος μας είναι να ενθαρρύνουμε τη συζήτηση επί του θέματος και πολλά από τα ευρήματα είναι προφανώς ανοικτά σε περαιτέρω ανάλυση», προσθέτει ο κ. Δρικάκης
Οι δυο ερευνητές πιστεύουν ότι η ρύπανση από πυραύλους δεν πρέπει να υποτιμάται και καθώς οι εκτοξεύσεις πυραύλων θα αυξηθούν στο μέλλον θα πρέπει να αναζητηθούν πιο προηγμένα σχέδια και καύσιμα πυραυλικών κινητήρων. Επί του παρόντος και οι δυο επιστήμονες θεωρούν πως οι επιπτώσεις στην ατμόσφαιρα δεν είναι επιζήμιες καθώς ο αριθμός των εκτοξεύσεων είναι ακόμη χαμηλός. «Βρισκόμαστε ακόμα στην αρχή ενός φανταστικού ταξιδιού με τις εμπορικές διαστημικές πτήσεις και τα επιτεύγματα του κλάδου. Πρέπει να συνεχίσουμε αυτό το όμορφο ταξίδι, ενώ παράλληλα θα πρέπει να διερευνήσουμε περαιτέρω την ελαχιστοποίηση των όποιων δυνητικά ανεπιθύμητων επιπτώσεων από τις εκπομπές ρύπων. Περαιτέρω μελέτες θα πρέπει να προσπαθήσουν να αξιολογήσουν το επίπεδο των επιπτώσεων της αλλαγής της μεσοσφαιρικής σύνθεσης στο κλίμα, αλλά και τον αριθμό και τη συχνότητα των εκτοξεύσεων διαστημικών πυραύλων που θα μπορούσαν να το επηρεάσουν αρνητικά», καταλήγει ο κ. Κοκκινάκης.
Τα ευρήματα της μελέτης, που δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Physics of Fluids
