پر کردن شکاف‌ها در علم: چگونه ماهواره‌های سنتینل به پژوهش‌های زمینی کمک می‌کنند

همکاری بین آژانس فضایی اروپا (ESA) و اتحادیه اروپا (EU) همچنان رو به افزایش است و EU حدود ۹ میلیارد یورو برای فعالیت‌های فضایی بین سال‌های ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۷ اختصاص داده است. این سرمایه‌گذاری بزرگ از سیستم‌ها و برنامه‌های فضایی نسل بعدی که برای حفاظت از شهروندان از طریق توانمندی‌های پیشرفته مشاهدات زمینی طراحی شده‌اند، حمایت می‌کند.

در خط مقدم این ابتکارات، سیستم کوپرنیکوس قرار دارد که داده‌های ماهواره‌ای و زمینی نزدیک به زمان واقعی را به‌طور رایگان برای کاربران در سراسر جهان فراهم می‌کند. سنگ‌بنای این سیستم، مجموعه ماهواره‌های سنتینل است. هر ماهواره سنتینل برای وظایف خاص مشاهده زمین طراحی شده است، از نظارت بر تغییرات اقلیمی و جنگل‌زدایی تا پیگیری شهرنشینی و پاسخ به بلایای طبیعی.

به عنوان مثال، سنتینل-۱ توده‌های زمینی، یخ‌های دریایی و فعالیت‌های دریایی را پایش می‌کند و از واکنش‌های اضطراری حمایت می‌کند. سنتینل-۲ با تصاویر با وضوح بالا به مدیریت زمین و تلاش‌های انسانی کمک می‌کند. سنتینل-۳ اندازه‌گیری‌های دقیقی از دماهای سطحی و رنگ‌های خشکی و دریایی ارائه می‌دهد، در حالی که سنتینل-۴ و سنتینل-۵ بر کیفیت هوا و پایش جو تمرکز دارند. سرانجام، سنتینل-۶ تغییرات سطح دریای جهانی را دنبال می‌کند و بینش‌های مهمی برای مطالعات تغییرات اقلیمی فراهم می‌سازد.

در سال ۲۰۱۴، سنتینل-۱A اولین از نوع خود به فضا پرتاب شد و در سال ۲۰۱۶ سنتینل-۱B به آن پیوست. با هم، این ماهواره‌ها ارزش زیادی فراهم کرده‌اند و ماهانه بیش از ۹۵۰۰۰ محصول داده‌ای منتشر می‌کنند. کاربران در سراسر جهان اکنون بیش از ۲.۳ پتابایت داده به‌طور رایگان دانلود می‌کنند که اهمیت جهانی برنامه را نشان می‌دهد.

چگونگی عملکرد مأموریت

جدیدترین ماهواره در این سری، ماهواره سنتینل-۱C در ۵ دسامبر از پایگاه فضایی اروپا در گویان فرانسه به آسمان پرتاب شد. این ماهواره با استفاده از وگا-C، یک موشک ۳۵ متری اروپایی با جرمی ۲۱۰ تنی، به مدار رسید. این وسیله نقلیه که قادر به حمل ۲۳۰۰ کیلوگرم به مدار است، ماموریت خود را در هشت دقیقه به پایان رساند.

به گفته سیمونتا چلی ، مدیر برنامه‌های مشاهده زمین ESA، انتقال به موشک وگا-C یک چالش بود، زیرا ماهواره‌های قبلی به پرتابگر سوزو متکی بودند که اکنون در دسترس نیست. مجهز به یک رادار با دیافراگم مصنوعی باند C، سنتینل-۱C تصاویر با وضوح بالا ارائه می‌دهد و استمرار داده‌ها را به عنوان ماهواره‌های قدیمی‌تر تضمین می‌کند.

«نوآوری این مأموریت این است که بر روی آن یک ابزار AIS قرار دارد، که یک سیستم شناسایی خودکار است. این ابزار جدید مکمل برای ماهواره و سیستم رادار خواهد بود تا شناورهای دریایی را شناسایی کند، حمل و نقل را بهبود بخشد و از این لحاظ چالش ما بوده است،» چلی در مصاحبه‌ای با مهندسی جذاب اظهار داشت.

دو ماهواره مشابه، مأموریت سنتینل-۱ را تشکیل می‌دهند و از دو طرف مدار واحدی اقدام به استقرار پوشش جامع زمین می‌کنند. پس از از دست دادن سنتینל-۱B به دلیل مشکلات فنی در سال ۲۰۲۲ که آن را ناتوان از جمع‌آوری داده‌ها کرد، مأموریت هم‌اکنون با تمام ظرفیت خود کار می‌کند زیرا سنتینل-۱C در کنار سنتینل-۱A به عنوان دو ماهواره این مجموعه کار می‌کند. ماهواره سنتینل-۱D جایگزین سنتینل-۱A در سال بعد خواهد شد.

اولین تصاویر از سنتینل-۱C

در عرض یک هفته پس از ورود به مدار، سنتینل-۱C اولین تصاویر راداری خود را گرفت. بر اساس یک بیانیه رسانه‌ای منتشر شده توسط ESA ، این عکس‌ها سوولبارد در نروژ، هلند و بروکسل در بلژیک را نشان می‌دهند. اولین تصویر، کمی بیش از ۵۶ ساعت پس از پرتاب، سوولبارد، یک مجمع الجزایر دور در اقیانوس قطب شمال نروژ را نشان می‌دهد. تصویر دوم از هلند، آمستردام و منطقه فلیوولاند را به تصویر می‌کشد.

این تصاویر اولیه به شمار زیادی از رشته‌های علمی کمک می‌کنند از جمله نظارت بر تغییر شکل زمین ناشی از زلزله‌ها، آتشفشان‌ها و نشست‌ها، همچنین نقشه‌برداری منابع طبیعی. مأموریت از عملیات انسانی و واکنش جهانی به بحران‌ها پشتیبانی می‌کند. داده‌ها به‌طور رایگان از طریق فضای داده کوپرنیکوس در دسترس هستند و دسترسی به اطلاعات حیاتی برای نظارت و حفاظت محیط‌زیست را فراهم می‌کنند.

تبدیل تابش به انرژی

ماهواره‌های سنتینل داده‌های رصد زمین با وضوح بالا ارائه می‌دهند که می‌توانند در حل چالش‌های پیش‌روی ما روی زمین کمک کنند. برای مثال، می‌توان اطلاعاتی درباره آلودگی‌ها به دست آورد که می‌تواند راهنمای توسعه نانومواد برای جبران آلودگی و عملکرد آن‌ها باشد.

نانومواد از ذرات ریز تشکیل شده‌اند که می‌توانند انرژی تابشی را جذب کرده و به نور تبدیل کنند. نانو ساختارها، از طرفی، ترتیب‌های خاص نانومواد هستند که می‌توانند عملکرد آن‌ها را بهبود بخشند. آزمایش این مواد مستقیماً در فضا امکانات متعددی را فراهم می‌کند. این شامل استفاده از داده‌های سنتینل برای توسعه نانومواد خواهد بود که به نوبه خود نانوفناوری را بهبود خواهد بخشید.

علاوه بر این، داده‌های ماهواره‌ای می‌توانند به نقشه‌کشی منابع طبیعی، خصوصاً منابع معدنی کمک کنند. به گفته پروفسور لیبراتو مانا از مؤسسه فناوری ایتالیا، شناسایی ذخایر معدنی می‌تواند برای توسعه تکنولوژی‌های جدید مهم باشد، زیرا موادی بحرانی همواره مورد نیاز هستند.

پروفسور مانا بخشی از پروژه‌ای با سازمان فضایی ایتالیا است که مواد قابل استفاده به عنوان دتکتورهای سانتیلاتور را تحلیل می‌کند. سانتیلاتور ماده‌ای است که تابش‌هایی با انرژی بالا، مانند اشعه ایکس و اشعه گاما، را جذب کرده و به نور تبدیل می‌کند. به عنوان مثال در تجهیزات پزشکی برای تصویربرداری با اشعه ایکس، توموگرافی و پت استفاده می‌شوند. به عقیده مانا، همین اصل می‌تواند برای تبدیل تابش با انرژی بالا به برق اعمال شود و منبع برق بیشتری برای ماهواره‌ها فراهم کند.

این شبیه این است که تلفن همراه شما یک لایه خاص داشته باشد که گرمای خورشید را به انرژی تبدیل کند و دیگر نیازی به شارژر نباشد. به طور مشابه، نانو کریستال‌های سانتیلاتور می‌توانند تابش‌های با انرژی بالا مانند اشعه گاما را شناسایی کرده و آن‌ها را به نور یا حتی برق تبدیل کنند. بنابراین، مثلاً تابش‌های کیهانی مضر که ممکن است به ماهواره‌ها آسیب برساند، جذب می‌شود در حالی که بخشی از تابش می‌تواند به برق تبدیل شود تا به ابزارات ماهواره نیرو داده شود.

«به طور اساسی، می‌توان کل پوشش ماهواره را به یک دتکتور سانتیلاتور غول‌پیکر تبدیل کرد که به طور همزمان به عنوان یک سپر تابش و یک منبع برق عمل کند،» مانا خاطرنشان کرد. البته این مفهوم نیاز به آزمایش‌های بیشتری دارد.

مأموریت‌های فضایی آینده به عنوان آزمایش‌های ارزشمند خواهند بود، زیرا نانومواد می‌توانند دتکتورهای سانتیلاتور بسیار متنوعی را ایجاد کنند. مانا اهمیت فهم گسترش نانومواد در کم‌گرانشی را برجسته کرد، زیرا این محیط‌ها می‌توانند به رژیم‌های رشد منجر شوند که به شدت خارج از تعادل هستند و به ایجاد نانوساختارهای منحصر به فرد کمک می‌کنند. همه این‌ها نشان می‌دهند که داده‌هایی که به‌طور رایگان از ماهواره‌ها بدست می‌آوریم می‌توانند نه تنها به ما در مبارزه با مسائل جهانی کمک کنند بلکه می‌توانند توسعه فناوری را تعیین کنند.

از اقیانوس تا شهرنشینی

علاوه بر این، دو مطالعه اخیر اهمیت ماهواره‌ها در پژوهش‌های زیست‌محیطی و اجتماعی را مورد تأکید قرار داده‌اند. با استفاده از داده‌های ماهواره سنتینل-۲ ESA، پژوهشگران برای اولین بار توانستند ماکروپلاستیک‌های شناور مخلوط با جلبک‌ها و کف دریا را در آب‌های ساحلی تشخیص دهند.

دانشمندان از داده‌های ماهواره‌ای برای بهبود تشخیص زباله‌های پلاستیکی در آب‌های ساحلی برزیل استفاده کردند. تصاویر فرستاده شده از مدار مورد بررسی قرار گرفتند تا موادی مانند ماکروپلاستیک‌ها، جلبک‌های دریایی و کف دریا در آب‌ها طبقه‌بندی شوند. مدل به دقت ۸۷.۲۵٪ در تشخیص ماکروپلاستیک‌ها از سایر مواد دست یافت.

در همین حال، مطالعه دیگری پژوهشگران از سوئیس، نقشه‌های جمعیتی با وضوح بالا را که توسط سنتینل-۱ و سنتینل-۲ به دست آمده‌اند برای توسعه یک روش نقشه‌برداری جمعیتی به نام 'پاپکورن' بررسی کردند. از طریق این روش، پژوهشگران توانستند نقشه‌های جمعیتی برای مناطق در رواندا ایجاد کنند که کمتر از ۴۰۰ شمارش سرشماری ناحیه‌ای داشتند. مطالعه ادعا کرد که 'مدل پیشنهادی به خوبی در انواع مختلفی از مناطق جغرافیایی کار می‌کند و نقشه‌برداری جمعیتی جزئی و دقیق را به شدت ساده می‌کند.

اهمیت ماهواره‌های سنتینل نمی‌تواند بیش از حد بیان شود. در حالی که آن‌ها در بسیاری از زمینه‌های علوم به‌طور حیاتی عمل کرده‌اند، چلی معتقد است که پژوهش‌های آینده باید در جهت پر کردن شکاف‌های موجود حرکت کنند.