همه چیز درباره ایستگاه فضایی بین المللی؛ جواهر علم و مهندسی در مدار زمین! - وبلاگ پاورست

ایستگاه فضایی بین المللی (International Space Station) یا به اختصار آی اس اس (ISS) را باید یکی از بزرگ ترین دستاوردهای فن آوری گونه بشر دانست. سازه ای باشکوه که پیوسته در مدار زمین می چرخد و به عنوان مرکزی برای تحقیقات علمی، همکاری های بین المللی و کاوش های فضایی عمل می نماید.

این سازه بزرگ که به مقدار یک زمین فوتبال و بزرگ ترین سازه انسان در فضاست، 370 تا 460 کیلومتر و به طور میانه اغلب حدود 400 کیلومتر از سطح زمین ارتفاع دارد و در مدار پایین زمین، با شیب مداری 51.6 درجه اطراف سیاره ما می چرخد. ایستگاه فضایی از 2 نوامبر 2000 به طور پیوسته شاهد سکونت فضانوردان از کشورهای مختلف بوده است و این حضور، بینش ارزشمندی درباره سفرهای فضایی، فیزیولوژی انسان و آزمایش ها و پیشرفت های علمی ارائه می دهد.

ساخت و ساز اصلی ایستگاه فضایی بین المللی بین سال های 1998 و 2011 میلادی تکمیل شد هرچند مجموعه ایستگاه به طور پیوسته در حال تکامل است و شامل مأموریت ها و آزمایش های تازهی متناسب با احتیاجهای حال و آینده می شود. به گفته آژانس فضایی اروپا (ESA)، ایستگاه فضایی متعلق به یک کشور واحد نیست و یک برنامه همکاری میان اروپا، ایالات متحده آمریکا، روسیه، کانادا و ژاپن محسوب می شود.

بعلاوه دفتر بازرس کل آژانس فضایی آمریکا گزارش داده است که ایستگاه فضایی بین المللی حدود 3 میلیارد دلار در سال برای عملیات ناسا هزینه در پی دارد و این مقدار تقریبا یک سوم بودجه پروازهای فضایی انسانی است. اما چرا چنین سازه ای در مدار زمین قرار گرفته است و چنین هزینه ای برای آن ارزش دارد؟

تاریخچه و روند توسعه ایستگاه فضایی بین المللی

خاستگاه ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) به دوران جنگ سرد و زمانی بازمی شود که ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی در میانه یک رقابت فضایی شدید قرار داشتند. نخستین گام های قابل توجه به سمت ساخت ایستگاه فضایی مشترک، در اوایل دهه 1980 زده شد ، یعنی زمانی که آمریکا ساخت ایستگاه فضایی آزادی (Freedom) را پیشنهاد کرد و همین حال، اتحاد جماهیر شوروی، مشغول توسعه یک پروژه رقیب به نام میر-2 (Mir-2) بود.

با این حال، هر دو کشور دریافتند که به جای توسعه جداگانه ایستگاه فضایی اختصاصی، یک کوشش مشترک بین المللی می تواند مزایای قابل توجهی را به ویژه از نظر بودجه و تأمین منابع به همراه داشته باشد. به همین علت در اواسط دهه 1990 میلادی، گفت وگو میان ناسا و آژانس فضایی روسیه که در آن موقع به عنوان آژانس فضایی فدرال روسیه شناخته می شد، به یک هم گرایی بر امکان پیوستن به یکدیگر برای ساخت یک ایستگاه فضایی مشترک نزدیک می شد.

سال 1998 میلادی نقطه عطفی در تاریخ فضایی بشر بود؛ چون با موافقیت روسیه و آمریکا برای ادغام پروژه های ایستگاه های فضایی جداگانه، برنامه ایستگاه فضایی بین المللی به طور رسمی شروع شد. بدین ترتیب ماژول زاریا (Zarya) از سوی روسیه در 20 نوامبر 1998 به فضا پرتاب شد و شروع مونتاژ ایستگاه فضایی بین المللی را رقم زد. تنها چند روز بعد، ماژول یونیتی (Unity) هم از سوی آمریکا، به مدار زمین رسید. این دو ماژول با موفقیت در مدار به هم متصل شدند و نخستین مرحله از ساخت ایستگاه فضایی بین المللی را شکل دادند. این پرتاب ها و اتصال تاریخی، یک دستاورد مهم حتی فراتر از صنعت فضایی به شمار می رفت چون نشان داد حتی در زمینه ای که به طور سنتی تحت سلطه رقابتی شدید قرار داشت، می تواند همکاری صورت بگیرد.

توسعه ایستگاه فضایی کاری بزرگ بود که احتیاج به همکاری گسترده بین المللی فراتر از دو کشور آمریکا و روسیه داشت. به همین علت هم در مجموع، بیش از 15 کشور به این پروژه یاری کردند و در این میان آژانس های فضایی مختلفی از اروپا (ESA)، ژاپن (JAXA)، کانادا (CSA) و برزیل، فعالیت های گسترده ای را برای تأمین ماژول ها، خدمه و تجهیزات پیش بردند. آزمایشگاه کلمبوس (ESA)، آزمایشگاه کیبو (JAXA) و بازوی رباتیک کانادآرم 2 (کانادا) تنها نمونه هایی از همکاری های متنوعی هستند که ISS را به آنچه که امروز هست، تبدیل نموده اند. فرآیند مونتاژ در مدار اما روندی بسیار پیچیده و ظریف بود که به پیاده روی های فضایی متعدد و پهلوگیری فضاپیماهای مختلف برای تحویل قطعات احتیاج داشت.

نقطه عطف دیگر در سال 2000 بود؛ زمانی که ایستگاه فضایی بین المللی با راه اندازی ماژول زوزدا (Zvezda) که سیستم های پشتیبانی حیات و بعلاوه محل زندگی خدمه ایستگاه را دربر داشت، برای همواره به محیطی سکونت پذیر تبدیل شد. از آن موقع، ماژول ها و به روزرسانی های بیشتری هم به ایستگاه افزوده شده اند تا امکان افزایش قابلیت های علمی و شرایط زندگی بهتر را فراهم نمایند. از جمله مهم ترین این عملیات ارتقاء می توان به افزودن آرایه های خورشیدی برای فراوری برق و توسعه سیستم خرپایی ایستگاه برای پشتیبانی از این آرایه ها اشاره نمود.

به تدریج با اضافه شدن ماژول های متعدد، ایستگاه فضایی بین المللی به سازه گسترده و به هم پیوسته امروزی تبدیل شده است که بیش از 15 ماژول تحت فشار و اجزای متعدد بدون فشار، مانند فضای ذخیره سازی خارجی و واحدهای آزمایش علمی را شامل می شود. با وجود چالش های متعددی که ISS در طول توسعه خود داشته است، از عوامل سیاسی و موانع تکنولوژیکی مانند توقف برنامه شاتل گرفته تا تأخیرهای متعدد به علت اتفاقات ناخواسته، این بستر بزرگ علمی همچنان به تحقیقات علمی، تقویت همکاری بین المللی و نوآوری در زمینه های مختلف ادامه می دهد.

معینات ایستگاه فضایی بین المللی

بخش های مختلف ایستگاه فضایی بین المللی از جمله آرایه های خورشیدی بزرگ آن در مجموع مساحت یک زمین فوتبال آمریکایی را همراه با منطقه ها انتهایی آن به خود اختصاص می دهد و حدود 108 متر طول، 74 متر عرض و 45 متر ارتفاع دارد. جرم ایستگاه برابر با 419 هزار و 725 کیلوگرم یعنی حدود 420 تن است.

این مجموعه اکنون دارای اتاق های قابل سکونت بیشتری نسبت به یک خانه 6 خوابه معمولی است و 2 حمام، امکانات سالن بدنسازی و یک پنجره با دید 360 درجه دارد. فضانوردان بعلاوه فضای زندگی ایستگاه فضایی را با کابین هواپیمای جامبو جت بوئینگ 747 مقایسه نموده اند. البته نه فقط از نظر ابعاد با هواپیما قابل مقایسه است، بلکه از نظر سرعت هم ISS بسیار سریع است. ایستگاه فضایی 16 بار در روز به دور زمین می چرخد و با سرعت تقریبی 28 هزار کیلومتر بر ساعت که معادل ده برابر سرعت یک گلوله روی زمین است، هر 90 دقیقه یک دور کامل را طی می نماید و بدین ترتیب در هر شبانه روز زمین، 16 بار طلوع و 16 بار غروب خورشید را تجربه می نماید.

دسترسی به ایستگاه فضایی بین المللی

به طور معمول تیمی بین المللی شامل هفت نفر در ایستگاه فضایی بین المللی در بازه های زمانی 6 ماهه زندگی و کار می نمایند. هر مأموریت مجزا با نام اکسپدیشن (Expedition) به معنای اعزام شناخته می شود که معمولا شامل تیم 7 نفره به فرماندهی یکی از آنان است اما در طول دوره تغییر اعضای خدمه، این تعداد می تواند متفاوت باشد. برای نمونه در سال 2009، 13 خدمه از ایستگاه فضایی بین المللی بازدید کردند. این تعداد بعلاوه رکورد بیشترین حضور هم زمان افراد در فضا را به خود اختصاص داده است. تا آخر سال 1403 (مارس 2025) 72 اعزام رسمی کاری به ایستگاه فضایی بین المللی انجام شده است.

علاوه بر حضور فضانوردان حرفه ای، گاهی افراد در قالب برنامه های توریستی فضایی در ایستگاه فضایی بین المللی حضور پیدا می نمایند. از جمله انوشه انصاری که در سال 20016 (1385 خورشیدی) به عنوان نخستین زن توریست فضایی به ISS رفت. بعلاوه از چند سال گذشته مأموریت های خصوصی به ایستگاه فضایی از جمله مهم ترین آن ها به وسیله آکسیوم اسپیس (Axiom Space) هم شروع شده است که فضانوردان غیرحرفه ای را به مدار زمین می برند.

ایستگاه فضایی بین المللی از زمان شروع به کار در سال 1998 به انواع فضاپیماها برای حمل ونقل بار و فضانوردان متکی بوده است. روش های رسیدن به ISS طی سال های مختلف به شکل قابل توجهی تکامل یافته است و از مأموریت های اولیه شاتل های فضایی گرفته تا خدمات تجاری خصوصی امروزی و خدمات باری به وسیله شرکت های مختلف را شامل می شود.

سالهای اولیه با شاتل فضایی و سایوز

در طول دهه نخست راه اندازی ایستگاه فضایی بین المللی، شاتل فضایی ناسا و فضاپیمای سایوز روسیه ابزارهای اصلی انتقال فضانوردان به ایستگاه فضایی بودند. شاتل فضایی به عنوان یک فضاپیمای قابل استفاده مجدد، با رساندن ماژول ها و تجهیزات بزرگ، نقش مهمی در مونتاژ ایستگاه فضایی بین المللی داشت. با این حال، پس از انتها برنامه شاتل فضایی در سال 2011، سایوز روسی تنها وسیله نقلیه برای جابه جایی انسان شد. سایوز، یک فضاپیمای جمع و جور اما قابل اعتماد، از سال 2000 فضانوردان را به ایستگاه فضایی بین المللی پرتاب می نماید و این روند تا امروز ادامه دارد.

تأمین مجدد محموله به وسیله فضاپیماهای باری Progress و ATV و HTV

علاوه بر حمل ونقل انسان، مأموریت های تأمین مجدد ایستگاه هم برای تحویل آب و غذا، تجهیزات علمی و ابزارهای نگهداری حیاتی بوده و به صورت پیوسته انجام می شود. فضاپیمای پروگرس روسیه از سال های اولیه به ارسال محموله می پردازد. آژانس فضایی اروپا هم از سال 2008 تا 2014 با وسیله نقلیه انتقال اتوماتیک (ATV) به جابه جایی بار می پرداخت و وسیله نقلیه کارگو H-II ژاپن (HTV)، معروف به کونوتوری هم از سال 2009 تدارکاتی را به مدار زمین ارسال نموده است. این فضاپیماهای رباتیک برای یک بار استفاده طراحی شده اند و هنگام بازگشت در جو زمین می سوزند.

ظهور فضاپیماهای تجاری

پس از بازنشستگی شاتل فضایی، ناسا همکاری خود را در زمینه برنامه های سرنشین دار و باری تجاری با شرکت های خصوصی شروع کرد. در سال 2012، دراگون (Dragon) اسپیس ایکس نخستین فضاپیمای خصوصی بود که محموله را به ایستگاه فضایی بین المللی تحویل داد. بعدها فضاپیمای سیگنوس (Cygnus) متعلق به نورثروپ گرامن هم به مأموریت های تأمین مجدد ملحق شد. برای حملونقل خدمه هم فضاپیمای سرنشین دار دراگون اسپیس ایکس پرتاب فضانوردان را در سال 2020 شروع کرد تا پروازهای فضایی انسان از خاک آمریکا بار دیگر به جریان بیفتد. استارلاینر (Starliner) بوئینگ هم کوشش هایی را شروع نموده اما هنوز به موفقیت کامل برای پروازهای عملیاتی دست پیدا ننموده است.

حمل و نقل مدرن تر در آینده

امروزه ترکیبی از مأموریت های سایوز، سرنشین دار دراگون و سیگنوس ایستگاه فضایی بین المللی را عملیاتی نگه می دارند. پیشرفت های آینده، مانند ایستگاه های فضایی خصوصی و نسل بعدی فضاپیماها از جمله فضاپیماهای شرکت هایی مانند بلو اوریجین و بوئینگ، ممکن است تحول بیشتری در حمل ونقل ایستگاه فضایی ایجاد نمایند. علاوه بر این، توریستی فضایی هم رو به توسعه است و شهروندان خصوصی اکنون این فرصت را دارند که با فضاپیمای تجاری از ایستگاه فضایی بین المللی بازدید نمایند.

می توان گفت که سفر به ایستگاه فضایی بین المللی از مأموریت های دولتی به ترکیبی از کوشش های بین المللی و تجاری تبدیل شده است. با ادامه توسعه فناوری سفرهای فضایی، دسترسی به ایستگاه فضایی بین المللی و به طور کلی فضا بیشتر و متنوع تر می شود و کوشش های دولتی معطوف به سفر به ژرفای فضا خواهد شد.

سازه و بخش های اصلی ایستگاه فضایی بین المللی

ایستگاه فضایی بین المللی یک ساختار ماژولار و چندبخشی متشکل از اجزای متعدد به هم پیوسته است که هر یک برای عملنمودهای خاصی طراحی شده اند و به صورت جداگانه به فضا رفته اند. این اجزا شامل ماژول های تحت فشار، سازه های خرپایی، بندرگاه های اتصال و آرایه های خورشیدی می شوند که همه کنار هم به پشتیبانی از حیات و پژوهش در فضا می پردازند.

ایستگاه فضایی بین المللی تکه تکه به فضا برده شد و به تدریج با استفاده از فضانوردان راهپیمایی فضایی و روباتیک در مدار ساخته شد. بیشتر مأموریت ها از شاتل فضایی ناسا برای حمل قطعات سنگین تر استفاده می کردند، اگرچه بعضی از ماژول های منفرد روی موشک های یکبار مصرف پرتاب شدند. ISS شامل ماژول ها و گره های اتصال است که شامل محل های زندگی و آزمایشگاه ها، و بعلاوه خرپاهای بیرونی که پشتیبانی ساختاری را فراهم می نمایند، و پنل های خورشیدی که انرژی را تامین می نمایند.

بعضی از مهم ترین ماژول ها و اجزای اصلی ایستگاه فضایی بین المللی عبارتند از:

• سازه های خرپایی
• قفل هوا
• پنل های خورشیدی
• ماژول زوزدا (Zvezda) روسیه؛ پرتاب در سال 2000
• ماژول آزمایشگاه دستینی (Destiny) ناسا؛ پرتاب در سال 2001
• بازوی رباتیک کانادآرم2) (Canadarm2) آژانس فضایی کانادا؛ پرتاب در سال 2001
• هارمونی/نود 2 ناسا؛ پرتاب در سال 2007
• تأسیسات مداری کلمب آژانس فضایی اروپا؛ پرتاب در سال 2008
• دست رباتیک دکستر آژانس فضایی کانادا؛ پرتاب در سال 2008
• ماژول کیبو (Kibo) ژاپن؛ پرتاب از 2008 تا 2009
• پنجره کوپولا (Cupola) و ماژول آسایش (Tranquility/Node 3)؛ پرتاب در سال 2010
• ماژول چند منظوره دائمی لئوناردو آژانس فضایی اروپا؛ استفاده برای سکونت در سال 2011
• ماژول خصوصی فعالیت قابل توسعه بیگلو (Bigelow)؛ پرتاب در سال 2016
• NanoRacks Bishop Airlock؛ پرتاب در سال 2020
• ماژول آزمایشگاهی چند منظوره ناوکا (Nauka)؛ پرتاب در سال 2021
• ماژول پهلوگیری روسیه؛ پرتاب در سال 2021

ماژول های تحت فشار

ایستگاه فضایی بین المللی مجموعه ای از ماژول های تحت فشار دارد که فضای قابل سکونت را برای زندگی و انجام آزمایش ها در اختیار فضانوردان قرار می دهد. این ماژول ها شامل آزمایشگاه ها، اتاق های خدمه و مکان های ذخیره سازی مواد غذایی و تجهیزات است. از جمله ماژول های تحت فشار شاخص می توان به دستینی (Destiny) به عنوان آزمایشگاه تحقیقاتی اولیه ناسا، کلمبوس (Columbus) به عنوان ماژول علمی آژانس فضایی اروپا و کیبو (Kibo) به عنوان ماژول ژاپن برای تحقیقات پیشرفته اشاره نمود. ماژول زوزدا هم که به وسیله روسیه عملیاتی شده است، به عنوان یک جزء حیاتی کل ایستگاه عمل می نماید و سیستم های پشتیبانی از حیات، اتاق خواب و یک مرکز ارتباطی را ارائه می دهد.

سازه های خرپایی

کل ایستگاه فضایی بین المللی به وسیله یک سامانه خرپایی گسترده پشتیبانی می شود که در حقیقت ستون فقرات ایستگاه را تشکیل می دهد. سازه خرپایی یکپارچه (Integrated Truss Structure) یا ITS آرایه های خورشیدی بزرگ ایستگاه، رادیاتورها و واحدهای ذخیره سازی خارجی را در خود جای داده است. داشتن این چارچوب خرپایی برای حفظ یکپارچگی ساختار ایستگاه و پشتیبانی از سیستم های رباتیک خارجی مانند کانادآرم2، که به مونتاژ و تعمیرات یاری می نماید، لازم است.

بندرگاه های اتصال

وجود چندین اسکله فضایی به فضاپیماهای کشورهای مختلف امکان می دهد تا برای انتقال خدمه و مأموریت های باری، در ایستگاه فضایی بین المللی پهلو بگیرند. از جمله نقاط دسترسی هارمونی (Harmony) و یونیتی (Unity) به عنوان هاب های اتصال کلیدی عمل می نمایند، ماژول های آزمایشگاهی مختلف را به هم متصل می نمایند و به فضاپیماهایی مانند دراگون اسپیس ایکس، سایوز روسیه و استارلاینر بوئینگ فرصت می دهند تا به طور ایمن در ایستگاه فضایی پهلو بگیرند.

آرایه های خورشیدی

تأمین انرژی ایستگاه فضایی بین المللی، به یک سیستم آرایه خورشیدی گسترده شامل چندین پانل بزرگ و با بازدهی بالا احتیاج دارد که نور خورشید را به برق تبدیل نمایند. آرایه های خورشیدی فتوولتائیک ایستگاه، به خوبی انرژی کافی را برای فعالیت از سیستم های پشتیبانی حیات، ابزارهای علمی و سیستم های ارتباطی فراوری می نمایند. این آرایه ها پیوسته جهت خود را به گونه ای تنظیم می نمایند تا جذب نور خورشید را به حداکثر برسانند و از روشن ماندن ایستگاه فضایی در 24 ساعت شبانه روز و 7 روز هفته اطمینان حاصل شود.

زندگی در ایستگاه فضایی بین المللی

زندگی در ایستگاه فضایی بین المللی به هیچ وجه شبیه زندگی روی زمین نیست. فضانوردان ناگزیر به زندگی و کار در یک محیط ریزگرانش هستند که فعالیت های روزمره مانند خوردن، خوابیدن و ورزش احتیاج به سازگاری های زیاد و منحصربه فرد دارد. روند فعالیت های روزانه ساکنان ایستگاه فضایی معین است و به گونه ای طراحی شده که از بهره وری و رفاه اطمینان حاصل شود و میان تحقیقات علمی، وظایف تعمیر و نگهداری، ارتباط با زمین و انجام فعالیت های شخصی تعادل باشد.

فعالیت های روزانه در ایستگاه فضایی

فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی از برنامه ریزی دقیقی برای بیشینه کردن بهره وری خود پیروی می نمایند. یک روز معمولی با یک زنگ بیدارباش از سوی مرکز کنترل مأموریت (Mission Control) شروع می شود. پس از آن فضانوردان برنامه های بهداشتی صبحگاهی دارند که تنها با استفاده از منابع محدود آب ممکن است چون مایعات در ریزگرانش رفتار متفاوتی دارند. پس از صبحانه، خدمه وظایف روزانه را آنالیز می نمایند و آزمایش های علمی و فناوری و بعلاوه تعمیر و نگهداری ایستگاه را شروع می نمایند. در طول روز بعلاوه برنامه های ارتباطی از جمله تماس های ویدیویی زنده با دانش آموزان و دانشجویان و بعلاوه پژوهشگران روی زمین دارند.

عصرها اما برای فضانوردان فرصت استراحت و انجام فعالیت های شخصی فراهم است. بنابراین آن ها به فعالیت هایی مانند مطالعه یا تماشای فیلم و آماده شدن برای کار روز بعد می پردازند. قبل از خواب، آنها به وسیله تماس های ویدیویی و ایمیل با خانواده و عزیزانشان ارتباط برقرار می نمایند. بر خلاف روی زمین، فضانوردان در کیسه خواب هایی می خوابند که روی دیوارها محکم شده اند تا از شناور شدن آنها در اطراف جلوگیری شود.

آزمایش های علمی و تعمیرونگهداری ایستگاه

فضانوردان هر روز باید آزمایش های متنوعی را در طیف گسترده ای از زمینه ها، از جمله زیست شناسی، فیزیک، شیمی و علم مواد انجام دهند تا پدیده هایمختلف را در ریزگرانش آنالیز نمایند. آزمایش هایی که با توجه به نبود شرایط، روی زمین قابل تکرار نیستند. علاوه بر آزمایش های علمی، خود ایستگاه فضایی بین المللی هم به طور پیوسته احتیاج به تعمیر و نگهداری و به روزرسانی هایی دارد که انجام آن ها وظیفه فضانوردان مستقر در ISS است. بنابراین فضانوردان برای حفظ عملکرد ایستگاه، بازرسی، تعمیرات و ارتقاء دوره ای را طبق برنامه ریزی انجام می دهند.

خوردن و آشامیدن در فضا

مدیریت آماده سازی وعده های غذایی در ایستگاه فضایی بین المللی به دقت صورت می گیرد تا اطمینان حاصل شود که فضانوردان مواد مغذی لازم را دریافت می نمایند و در عین حال با شرایط کمبود گرانش سازگار می شوند. غذا در ظروف بسته بندی شده و بدون هوا یا آب گیری شده، نگهداری و بعدا با آب داخل فضاپیما مخلوط می شود. فضانوردان از سینی های نواری و مغناطیسی برای نگه داشتن ظروف و بسته های غذا در جای خود استفاده می نمایند. برخلاف روی زمین، مایعات باید به وسیله نی های مخصوص و کیسه های مهروموم شده مصرف شوند تا از شناور شدن قطرات در هوای داخلی ایستگاه و آسیب رساندن به تجهیزات جلوگیری شود.

رژیم فضانوردان شامل انواع وعده های غذایی است که برای نگهداری طولانی مدت و مصرف آسان طراحی شده اند. انتخاب های محبوب شامل ماکارونی، غذاهای برنجی، میوه ها و غذاهای غنی از پروتئین مانند مرغ و ماهی می شوند. هم اکنون تحقیقات درباره تغذیه فضایی، با هدف بهبود کیفیت غذا ادامه دارد تا از سالم ماندن فضانوردان در مأموریت های طولانی اطمینان حاصل شود.

ورزش در ریزگرانش

ورزش منظم برای حفظ سلامت جسمی به ویژه در فضا بسیار مهم است چون ریزگرانش استخوان ها و ماهیچه ها را ضعیف می نماید و این موضوع می تواند خطراتی را هنگام بازگشت فضانوردان به گرانش زمین ایجاد کند. به همین علت و برای مقابله با آتروفی عضلانی (کاهش جرم عضلات) و کاهش تراکم استخوان ناشی از قرار گرفتن طولانی مدت در معرض میکروگرانش، فضانوردان باید حداقل دو ساعت در روز ورزش نمایند. به همین علت ISS مجهز به یک باشگاه کوچک با تجهیزات تمرینی تخصصی است که از جمله شامل موارد زیر می شود:

• تردمیل با مهار برای جلوگیری از شناور شدن فضانوردان.
• دستگاه های ورزشی مقاومتی که وزنه برداری را با استفاده از نوارهای الاستیک شبیه سازی می نمایند.
• دوچرخه های ثابت که روی زمین محکم شده و امکان تمرینات قلبی-عروقی را فراهم می نمایند.

بهداشت و مراقبت شخصی

با توجه به اینکه آب روان در فضا نیست، فضانوردان از دستمال مرطوب، شامپوهای بدون احتیاج به آبکشی و خمیر دندان مخصوص برای فعالیت های بهداشتی خود استفاده می نمایند. آب در ایستگاه فضایی اهمیت دارد و بنابراین به جای دوش های سنتی، فضانوردان بدن خود را با پارچه های مرطوب تمیز می نمایند. آب استفاده شده از جمله رطوبت ناشی از عرق و تنفس و حتی توالت هم، جمع آوری و به آب آشامیدنی تمیز تصفیه می شود و چنین روندی ایستگاه فضایی را به یک محیط خود نگهدار تبدیل می نماید.

چالش های روانی و زندگی اجتماعی

محصور شدن در یک فضای کوچک با تماس شخصی محدود با خانواده و دوستان، کار آسانی نیست و چالش های روانی به همراه دارد. بعلاوه فضانوردان باید با این شرایط انزوا، استرس و اثرات اختلال در چرخه خواب به علت داشتن 16 طلوع و غروب روزانه خورشید در مدار کنار بیایند. به همین علت ناسا و دیگر آژانس های فضایی از سلامت روان پشتیبانی می نمایند؛ تماس های ویدیویی با عزیزان، گزینه های تفریح، و ارزیابی های روان شناختی منظم از جمله برنامه های اجرا شده در این زمینه است.

کار گروهی و حفظ روابط مثبت نیز برای موفقیت در مأموریت و برخورداری خدمه از روحیه مناسب لازم است. بنابراین آن ها در فعالیت های اجتماعی شرکت می نمایند، تولدها و تعطیلات را همراه با وعده های غذایی ویژه و تبریک های ثبت شده از روی زمین جشن می گیرند.

می توان گفت زندگی در ایستگاه فضایی به هیچ وجه کار راحتی نیست بلکه احتیاجمند داشتن سازگاری، انضباط و انعطاف پذیری بالاست. هر جنبه ای از زندگی روزانه مانند خوردن، خوابیدن، ورزش کردن و رعایت بهداشت، در ایستگاه فضایی به دقت طراحی شده است تا بر چالش های ریزگرانش غلبه کند. حتی با وجود این چالش ها، فضانوردان همچنان مرزهای اکتشافات فضایی را پیش می برند و تجربیات ارزشمندی به دست می آورند که پایه ای برای مأموریت های آینده به ماه، مریخ و فراتر از آن خواهد بود.

پژوهش های علمی در ایستگاه فضایی بین المللی

ایستگاه فضایی بین المللی با توجه به قرار داشتن در مدار زمین، گرانش بسیار کمی را تجربه می نماید که به آن شرایط ریزگرانش (Microgravity) گفته می شود. قرار داشتن در چنین شرایطی، یک آزمایشگاه ریزگرانش عالی را شکل می دهد و آزمایش های علمی متفاوتی را امکان پذیر می نماید که بدون وجود ISS ممکن نبود. ایستگاه فضایی بین المللی به عنوان یکی از معدود آزمایشگاه های ریزگرانش (در کنار ایستگاه فضایی چین)، تا کنون فعالیت های بیش از 3600 پژوهشگر را برای انجام بیش از 2500 آزمایش تا به امروز تسهیل نموده است. بعضی از مهم ترین زمینه های علمی که در ایستگاه فضایی بین المللی آزمایش های متعددی پیرامون آن ها انجام می شود، به توضیح زیر است.

سلامت انسان و زیست شناسی

یکی از کلیدی ترین حوزه های تحقیقاتی در ایستگاه فضایی، به آینده نسل بشر مربوط می شود و آن درک اثرات ریزگرانش بر بدن انسان است. مطالعات در زمینه آتروفی عضلانی، کاهش تراکم استخوان، تغییرات قلبی-عروقی و پاسخ های سیستم ایمنی مهم ترین زمینه های تحقیقاتی سلامت هستند که در دوره های مختلف و به طور پیوسته پیگیری می شوند. این تحقیقات برای آماده سازی فضانوردان با هدف انجام مأموریت های طولانی مدت به ماه و مریخ کاملا لازم است. انجام آزمایش های بیولوژیکی، مانند آزمایش روی جوندگان یا پرورش گیاهان دیگر فعالیت های کاوشگران مداری زمین است.

علم مواد و فیزیک سیالات

ایستگاه فضایی بین المللی یک محیط منحصربه فرد برای آزمایش موادی فراهم می نماید که در شرایط ریزگرانش رفتار متفاوتی دارند. پژوهشگران شیوه تشکیل و تعامل فلزات، آلیاژها و دیگر مواد را مطالعه می نمایند که در نهایت منجر به پیشرفت در کاربردهای صنعتی، ساخت و فراوری و فناوری نانو می شود. آزمایش های فیزیک سیالات هم به بهبود فناوری هایی مانند سیستم های انتقال سوخت در فضا و دستگاه های پزشکی روی زمین یاری خواهد نمود.

نجوم و رصد زمین

موقعیت ایستگاه فضایی در مدار پایین زمین (LEO) به دانشمندان امکان می دهد تا پدیده های آسمانی مانند پرتوهای کیهانی و فعالیت خورشیدی را بدون مزاحمت جوی رصد نمایند. علاوه بر این، مأموریت های رصد زمین به آنالیز تغییرات آب وهوایی، روند جنگل زدایی، بلایای طبیعی و شرایط جوی یاری می نمایند و داده های ارزشمندی را برای مطالعات زیست محیطی ارائه می دهند.

توسعه فناوری

ایستگاه فضایی بین المللی بعلاوه به عنوان محل آزمایش فناوری های تازه فضایی، از جمله فناوری های رباتیک، سازوکارهای اتصال فضاپیماها و سیستم های پشتیبانی حیات عمل می نماید. چنین نوآوری هایی مانند چاپ سه بعدی در فضا و دستیارهای رباتیک خودمختار، به هموار کردن راه برای مأموریت های کاوش اعماق فضا در آینده یاری می نمایند.

تعمیر و نگهداری ایستگاه فضایی

تعمیر و نگهداری ایستگاه فضایی بین المللی شامل مجموعه ای از آنالیز های عادی سیستم ها، انجام تعمیرات، به روزرسانی بخش ها، اقدامات پیشگیرانه و پیاده روی پرخطر فضایی است. هر یک از این وظایف برای اطمینان از اینکه ایستگاه همچنان به عنوان یک مرکز تحقیقات علمی و مرکز پشتیبانی از آسایش فضانوردان ساکن در آن کاربرد دارد، حیاتی است.

آنالیز سیستم ها

فضانوردان به طور منظم سیستم های حیاتی را در ایستگاه فضایی بین المللی آنالیز و ارزیابی می نمایند و از عملکرد مطلوب همه چیز اطمینان حاصل می نمایند. این ارزیابی ها شامل آزمایش سیستم های پشتیبانی از حیات هم می شود که سطح اکسیژن، حذف کربن دی اکسید و بازیافت آب را تنظیم می نماید. سیستم های فراوری و توزیع برق، مانند آرایه های خورشیدی و ذخیره باتری، برای اطمینان از روشن ماندن پیوسته ایستگاه آنالیز می شوند و سیستم های تنظیم دما برای حفظ محیط راحت در داخل ایستگاه کالیبره می شوند. سیستم های ارتباطی هم برای اطمینان از تماس قابل اعتماد با مرکز کنترل مأموریت و دیگر فضاپیماها آزمایش می شوند. این آنالیز ها برای جلوگیری از شکست مأموریت ها و تضمین ایمنی فضانوردان در ایستگاه لازم است.

تعمیرات

با توجه به اینکه سیستم های پیچیده زیادی در ایستگاه فضایی مشغول به کار هستند، تعمیرات هم در آن ضروری و اجتناب ناپذیر است. بنابراین فضانوردان برای تشخیص و برطرف مشکل با استفاده از ابزارهای مختلف تخصصی آموزش دیده اند و فعالیت های مختلفی را در این زمینه انجام می دهند که می تواند از کارهای ساده مانند برطرف نشتی یا وصله سوراخ های کوچک در تجهیزات گرفته تا تعمیرات پیچیده تر، مانند تعویض سخت افزار یا قطعات الکتریکی معیوب را شامل شود. در بسیاری از موارد، فضانوردان می توانند این تعمیرات را بدون احتیاج به پیاده روی فضایی و با استفاده از قطعات و ابزارهای داخل خود ایستگاه انجام دهند.

ارتقاء و نصب

ISS به طور مرتب به وسیله مأموریت های تامین مجدد (Resupply) محموله هایی را از زمین دریافت می نماید. این محموله ها می توانند شامل تجهیزات تحقیقاتی تازه، پیشرفت های فناورانه یا قطعات جایگزین برای سیستم های قدیمی باشد. فضانوردان با نصب ابزارهای علمی تازه امکان انجام تحقیقات بیشتر یا ارتقاء تجهیزات موجود در ایستگاه را برای بهبود عملکرد فراهم می نمایند. بعلاوه ممکن است سخت افزار ارسال شده از زمین، مانند ماژول های تازه برای توسعه فضای سکونت پذیر یا پانل های خورشیدی تازه را برای افزایش فراوری انرژی نصب نمایند. اما نصب چنین تجهیزاتی، احتیاجمند برنامه ریزی دقیق و همکاری چند فضانورد با یکدیگر است.

تعمیر و نگهداری پیشگیرانه

علاوه بر این، اقدامات پیشگیرانه هم برای اطمینان از طول عمر ISS و جلوگیری از خرابی سیستم ها در آن انجام می شود. این تعمیرات شامل کارهای معمولی مانند تمیز کردن فیلترهای هوای ایستگاه، روغن کاری قطعات متحرک از جمله مفاصل بازوهای رباتیک و جایگزینی قطعات فرسوده است. فضانوردان بعلاوه وظیفه دارند کابل ها، حسگرها و دیگر اجزای کلیدی را بازرسی نمایند تا علائم اولیه نقص را در آن ها تشخیص دهند. این رویکرد پیشگیرانه، ریسک خرابی های عمده را کاهش می دهد و به عملیاتی ماندن پیوسته ایستگاه یاری می نماید.

پیاده روی فضایی (EVA)

پیاده روی یا راهپیمایی فضایی یکی از چالش برانگیزترین و پرخطرترین وظایف تعمیرونگهداری و در عین حال از مجذوب کننده ترین آن هاست که به وسیله فضانوردان در ایستگاه فضایی انجام می شود. هنگامی که احتیاج به تعمیرات یا ارتقاء قطعات خارجی ایستگاه مانند تعویض پانل های خورشیدی، تعمیر آنتن ها، یا برطرف نشتی وجود داشته باشد، فعالیت های بیرون از وسیله نقلیه (EVA) مورد احتیاج است.

آماده سازی برای پیاده روی فضایی شامل شبیه سازی های متعدد، اجرای پروتکل های ایمنی و آنالیز هایی برای اطمینان از ایمنی فضانوردان است. در طول راهپیمایی فضایی، فضانوردان لباس های فضایی مخصوصی می پوشند که از آن ها در برابر شرایط سخت فضا محافظت می نماید. این لباس ها شرایط پشتیبانی از حیات، از جمله اکسیژن، کنترل دما و سیستم های ارتباطی را فراهم می نمایند. پیاده روی فضایی می تواند چندین ساعت طول بکشد و احتیاج به برنامه ریزی دقیقی دارد تا اطمینان حاصل شود که فضانوردان همه ابزارهای مورد احتیاج را با خود دارند. علاوه بر این هنگام راهپیمایی فضایی همواره ارتباط با مرکز کنترل مأموریت به طور پیوسته برقرار است.

حقایق جالب درباره ایستگاه فضایی بین المللی

ایستگاه فضایی بین المللی در طول بیش از یک چهارم قرن فعالیت، همواره فراتر از یک آزمایشگاه علمی ساده بوده است و با داشتن ماجراهای مجذوب کننده همواره بخشی از فرهنگ عامه را با خود همراه نموده است. در این جا چند حقیقت جالب درباره ISS را مرور می کنیم.

16 بار طلوع و غروب در شبانه روز زمین

با توجه به سرعت ایستگاه فضایی بین المللی، این سازه هر 90 دقیقه یک بار دور زمین می چرخد و بنابراین در هر شبانه روز سیاره ما، 16 بار طلوع و 16 بار غروب خورشید را تجربه می نماید.

بازیابی آب توالت برای نوشیدن

شیوه تأمین احتیاجهای اولیه اغلب اولین پرسش هایی هستند که هنگام فکر کردن به زندگی در فضای بیرونی به فکر می رسند. دو توالت فضایی در ایستگاه فضایی بین المللی وجود دارد که فضانوردان هنگام استفاده، خود را به آن ها می بندند. حتی ادرار آن ها فیلتر و تصفیه شده و در نهایت به آب آشامیدنی تبدیل می شود.

امکان تماشا ایستگاه فضایی بین المللی از زمین

ایستگاه فضایی بین المللی سومین شیء درخشان در آسمان شب زمین است و با چشم غیر مسلح هم حتی در شهرها قابل مشاهده است. برای تشخیص آن، باید در پی نوری شبیه هواپیما باشید که به سرعت در آسمان حرکت می نماید. به احتمال زیاد در طول سحر و غروب در بعضی شب ها، می توانید نگاهی به گذر آن داشته باشید.

تغییرات بدن

تغییرات بدن در فضا می تواند از چیزهای کوچک تا موارد عجیب متفاوت باشد. برای نمونه به گفته یکی از فضانوردان پینه کف پا در فضا، در نهایت می ریزد و کف پاهای شما مانند پای نوزاد تازه متولد شده، بسیار نرم می شود اما بخش های دیگری که با اجسام مختلف در تماس است، سخت و زبر خواهد شد. علاوه بر این در نبود گرانش، عضلات و استخوان ها تحلیل می روند و علت ورزش فضانوردان نیز همین است.

اینترنت در ایستگاه فضایی

همه ساکنان ایستگاه فضایی بین المللی لپ تاپ و دستگاه های همراه دارند و حتی می توانند برای برقراری ارتباط با خانواده و دوستان و تماشای تلویزیون زنده به اینترنت متصل شوند.

تحقیقات علمی عجیب

علاوه بر فضانوردانی که ایستگاه را اداره می نمایند، دانشمندان بسیاری از رشته های دیگر هم در پژوهش های آن حضور فعال دارند. آن ها به تأثیر ریزگرانش بر بدن انسان نگاه می نمایند، احتمالات سفرهای فضایی آینده و بعلاوه طیف گسترده ای از انواع دیگر تحقیقات مهم، از مطالعه ماده تاریک، تا رشد کریستال ها را برای استفاده در پزشکی آنالیز می نمایند.

کند شدن پیری

به طور شگفت انگیزی، فضانوردان هنگامی که از ایستگاه فضایی بین المللی بازمی گردند، نسبت به زمان مشابهی که روی زمین می بودند، کمتر پیش می شوند. این موضوع به علت اتساع زمان نسبی با سرعت نسبی روی می دهد. سرعت بالایی که فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی تجربه می نمایند، به این معنی است که زمان برای آن ها نسبت به افراد روی سطح زمین کوتاه تر می شود. اگرچه این یک ترفند و تجربه مثبتی در مسیر ضد پیری است اما پس از 6 ماه حضور در ایستگاه فضایی، فضانوردان تنها 0.005 ثانیه از بقیه ما جوان تر خواهند بود.

سخت شدن کارهای آسان

فعالیت هایی مانند کوتاه کردن مو که روی زمین برای ما آسان است، در محیط حساس ایستگاه فضایی بین المللی بسیار پیچیده تر می شوند. فضانوردان موهای خود را با استفاده از گیره های متصل به جاروبرقی کوتاه می نمایند. به این ترتیب که تمام موهای برش خورده و سرگردان را جمع می نماید تا از مسدود شدن فیلتر هوا و دیگر تجهیزات ایستگاه جلوگیری شود.

کاوش نمای خیابان با گوگل مپ

در سال 2017 گوگل طی یک همکاری با ناسا، روشی را توسعه دادند تا امکان تهیه تصاویر 360 درجه در ریزگرانش باشد و بدین ترتیب تور مجازی ایستگاه فضایی بین المللی به گوگل مپ افزوده شد تا امکان کاوش ایستگاه فضایی بین المللی در استریت ویو برای کاربران فراهم باشد.

برنامه آینده

ایستگاه فضایی بیش از دو دهه است که به طور پیوسته مرکز تحقیقات علمی و همکاری های بین المللی بوده است. با این حال، با افزایش سن ایستگاه و ظهور پروژه های فضایی تازه، بحث درباره آینده آن تشدید شده است. برنامه های فعلی نشان می دهد که این آزمایشگاه مداری حداقل تا سال 2030 به فعالیت خود ادامه خواهد داد و پس از آن ممکن است از رده خارج شده و ایستگاه های فضایی تجاری یا دیگر پلتفرم های مداری جایگزین آن شوند.

توسعه فعالیت ISS تا سال 2030

ناسا و شرکای بین المللی آن از جمله روسیه)، اروپا، ژاپن و کانادا، توافق نموده اند که ایستگاه فضایی بین المللی را تا سال 2030 عملیاتی نگه دارند. در این دوره، ایستگاه به حمایت از تحقیقات علمی، آزمایش های فناوری و آماده سازی برای مأموریت های اعماق فضا از جمله مأموریت های مریخ ادامه خواهد داد. با این حال، حفظ ساختار قدیمی ایستگاه به طور فزاینده ای هزینه بر می شود و نگرانی هایی هم درباره قابلیت اطمینان طولانی مدت ماژول های آن وجود دارد.

انتقال به ایستگاه های فضایی تجاری

یکی از جنبه های کلیدی و محتمل برای آینده ایستگاه فضایی، انتقال آن به ایستگاه های فضایی خصوصی است. ناسا برای این منظور از شرکت هایی مانند آکسیوم اسپیس، بلو اوریجین، نانورکس و نورثروپ گرامن در توسعه ایستگاه های فضایی تجاری، حمایت می نماید. ایده این است که به شرکت های خصوصی این امکان داده شود تا زیستگاه های فضایی بسازند که میزبان تحقیقات علمی، فعالیت های تجاری و حتی توریستی فضایی در مدار زمین باشد. برای نمونه آکسیوم اسپیس اعلام نموده است که میخواهد یک ماژول تجاری را قبل از راه اندازی یک ایستگاه مستقل به ایستگاه فضایی بین المللی متصل کند.

از کار انداختن و خروج مداری کنترل شده

زمانی که ایستگاه فضایی به انتها عمر عملیاتی خود برسد، باید به طور ایمن از مدار خارج شود تا از تبدیل شدن اجزای آن به زباله های فضایی خطرناک جلوگیری شود. طرح فعلی شامل استفاده از یک فضاپیمای تخصصی (احتمالا یک وسیله نقلیه باری اصلاح شده پروگرس) برای راهنمایی ایستگاه فضایی بین المللی به نقطه نمو می شود که منطقه ای خالی از سکنه در اقیانوس آرام است و بسیاری از فضاپیماهای از کار افتاده به طور ایمن در آن دفع شده اند. انتظار می رود این فرود کنترل شده در اوایل دهه 2030 انجام شود.

نقش دروازه ماه و اکتشاف اعماق فضا

در حالی که ایستگاه فضایی بین المللی بر تحقیقات مدار پایین زمین تمرکز نموده است، پروازهای فضایی انسان در آینده تا ماه و فراتر از آن توسعه خواهد یافت. ناسا و شرکای آن مشغول توسعه ایستگاه فضایی تازه ای با نام دروازه ماه (Lunar Gateway) در اطراف ماه هستند که به عنوان پایگاهی برای مأموریت های اعماق فضا، از جمله فرودهای روی ماه در برنامه آرتمیس و مأموریت های سرنشین دار احتمالی به مریخ عمل می نماید.

جمع بندی

ایستگاه فضایی بین المللی گواه بر نبوغ، پشتکار و همکاری نسل بشر است. هرچند بازنشستگی این سازه بزرگ و آزمایشگاه علمی ارزشمند اجتناب ناپذیر است و برنامه ریزی برای انتها کار آن شروع شده است اما با توجه به اینکه بشریت اکنون در پی کاوش اعماق فضاست، ایستگاه فضایی همچنان به عنوان یک پله مهم در سفر ما به فراسوی زمین باقی خواهد ماند. طی دهه آینده، با موضوع این شاهکار مهندسی، شاهد تغییر از عملیات فضایی تحت رهبری دولت به یک اقتصاد فضایی تجاری تر خواهیم بود که راه را برای آینده ای پایدار در مدار و فراتر از آن مانند مأموریت های فضایی به ماه و مریخ و حتی اعماق فضا هموار می نماید.

منابع: Space, Britannica, Google, ESA, NASA, Planetary Society