لقد مرت مائة عام هذا الشهر على أول رحلة آلية للأخوين رايت. ماذا عن إرسال طائرات، وإن كانت بدون طيار، إلى أقمار المريخ أو الزهرة أو زحل؟
من: ترجمة موقع Space.com: إيلي بن دافيد
قد تعتمد دراسات الكواكب المستقبلية على التاريخ الغني لتقدم الطيران - هنا اليوم - من الأخوين رايت إلى بالونات الهواء الساخن التي يعود تاريخها إلى قرون.
يرسم مهندسو الفضاء طرقًا جديدة لاستكشاف المريخ وعوالم أخرى في نظامنا الشمسي من خلال أبحاث مبتكرة في طريقها لتصميم روبوت سداسي (هوائي) يمكنه قياس أعماق الغلاف الجوي لكوكب تيتان وأقمار زحل، وحتى قطعه غيوم الزهرة، أو تحوم فوق الكواكب الغازية العملاقة، البعيدة.
ومن الطرق التي يتم اختبارها حاليًا هي استخدام منطاد الهواء الساخن.
بداية، يمكن للبالونات إنزال الطائرات إلى سطح الكوكب، وبالعكس، يمكن رفع الأجسام في الهواء إلى ارتفاعات مختلفة، مثل رفع الكاميرات أو غيرها من أجهزة الاستشعار عن بعد للأغراض العلمية. ويمكن أيضًا استخدامها عدة مرات في مسح سطح الكوكب، بسرعة أكبر وعلى العديد من المناطق التي تغطي مساحة أكبر من الروبوتات القائمة على التجوال الأرضي.
المهندس الذي تبنى نهج المنطاد الكوكبي هو جاك جونز، كبير المهندسين في "تقنيات التنقل والطاقة الحرارية المتقدمة" في مختبر الدفع النفاث (JPL) في باسادينا، كاليفورنيا.
يدرس مختبر الدفع النفاث بنشاط ثلاثة عوالم جاهزة لنشاط البالونات، وهي تقنية يمكن تصنيفها تحت عنوان "المادة الخفيفة": كوكب الزهرة، والمريخ، وأحد أقمار زحل، تيتان. وأضاف جونز.
بالنسبة لكوكب الزهرة، يعد المنطاد الذي يمكن التحكم في ارتفاعه والمصمم على مراحل مثاليًا بدرجة كافية. على المريخ، تكون بالونات الهيليوم على ارتفاع ثابت، أو سيتم استبدالها ببالونات يتم التحكم في ارتفاعها ومسخنة بالطاقة الشمسية وتتحرك داخل الغلاف الجوي. وبالنسبة لتيتان، فإن المنطاد المملوء بالهيدروجين أو الهيليوم يبدو واعدًا للغاية، كما يقول جونز.
الصيف القطبي
وكانت المنطقة التي ركز عليها جونز وزملاؤه في السنوات الأخيرة هي البالونات التي يتم تسخينها بالطاقة الشمسية على المريخ. يقول جونز إن مناطيد الهواء الساخن، المشابهة لتلك التي أطلقها الأخوان مونتجولفييه الفرنسيان في القرن الثامن عشر، يمكن أن توفر منصة خاصة قريبة من السطح للعبور بعيد المدى لمناطق القطب الشمالي. طور مهندسو مختبر الدفع النفاث نظامًا مبتكرًا لتهوية الهواء الساخن والذي يتيح لأول مرة هبوطًا ناعمًا ودقيقًا ومتكررًا لبالونات الهواء الساخن.
على كوكب المريخ، خلال فصل الصيف القطبي للكوكب الأحمر، قد تطفو مثل هذه البالونات التي تعمل بالطاقة الشمسية في الهواء لعدة أسابيع، وربما حتى أشهر. سيؤدي دوران الغلاف الجوي للمريخ إلى تحريك البالونات حول المنطقة القطبية عدة مرات قبل أن يعبر المنطاد خط نهاية الكوكب.
من بين المهام العديدة: يمكن للأجسام المحمولة بالبالونات التي تحوم فوق المريخ مسح سطح الأرض بحثًا عن التوقيعات البيولوجية، حتى الطبقة الجوفية من صخور مصدر المياه (طبقات المياه الجوفية) التي قد تخدم بيئة بيئية للحياة الميكروبية (البكتيريا) المقاومة للظروف الباردة والقاسية. قال ج. معجزة
صندوق أدوات البحث
يقول أنتوني كولوس، مهندس الفضاء في مركز جلين للأبحاث التابع لناسا في كليفلاند، أوهايو: "يجب اعتبار الطائرات الكوكبية والمركبات الجوية أداة أخرى في مجموعة أدوات البحث". وأضاف: "ليس المقصود منهم المشاركة في الدراسات المخصصة لأنواع أخرى من المركبات البحثية، بل استكمالها".
وأوضح كولوزا أن المركبات الجوية تحقق فائدة أكبر فيما يتعلق بالأبحاث الأرضية، والتي يتم إجراؤها باستخدام مجموعة متنوعة من الروبوتات الأرضية وروبوتات الهبوط بالإضافة إلى تلك التي تتحرك في مدار فضائي. بعد أخذ كل الأمور بعين الاعتبار، توفر هذه الطائرات مجموعة مثالية من قدرات البحث الكوكبي. ويقول كولوزا: "بينما توفر الروبوتات ومركبات الهبوط بيانات عالية الدقة على نطاق محلي، توفر الأقمار الصناعية بيانات منخفضة الدقة على نطاق كوكبي، بينما يمكن للطائرات توفير بيانات عالية الدقة على نطاق إقليمي".
وهناك ميزة أخرى للمركبات الجوية الطائرة: فهي توفر أيضًا وسيلة لأخذ عينات مباشرة من الغلاف الجوي للكوكب، في مناطق خاصة وعلى ارتفاعات متنوعة، كما يقول كولوزا. يمكن لهذه المركبة الجوية، المجهزة بأجهزة الاستشعار المناسبة، دراسة تركيزات الغازات الحيوية. وقال كولوزا: "إذا تم العثور على مثل هذه التركيزات، فيمكن لمهمة مستقبلية إرسال روبوت أرضي أو مركبة هبوط إلى الموقع المعني لاستكمال التحقيق".
يقول كولوزا إن تكنولوجيا طيران المركبات الجوية على الكواكب الأخرى أصبحت في متناول اليد. ويضيف: "هناك بعض المشكلات الهندسية وبعض التطورات التكنولوجية مطلوبة، لكن الأمر لا يختلف أو أكثر تعقيدًا مما هو مطلوب لأي نوع آخر من المركبات البحثية". يقول كولوزا: لأنه لم يتم القيام بذلك مطلقًا قبل أن يكون هناك تصور للمخاطر المرتبطة بمهمة طائرة كوكبية. "سواء كان ذلك مبررًا أم لا، فمن الضروري تقليل الشعور بالخطر الناتج عن رحلة استكشافية بالطائرة الكوكبية."
على سبيل المثال، تشتمل جهود تقليل عوامل الخطر على مركبة جوية تعتبرها وكالة ناسا المهمة الرئيسية لبرنامج استطلاع المريخ. تم إسقاط نموذج مصغر لها من الجو على ارتفاع عالٍ فوق الأرض لإثبات ما إذا كان بإمكانها نشر نفسها وتنفيذ طيران متحكم فيه. على الرغم من أن التجربة تم اقتراحها من قبل مركز لانجلي للأبحاث التابع لناسا في هامبتون، فيرجينيا، إلا أنه لم يتم اختيار المسح البيئي الإقليمي الجوي (ARES) في النهاية.
وقال إن كولوزا كان يعمل على روبوت مستقبلي على شكل حشرة، وهو روبوت أبحاث مريخي قادر على الرد على رحلات بعيدة المدى على المريخ. الظروف على المريخ: جو منخفض الكثافة وقوة جاذبية منخفضة - توفر إمكانية إنتاج مركبة يمكنها، من خلال رفرفة أجنحتها، توليد قوة رفع مشابهة في الشكل للحشرة. وهذا من شأنه أن يسمح للمركبة بالتحليق ببطء والهبوط والإقلاع والتحليق عمليًا داخل الغلاف الجوي للمريخ. علاوة على ذلك، يمكن تزويد هذا النوع من الطائرات بالوقود بواسطة مركبة متنقلة (روبوت أرضي)، مما يسمح برحلة طويلة على المريخ.
"لن تكون الحشرة الآلية مناسبة لأي بيئة كوكبية أخرى. لا يوجد مزيج من هذه الظروف البيئية الكوكبية في أي عالم آخر باستثناء المريخ. إن الجمع بين الغلاف الجوي منخفض الكثافة القريب من سطح الأرض وقوة الجاذبية المنخفضة هو شرط أساسي لتحقيق فكرة الحشرة الآلية" - قال كولوزا.
تغلب على الريح
تعتبر الطائرة التي تعمل بالطاقة الشمسية مثالا جيدا على كفاءة استخدام الموارد البيئية ومصادر الطاقة المتجددة لتقدم مركبة قادرة على البقاء في الجو لفترة طويلة، مدينة كولوسا. "بالطبع لن تعمل الطاقة الشمسية في كل مكان. وبعد كوكب المريخ، تتضاءل شدة أشعة الشمس وتكون أضعف من أن تتمكن من دفع طائرة. ولذلك فإن الرحلات الجوية الشمسية إلى الكواكب الخارجية وأقمارها لن تكون ممكنة. وهذا يتركنا مع كوكب الزهرة والمريخ". ويشير إلى أن كوكب الزهرة يوفر خيارًا فريدًا. بفضل قربه من الشمس، ينعم كوكب الزهرة بالطاقة الشمسية، لكن على الرغم من ذلك فإن وجهه مغطى بطبقة سميكة من السحب. أضف إلى ذلك سرعات الرياح العالية، وستحصل على صورة غير مشجعة تجعل من الصعب بشكل خاص تشغيل مركبة تعمل بالطاقة الشمسية على كوكب الزهرة.
ولكن عند الفحص الدقيق، يقول كولوزا، هناك منطقة من الغلاف الجوي لكوكب الزهرة حيث يمكن لمركبة تعمل بالطاقة الشمسية أن تعمل وتتحرك بسرعة أكبر من سرعة الرياح. "هذه القدرة على التغلب على الرياح بالإضافة إلى طول اليوم على كوكب الزهرة - يوم الزهرة يساوي 234 يومًا أرضيًا - تشير إلى أن طائرة تعمل بالطاقة الشمسية تتحرك في نطاق الارتفاع المناسب يمكنها القيام بمهمة طويلة جدًا. وعلى الرغم من أنها لن تكون مركبة ذات مقاس واحد يناسب الجميع، إلا أنها ستكون بالتأكيد كافية للمهمة المخصصة لكوكب الأرض وفي نطاق الارتفاع".
حلم رائد الفضاء
الآن بعد أن أصبحت المركبة الفضائية كاسيني قريبة من وجهتها، ستصل إلى زحل في 1 يوليو 2004. ستبدأ كاسيني بعد ذلك مهمتها الرئيسية التي تستغرق 4 سنوات في مدار حول العالم الحلقي. كجزء من مهمتها البحثية، تستعد كاسيني لإطلاق القمر الصناعي البحثي Huygens (على اسم عالم الرياضيات والفيزياء والفلكي الهولندي كريستيان هويجنز 1629-1695) ليهبط عبر الغلاف الجوي السميك لقمر زحل، تيتان. يمكن للقمر الصناعي أن يصطدم بما يمكن أن يكون محيطًا من الهيدروجين السائل.
ولكن حتى قبل أن تبدأ كاسيني "الخدمة" في زحل، بدأ العلماء والمهندسون في اختبار مركبة فضائية مستقبلية لتتبع موقع هبوط هويجنز المتوقع. يقول جوناثان لونين، أستاذ علوم وفيزياء الكواكب ورئيس قسم الفيزياء الفلكية النظرية بجامعة أريزونا في توكسون: "أفضل مكان لنشر مركبة جوية - منطاد أو طائرة أو مروحية - هو قمر زحل تيتان". وأضاف في مقابلة مع موقع space.com: "مع الجاذبية المنخفضة، والجو المضغوط عالي الوزن الجزيئي (النيتروجين)، ودرجات الحرارة المنخفضة، يجب أن يكون هذا حلم كل رائد فضاء. في الواقع، قد تكون مثل هذه المركبة هي الحل الأفضل لاستكشاف تيتان بعمق ومتابعة اكتشافات كاسيني-هويجنز.
يقول رالف لورينز، عالم الفضاء في مختبرات القمر والكواكب بجامعة أريزونا، إن أي دراسة ما بعد كاسيني تيتان باستخدام المناطيد والمروحيات تبدو ممكنة.
ويعتقد لورنتز أن الأقمار الصناعية البحثية التي ستتبعها لن تقوم على الأرجح بدراسة كل جسم تكتشفه كاسيني، ولكنها ستعمل كعقدة اتصال مع وكالة ناسا وتنقل البيانات التي تم جمعها بواسطة منصات متنقلة تحلق فوق تيتان، حتى مثل المركبات التي تم استخدامها. في ذلك الوقت في ظروف الليل القمري.
المناطيد إلى تيتان
"على الرغم من أن فكرة مروحيات وطائرات تيتان ستكون ممكنة - والكشف الراداري، في وقت سابق من هذا العام، الذي يشير إلى وجود بحيرات من الإيثان (الإيثان = [في الكيمياء: غاز عديم اللون والرائحة]) يجعل مهمة منصات التحليق أكثر جاذبية "من المحتمل أن يكون المفهوم الرائد عبارة عن سفينة جوية"، كما يقول لورينز.
سوف يتحرك المنطاد ببطء حول القمر بسبب انخفاض درجة حرارة تيتان. من أجل البقاء في وضع الطيران لأطول فترة ممكنة، سيكون من الضروري تخفيفه عن طريق رمي دولاب الموازنة عند الضرورة (دولاب الموازنة = حمولة لتثبيت السفينة). ويعتقد لورينز أن إحدى الأفكار هي أوزان التثبيت المنظمة في كبسولات، والتي يمكن التخلص منها عن طريق إطلاقها على سطح تيتان.
يقول لورينز إنه ليس هناك شك في أنه ستكون هناك حاجة إلى نقل بيانات بحثية بقيمة sdg غيغابايت من بيانات تيتان. ولذلك، سيكون من الضروري تجهيز المنصة العائمة بمجموعة رائعة من المعدات العلمية الدقيقة وخفيفة الوزن.
يجب إجراء الاختبارات الكيميائية للتربة. يمكن لمقياس مغناطيسي صغير أن يساعد في استخلاص استنتاجات حول الجزء الداخلي لتيتان. يجب أن تكون معدات استشعار الأرصاد الجوية مفيدة أيضًا، حتى لو كان قمر زحل يتمتع بغلاف جوي سميك. ومن المعروف عن ظاهرة السحب المتطايرة (الانقلاب - مثل تلك التي تمنع تبديد الضباب الدخاني فوق المناطق الملوثة من الأرض، ملاحظة محرر الموقع.)، كما يقول لورينز، والتي تتضمن احتمالية تساقط "أمطار الميثان" على المنطقة. عالم محاط بالسرية. وأخيرًا، قد يحمل مستكشف تيتان المستقبلي معه أيضًا معدات رادارية وموجات فوق صوتية تحت السطح، وحتى جهازًا لرصد الزلازل، كما يقول.
حركة ثلاثية الأبعاد
يقول لاري يونج من قسم الطائرات العمودية في مركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا في موت فيلد، كاليفورنيا، إن التقدم في دراسة العوالم الأخرى يتطلب التنقل ثلاثي الأبعاد. ويشير إلى حقيقة أن تيتان هو القمر الوحيد الذي يتمتع بغلاف جوي صلب، يمكنه دعم مركبة ذات رافعة دوارة. استكشف يانغ أيضًا نوع الطائرات العمودية، مثل المروحية والدوار العمودي، التي يمكن تطويرها للدراسات الجوية لكوكب الزهرة والمريخ وتيتان، "مثل هذا التنقل لمركبة الأبحاث الجوية من شأنه أن يتيح فحص الميزات الأرضية المثيرة للاهتمام والتي لا يمكن الوصول إليها في الغالب بأي وسيلة أخرى."
أما بالنسبة للعمالقة الغازية الخارجية، فيقول يانغ، إن مركبة الأبحاث الجوية يمكن أن تستخدم حركتها لاستكشاف كيمياء الغلاف الجوي والأرصاد الجوية بعمق، وهو ما لا يمكن الحصول عليه بوسائل أخرى.
"ومع ذلك، من الضروري التأكد من أن المركبات الجوية المقترحة في المهمة البحثية لا تعتبر فقط شاشات عرض تكنولوجية، بل هي أفضل الأدوات الممكنة لأهداف المهمة التي صممت من أجلها. وفي الوقت نفسه، سيقال أدناه أن تطوير منصات الأبحاث الجوية سيكون له تأثير تكنولوجي كبير في سياق المجالات القريبة، بما في ذلك، على سبيل المثال، مزايا أنظمة الطاقة وأجهزة الاستشعار الدقيقة وأتمتة المركبات". .
في مركز أميس التابع لناسا، يتم اختبار ودراسة المركبات الجوية ذات الأجنحة الثابتة والرافعة العمودية (لأبحاث الكواكب). ومن بين جيوش التصاميم: طائرة دوارة للمريخ، وقمر بحثي بأجنحة دوارة، ومنطاد هجين شبه عائم لكوكب الزهرة. أيضًا روبوت يحوم لعمالقة الغاز الخارجي.
تعزيز الأهداف العلمية
في السنوات الأخيرة، تركز الحديث عن الأبحاث الجوية الكوكبية على الطائرات أو المناطيد المتجهة إلى المريخ. ومع ذلك، سارع يانغ إلى الإشارة إلى أنه لن يتم بناء نوع واحد فقط من مركبات الأبحاث التي يمكنها التعامل مع جميع الأهداف العلمية، "فأنواع معينة من المركبات ستكون أفضل لمهمة معينة وأهدافها العلمية. وقال يونج: "قد تكون هناك حاجة لمهام متعددة باستخدام أنواع متعددة من المركبات لإجراء بحث شامل يمليه مجتمع علوم الكواكب".
ويشير يونغ إلى وجود العديد من الأجسام الكوكبية في نظامنا الشمسي، بالإضافة إلى المريخ، حيث يمكن أن تكون منصات الأبحاث الجوية ميزة كبيرة. قد يستفيد الاستكشاف العلمي لكوكب الزهرة وتيتان وعمالقة الغاز الخارجي من استخدام هذه المنصات.
وخلص يونج إلى أنه "على أية حال، يجب أن تؤخذ بيئة الكوكب والقضايا العلمية المتوقعة في الاعتبار في مفهوم قرارات التصميم".
