حول أزمة الطاقة واستغلال موارد القمر وبرنامج ناسا
بقلم: يورام بوتنيك، محرر محترف بجريدة "المناخ".
أعطني لمحة عن "الطاقة" وسأستقر. كانت قاعة المعهد مكتظة بالفعل بالطلاب وأعضاء هيئة التدريس والعديد من الأشخاص من صناعة الطيران في الماضي والحاضر. ينقل الدكتور موشيه بارليف بساطة الأخلاق الإسرائيلية وحتى "نظافة البالماح" التي بالكاد نراها في أماكننا بعد الآن. ويحرص على التأكيد على أن ما سيقدمه في سياق أزمة الطاقة ليس على الإطلاق "موقف وكالة ناسا" أو غيرها من الهيئات الحكومية غير المعروفة، بل يستند إلى انطباع شخصي من مصادر مرئية. خلاصة القول: لقد بدأت الولايات المتحدة والصين بالفعل سباقًا متجددًا ('هادئًا') للوصول إلى القمر في ضوء الإمكانية التكنولوجية لاستخراج نظير الهيليوم المناسب للاندماج النووي غير المشع، والذي سيكون مصدرًا بديلاً للطاقة. للوقود الأحفوري الموجود على الأرض. اعترف بأن ما يقدمه رائع - حتى لو كان مخطئا (ويزعم البعض أنه ضار)، ومن نحن حتى نفتقد ذلك.
حسنًا، في غضون عقدين من الزمن، سيقوم رواد فضاء ناسا مرة أخرى بمهام على سطح القمر ويمهدون الطريق لرحلات إلى المريخ وما بعده، كما يقول بارليف في بداية عرضه الرائع، والذي تضمن صورًا ورسومًا توضيحية مذهلة من القمر. موقع وكالة الفضاء الأمريكية. سيعتمد البرنامج إلى حد كبير على التقنيات والمكونات التي تم تطويرها واختبارها خلال برنامجي أبولو ومكوك الفضاء، مما جعل من الممكن إنشاء برنامج رخيص وموثوق ومرن وآمن.
لماذا تصميم أنظمة فضائية جديدة: تم تصميم المكوك الفضائي فقط لمهمات المدار الأرضي المنخفض. وسيستمر أسطول المكوك في خدمة المحطة الفضائية حتى عام 2010 وسيتوقف عملياته نحو ذلك التاريخ.
المكوك، الذي يتضمن مركبة فضائية ووسائل انطلاق، هو نظام معقد للغاية، ويتطلب الكثير من الصيانة، كما أن موثوقيته وسلامته لتشغيله المأهول تمثل مشكلة. ومع ذلك، فقد تم إثبات جزء كبير من مكونات نظام الدفع ويمكن استخدامها كمكونات لنظام إطلاق أكثر أمانًا.
وتخطط ناسا للعودة إلى القمر في عام 2018، وإنشاء قواعد دائمة هناك ومواصلة الرحلات الآلية والمأهولة في جميع أنحاء النظام الشمسي.
ولتنفيذ هذه المهام، يجب تصميم مركبات فضائية وأنظمة إطلاق مختلفة عن المكوك الفضائي، كما يوضح بارليف. بدأت وكالة ناسا بالتخطيط للمركبة الفضائية الجديدة (المبنية على برنامج أبولو والمشابهة لمركبة الفضاء الروسية سويوز).
ومن المقرر أيضًا أن تقوم مركبة استكشاف الطاقم بمهام المكوك الفضائي في مدارات منخفضة. لم يتم تصميم CEV للهبوط الديناميكي الهوائي وسيتم الهبوط باستخدام المظلات. سيعتمد نظام الإطلاق الجديد إلى حد كبير على مكونات المكوك وسيتضمن قاذفة ثقيلة لإطلاق الحمولات غير المأهولة، وقاذفة منفصلة مصممة للإطلاق المأهول.
ستعتمد الأنظمة المأهولة المصممة للطيران خارج مدار الأرض على إطلاق منفصل لرواد الفضاء ووسائل الدفع، واتصالهم لاحقًا في مسار الرحلة.
ويشير بارليف إلى أن البرنامج متوافق مع جميع برامج الفضاء المأهولة في الولايات المتحدة الأمريكية، مع مزايا كبيرة مقارنة ببرنامج أبولو:
• مضاعفة حجم الطاقم للقمر.
• أربعة أضعاف ساعات الطاقم على القمر لكل هبوط.
• الهبوط على أي نقطة على سطح القمر، والعودة إلى مطار كا في أي وقت.
• تمكين الوجود البشري الدائم كجزء من الاستعدادات لكوكب المريخ وما بعده.
• استخدام الموارد القمرية، وزيادة السلامة والموثوقية.
• رحلتين على الأقل إلى القمر سنوياً.
• منصة إطلاق تسمح بإطلاق 125 طناً للمهام القمرية ولاحقاً إلى المريخ وما بعده.
• سلامة الطاقم عند الإطلاق أعلى من المكوك الفضائي الحالي، واحتمال الفشل الإحصائي: 1 في 2000 لمركبة إطلاق الطاقم، و1 في 220 لمكوك الفضاء.
• النظام الأمريكي لخدمة وصيانة محطة الفضاء الدولية.
• التحول التدريجي للقوى العاملة في مكوك الفضاء.
ما العلاقة بين برامج الفضاء الصينية وأزمات الطاقة؟
الكثير بالنسبة للرحلات الفضائية. ولكن، يقول بارليف، إن الصينيين يخططون للدوران حول القمر في وقت مبكر من عام 2007 وهبوط رجل هناك بحلول عام 2017. وتقوم الصين بتطوير مركبة فضائية "شنزو إكس" وتطلق ما يصل إلى 25 طنا من الوزن. تتضمن خطتهم وضع تلسكوب فلكي واختبار إمكانية استخراج الهيليوم 3.
ما الذي يميز الهيليوم 3؟
• من الممكن تطوير مفاعل اندماج نووي للهيليوم 3 (وهو أحد نظائر الهيليوم) والديوتريوم، باستخدام التقنيات الحالية، وذلك باستخدام المجالات الكهروستاتيكية بدلاً من المجالات المغناطيسية (بدلاً من الانشطار النووي).
• يعتبر مفاعل تفاعلات الهليوم-3 آمنًا بطبيعته حتى في سيناريوهات الفشل الأكثر خطورة (لا يوجد أي انبعاث للنيوترونات تقريبًا). لا يوجد أي خطر لإلحاق الأذى بالمدنيين أو التعرض للإشعاع، ولا يوجد خوف من الأضرار الإشعاعية ولا توجد نفايات نووية تقريبًا. لا توجد غازات عادمة من التفاعل ولا يوجد أي تأثير على جودة البيئة.
• يتمتع بكفاءة عالية تصل إلى 70%. من المحتمل أن يسمح اندماج الهيليوم 3 بالحصول على طاقة كهربائية مباشرة.
• على الأرض كمية محدودة جداً منه (10 كجم). وثبت وجود الهيليوم 3 على سطح القمر من العينات التي أعيدت إلى إسرائيل. ويوجد منه ما لا يقل عن مليون طن على سطح القمر.
• 25 طناً من الهيليوم 3 تكفي الاستهلاك السنوي للولايات المتحدة الأمريكية، كما أن كمية الطاقة الموجودة على سطح القمر أكبر بعشر مرات على الأقل من موارد الفحم والنفط والغاز الطبيعي على الأرض.
أهداف برنامج عودة القمر
تخطط وكالة ناسا لبرنامج منتظم للهبوط على سطح القمر ومهمات تبدأ في عام 2018 من خلال هبوط أربعة رواد فضاء لإقامة أولية مدتها سبعة أيام. يعتمد البرنامج على استخدام مكونات وتقنيات أبولو ومكوك الفضاء. وسيهبط رواد الفضاء في أي نقطة على سطح القمر، ويقيمون القواعد، ثم ينقلون فيما بعد الأطقم والبضائع لإقامة طويلة تصل إلى ستة أشهر على سطح القمر.
ويعتبر القطب الجنوبي مرشحاً لقاعدة دائمة نظراً لوجود المياه المتجمدة تحت السطح والإضاءة المستمرة لأشعة الشمس التي قد توفر الطاقة اللازمة.
أحد الأسباب المعلنة لهذه العودة هو إمكانية إثبات قدرة رواد الفضاء على العيش بشكل مستقل هناك مع استخدام الموارد المحلية لإنتاج الماء والوقود وغيرها من المنتجات اللازمة لاستدامة الحياة والسفر بين النجوم. الرحلة إلى المريخ، على سبيل المثال، ستستغرق 500 يوم.
عندما يتم تنفيذ مهمتين على الأقل في السنة، ستزداد الحاجة إلى قاعدة دائمة. وبمرور الوقت، سيبقى الطاقم لفترات أطول ويتعلمون كيفية استخدام الموارد القمرية، مع استمرار مركبات الهبوط على سطح القمر في رحلات في اتجاه واحد لتزويد الإمدادات. في المستقبل، سيتم إجراء جولة تغيير الفرق كل ستة أشهر. ستسمح رحلة القاعدة القمرية لمدة ثلاثة أيام من الأرض بالتدرب على استخدام الموارد المحلية قبل الرحلة الطويلة إلى المريخ. سيتم اختبار قاذفة البضائع الثقيلة وخلايا رواد الفضاء وخلايا الخدمة ونظام الدفع واكتساب الخبرة للرحلة إلى المريخ واستخدام موارده...
الخطة: خطوة بخطوة
تبدأ المهمة بإطلاق الوحدة القمرية ومرحلة الخروج من القمر بواسطة القاذفة الثقيلة التي تعمل بزوج من معززات الوقود الصلب وخمسة محركات تعمل بالوقود السائل للمكوك.
بعد وضع الوحدة القمرية ومرحلة الخروج في مدار حول KA، سيتم إطلاق رواد الفضاء على منصة إطلاق المركبات من المسرع الصلب للمكوك كمرحلة أولى ومحرك الوقود السائل للمكوك كمرحلة ثانية.
ستتصل مركبة الطاقم (CEV) بالوحدة القمرية ومرحلة الخروج في مدار أرضي منخفض، وبعد ذلك سيتم إطلاق مركبة الطاقم والوحدة القمرية بواسطة مرحلة الخروج إلى مدار ما بعد الأرض إلى القمر. ستسمح برحلة لستة رواد فضاء، في المرحلة الأولى، سيتم إطلاق مركبة فضائية وبضائع إلى محطة الفضاء الدولية، وسيتم استخدام نسخة غير مأهولة من مركبة الطاقم لنقل البضائع إلى المحطة الفضائية.
وستكون تفاصيل الخطوات اللاحقة على النحو التالي:
1. إطلاق القاذفة الثقيلة الحاملة للمركبة القمرية ومرحلة الدوران حول كا.
2. بعد أيام قليلة، يتم إطلاق رواد الفضاء بواسطة قاذفة أخرى مع مركبة الطاقم.
3. تتصل مركبة الطاقم بالوحدة القمرية ومرحلة الخروج في المدار KA، ويتم تفعيل مرحلة الخروج إلى مدار الخروج القمري.
4. عند الانتهاء من مهمتها، تنفصل مرحلة الخروج وتستمر مركبة الطاقم والوحدة القمرية في طريقهما إلى القمر.
5. عند دخولها المدار حول القمر، تتحرك المركبة أستر من مركبة الطاقم إلى الوحدة القمرية، وتنفصل عنها (وتظل في مدار حول القمر)، وتهبط على سطح القمر.
6. بعد سبعة أيام على سطح القمر، يتم إطلاق النجوم إلى المدار بواسطة المرحلة العليا من الوحدة القمرية.
7. بعد دخول المدار القمري، يتصل النجم بمقصورة الطاقم التي كانت "تنتظرهم"، ويفصل مرحلة الوحدة القمرية وينشط محرك مقصورة الخدمة إلى المدار.
8. عند الانتهاء من مهمتها، تنفصل خلية الخدمة عن الخلية الرئيسية وتقوم بمناورة الدخول إلى الغلاف الجوي.
9. يحمي الدرع الحراري القاذف المقصورة أثناء اختراق الغلاف الجوي، وتنتشر المظلات قبل الهبوط.
الاستفادة من الموارد القمرية
ووفقاً لحسابات كمية المواد المتطايرة في الأمتار الثلاثة الأولى من الغبار القمري (الثرى)، يوجد أيضاً حوالي مليون طن من الهيليوم 3 هناك.
الاستخدامات المحتملة لقطرات القمر هي:
الماء، وقود الصواريخ، الكربوهيدرات، الأكسجين - H2
طاقة الاندماج النووي - 3
التحكم في الغلاف الجوي والتبريد - 4
دعم الحياة، الأكسجين - الماء
الغذاء، التحكم في الجو، الكواشف – N2
الغذاء والكربوهيدرات والوقود - ثاني أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون، CH2
الأكسجين، إنتاج المعادن، تفلون – F2
إنتاج الأكسجين والمعادن، الكواشف - CL2
تعدين المعادن وحمض الكبريتيك والمتفجرات ومواد البناء - ثاني أكسيد الكبريت
صندوق
نقاط لاغرانج حيث يوجد توازن بين جاذبية الأرض والقمر (والأجسام الموجودة في الفضاء بشكل عام) ستكون بمثابة قواعد لوجستية "دائمة" في السفر إلى الفضاء.
الملحق أ: ممكن من الناحية التكنولوجية، وإشكالي من الناحية العملية
ويقدر العلماء أن هناك نحو مليون طن من الهيليوم 3 على سطح القمر، وهو ما قد يكون كافيا لاستهلاك طاقة الاندماج غير المشعة على الأرض لآلاف السنين. 25 طنًا، وهو الوزن الذي يمكن أن تحمله مركبة فضائية في رحلة واحدة، قد يكون كافيًا لاحتياجات الولايات المتحدة من الطاقة لمدة عام. وبالمناسبة، فإن سعره اليوم، من الإنتاج على الأرض، يبلغ حوالي 4 مليارات دولار للطن (في ما يعادل الطاقة من الوقود الأحفوري).
وتصل جزيئات الهيليوم 3 المنبعثة من الشمس إلى القمر بمساعدة الرياح الشمسية، ويزعم المؤيدون لاستخدامه كوقود المستقبل أنه أفضل لهذا الغرض من الوقود النووي للجيل الأول من الديوتيريوم والتريتيوم، الذي هي نظائر الهيدروجين، والتي تستخدم في مفاعلات الطاقة النووية اليوم، ولكن الأبحاث حول إنتاجها واستخدامها لإنتاج الكهرباء لا تزال في بداية الطريق.
توجد منشأة أو خلية للاندماج النووي في مختبر معهد الأبحاث الخاص بالموضوع في ويسكونسن بالولايات المتحدة الأمريكية، بحجم كرة السلة، كما يقول أحد الخبراء، ويتم فيها تركيز الأيونات الكهروستاتيكية في نواة كثيفة بمساعدة من شبكة كروية. بعد التطوير، سيكون من الممكن بناء أنظمة اندماج الحبس الكهروستاتيكي بالقصور الذاتي لإنتاج النيوترونات والبروتونات لإنتاج الطاقة وأيضًا للاستخدامات الطبية.
ولكن، كما ذكرنا، المشكلة بشكل عام تكمن في النظرة الاقتصادية لمثل هذا المشروع. لإنتاج 70 طنًا من غاز الهيليوم 3، على سبيل المثال، يجب استخراج مليون طن من الخام القمري وصهره في درجة حرارة 800 درجة مئوية لإطلاق الغاز.
الملحق ب: هناك بدائل أفضل
كان الاندماج النووي الخاضع للرقابة من تفاعلات الديوتيريوم والتريتيوم محبطًا للفيزيائيين لمدة 50 عامًا، كما يعلق البروفيسور جاكوب كارني من معهد وايزمان الذي أجريت معه مقابلة قبل بضعة أشهر حول قضايا الطاقة البديلة. وقد تم بالفعل استثمار عشرات المليارات من الدولارات في هذا المجال، ولم تحقق سوى نتائج قليلة. منذ 35 عامًا، لم يعد أحد إلى القمر لأن العمل مكلف للغاية، ونحن بعيدون جدًا عن القدرة على إنتاج المواد المتطايرة هناك، وخاصة الهيليوم، والأمر نفسه ينطبق على مفاعل لإذابته، لأن النفقات المرتبطة به ستؤدي أيضًا تكون ضخمة.
من الجميل أن نرى رؤية لغزو الفضاء واستخدامه لإنتاج طاقة رخيصة، ولكن من المهم أن نعرف أن هذا لن يحل مشاكل الطاقة الملحة لدينا في الأربعين إلى الخمسين سنة القادمة. والحقيقة هي أن لدينا بدائل "أرضية" على نطاق أوسع وأقصر في الوقت وبتكاليف منخفضة - على سبيل المثال الطاقة الشمسية (في غضون 40-50 سنوات) أو الانشطار النووي للثوريوم (في غضون 5-10 سنة). ويقول كارني إن السؤال الرئيسي هو التخصيص المنطقي للموارد، وليس مجرد أمر يشعل الخيال.
