"الفضاء الجديد" ينطلق: هندسة الفضاء في عصر الفضاء الجديد

إن تطورات الهواتف الذكية والروبوتات النانوية والحوسبة القابلة للارتداء وغيرها، بدأت تؤثر على مجال هندسة الفضاء أيضًا وتسمح بدخول الشركات الصغيرة والمدنية إلى هذا المجال* تم نشر المقال في عدد يونيو 2015 من المجلة العلمية مجلة للأطفال "روش جادول"

أين وجه الهندسة؟

في الأيام الأولى للهندسة المدنية، التي تعاملت مع المباني والجسور والبنية التحتية لإمدادات المياه وآلات التخطيط والمحركات وما شابه ذلك، كانت قوانين الفيزياء اليومية وخاصة قوانين الجاذبية، التي بدا أنها تربط أقدامنا بالأرض حتى نهاية الأجيال، حكمت المجثم. وبما أن أنهارا كثيرة تدفقت، أثبت لنا عصر الطيران أن السماء هي الحد، وبعد ذلك أثبت عصر الفضاء أن السماء هي الحد الأدنى فقط. لقد تعلمنا كيفية تسخير قوة الجاذبية بدقة لغرض الخروج من حدود الأرض وبالتالي تمكنا من إرسال الأقمار الصناعية الأولى، اليوم بعد أن تعلمنا تصغير الأجهزة أصبحت أقمارنا الصناعية أيضًا أصغر حجمًا وأكثر كفاءة من لحظة إلى أخرى .

لقد اتسع نطاق المعرفة التي يحتاجها المهندسون في مختلف المجالات إلى درجة الاندماج مع المجالات الأخرى، بحيث أصبح الجمع بين البحث والتطوير الهندسي متعدد التخصصات واضحًا وضروريًا لا مثيل له. وقد فتح هذا آفاقًا جديدة في مجالات الهندسة وخاصة في مجال هندسة الفضاء الذي يزدهر بعد الجمع بين التخصصات المتعددة.

مجال جديد للنشاط - أحجام صغيرة في المكعبات
إن التطور السريع للهواتف الذكية (الهواتف الذكية)، وكذلك الروبوتات النانوية البيولوجية التي يتم دمجها في المعدات القابلة للارتداء والتي تقيس حالتنا الطبية مثل معدل ضربات القلب وضغط الدم والسكري وغيرها من البيانات الهامة، قد أدى إلى تسريع تطوير المكونات الإلكترونية الصغيرة أيضًا. كمجموعة متنوعة من تقنيات معالجة وتحليل المعلومات المتقدمة.

يتم الآن تطبيق هذه التطورات بنجاح في مجال هندسة الفضاء وخاصة في تطوير الأقمار الصناعية الصغيرة. بالإضافة إلى التكنولوجيا التي تلعب دورا رئيسيا في تطوير الأقمار الصناعية المصغرة حول العالم، تجدر الإشارة أيضا إلى تطوير المعايير (التوحيد القياسي) في مجال الأقمار الصناعية المصغرة كعامل حاسم ساهم بشكل كبير في تطوير المجال في العقد الماضي. وكانا البروفيسور بوب تويجز (من جامعة ستانفورد) مع البروفيسور جوردي إف. سواري (من جامعة كال بولي) الذي ادعى لأول مرة مصطلح "Cube-Sat" بالفعل في عام 1999.

"القمر الصناعي المكعب" هو في الواقع قمر صناعي صغير، أو قمر صناعي نانوي نموذجي، شكله الخارجي الأساسي عبارة عن مكعب بأبعاد 10 × 10 × 10 سم ووزن 1.33 كجم. يمكن ربط عدة وحدات أساسية من "القمر الصناعي المكعب" (يتم تمييز وحدة أساسية واحدة أيضًا باسم "1U") وتجميعها معًا في قمر صناعي أكبر لأداء مهام معقدة، سواء في المجالات العلمية أو التجارية.

ساهمت تكلفتها المنخفضة نسبيًا (حوالي 100,000 ألف دولار للوحدة الأساسية المكعبة للقمر الصناعي)، وقصر وقت بنائها (أقل من عام)، ووزنها المنخفض (بضعة كيلوغرامات) في الشعبية الكبيرة للأقمار الصناعية المكعبة. أصبحت هذه الأقمار الصناعية هي الطريقة المفضلة في كل من الأوساط الأكاديمية والصناعية لإظهار التقنيات المبتكرة وإجراء البحوث الأكاديمية في الفضاء. ويقارن ذلك بتكلفة عشرات الملايين من الدولارات للأقمار الصناعية الأكبر حجما التي قد يستغرق تطويرها سنوات عديدة والتي عادة ما تكون تقنيتها قديمة وذات أداء أقل.
أدى المعدل المذهل لتطوير الأقمار الصناعية الصغيرة بشكل عام، والأقمار الصناعية المكعبة بشكل خاص، إلى إطلاق مئات الأقمار الصناعية الصغيرة في السنوات الأخيرة، وهي كمية من المتوقع أن تستمر في النمو في السنوات القادمة. بل إن هذا التطور أدى إلى إنشاء سوق للمنتجات والأنظمة المخصصة للأقمار الصناعية الصغيرة التي تتزايد موثوقيتها باستمرار، فضلاً عن جودة المنتجات التجارية والعلمية التي تنتجها.

ما هي الخطوة التالية؟
تحتوي الهواتف المحمولة الذكية اليوم على سلسلة من المكونات المتقدمة، مثل أجهزة استقبال GPS لاستقبال الأقمار الصناعية للملاحة، وأجهزة قياس المغناطيسية لقياس المجال المغناطيسي للأرض، ومقاييس التسارع لقياس سرعة الحركة، والجيروسكوبات لقياس الموقع الزاوي للجهاز نفسه، وأجهزة استقبال الراديو، ومقاييس الضغط الجوي قياس الضغط الجوي، وكاميرات صغيرة وأيضا وحدة معالجة متطورة قادرة على التعامل مع معظم مهام قمر صناعي أكبر. جميع المكونات المذكورة مرشحة جديرة وضرورية للأنظمة الفضائية الصغيرة.
بل إن العلماء في ناسا وجوجل ذهبوا إلى أبعد من ذلك، فبدلاً من استخدام مكونات من عالم الهواتف الذكية كأنظمة في قمر صناعي صغير، قرروا استخدام الهاتف الذكي نفسه كجزء مركزي من قمر صناعي صغير. كان معالج الهاتف الذكي بمثابة مدير المهمة على القمر الصناعي وتم استخدام أجهزة استشعار الهاتف المختلفة لأداء المهام وجمع البيانات من الفضاء. وكانت وكالة ناسا قد أطلقت بالفعل ثلاثة أقمار صناعية من طراز "فون سات" عام 2013، وأطلقت عليها أسماء "ألكسندر" و"جراهام" و"بيل" نسبة إلى مخترع الهاتف الشهير. وفي وقت لاحق، تم إطلاق المزيد من "الأقمار الصناعية الهاتفية" ولا تزال اليد مائلة.

تشير التوقعات إلى أنه في السنوات الخمس المقبلة سيتم إطلاق أكثر من 1,000 قمر صناعي صغير لمهام تجارية وعلمية، سواء بشكل فردي بأحجام مختلفة (2U-8U) أو في مجموعات أو أسراب لأداء مهام معقدة.

وفيما يلي عدة أمثلة لتوضيح تطور مجال الأقمار الصناعية النانوية:

• أطلقت شركة Orbital Sciences الأمريكية منذ نحو عامين 29 قمرا صناعيا صغيرا في عملية إطلاق واحدة إلى المدار المنخفض (LEO) و33 قمرا صناعيا آخر عبر محطة الفضاء الدولية (ISS).
• استخدمت شركة Kosmotras الروسية منصة الإطلاق Dnieper لإطلاق 32 قمرًا صناعيًا صغيرًا في مدار منخفض. كما تم إطلاق القمر الصناعي الإسرائيلي "دوخيبات-1" الذي تم تطويره في مركز هرتسليا العلمي عبر نهر الدنيبر مع 36 قمرا صناعيا صغيرا آخر. ومن المتوقع أيضًا إطلاق Dokifat-2 مع سرب من 50 قمرًا صناعيًا صغيرًا (50QB) في عملية إطلاق واحدة.
• منذ حوالي عام، أطلقت شركة Planet Labs 28 قمرًا صناعيًا صغيرًا (U3) للتصوير المستمر للأرض من محطة الفضاء الدولية (ISS)، وتعتزم إطلاق 100 قمر صناعي آخر من هذه الأقمار الصناعية الصغيرة لتغطية التصوير المستمر للأرض.
• ويبدو التقدم واضحاً أيضاً في إطلاق أقمار صناعية صغيرة بأسعار منخفضة (مئات الآلاف من الدولارات). على سبيل المثال: أجرت شركة Interorbital Systems الأمريكية من كاليفورنيا تجربة مع منصة إطلاق يمكنها حمل العشرات من الأقمار الصناعية النانوية في عملية إطلاق واحدة بسعر مستهدف يتراوح بين 38 إلى 13 دولار أمريكي لكل قمر صناعي نانوي، وهو سعر منخفض جدًا مقارنة بالإطلاق المصاحب لقمر صناعي كبير بشكل خاص. عندما يمكن إطلاقه في مدار محدد وفقًا لمتطلبات مطوري الأقمار الصناعية الصغيرة. كما تم دمج صناعة الطيران الإسرائيلية في هذا المجال، إلى جانب التخنيون والجامعات في الخارج.
• المجال الآخر الذي تم إنشاؤه نتيجة لنجاح الأقمار الصناعية الصغيرة هو "الإنترنت من الفضاء". הרעיון הוא לאפשר אינטרנט, בקצבים גבוהים, בעזרת נחיל של לוויינים זעירים בגובה נמוך (LEO) שיגיע לכל המקומות בעולם שכיום אין להם גישה לאינטרנט וכן לפתור את בעיית ה”פיגור בזמן” שנוצרת בעקבות השימוש הנפוץ כיום בלווייני התקשורת הרגילים הנמצאים במסלול גיאוסטציונרי בגובה 36,000 ק "من. وتبلغ مدة الإرسال عبر الأقمار الصناعية العالية حوالي ربع ثانية، يضاف إليها التأخير الزمني عبر الشبكة السلكية. "الفارق الزمني" هو قيد عند الحاجة إلى إرسال فيديو أو محادثة في الوقت الفعلي وأيضًا عندما تكون هناك حاجة إلى استجابات سريعة بشكل خاص، مثل إجراء عمليات التداول الإلكتروني في البورصات حول العالم على سبيل المثال.

وتتنافس حالياً عدد من الشركات على إنشاء البنية التحتية لـ«الإنترنت الفضائي»، وتعتمد جميعها في حلها على إطلاق أسراب من الأقمار الصناعية الصغيرة والصغيرة إلى ارتفاعات منخفضة نسبياً (تصل إلى حوالي 1,000 كيلومتر) من أجل حل المشكلة. مسألة "الفارق الزمني" الذي سيتم تقليصه إلى بضعة أجزاء من الألف من الثانية بالإضافة إلى توفير إنترنت مستمر في أي مكان في العالم. الشركات الرئيسية في هذا السوق اليوم هي:

• أنشأت شركة Virgin Galactic بالتعاون مع شركة "Qualcomm" مشروع One "Web" وتخطط لإطلاق 648 قمرًا صناعيًا صغيرًا على ارتفاع 1,200 كيلومتر فوق الأرض لإنشاء الإنترنت الفضائي.
• تعتزم شركة Space X إطلاق سرب من 4,000 قمر صناعي صغير إلى ارتفاع حوالي 1,000 كيلومتر لإنشاء شبكتها الفضائية. وانضمت شركة GOOGLE أيضًا إلى سباق الإنترنت واستثمرت حوالي مليار دولار في مشروع الإنترنت الفضائي التابع لشركة Space X.
• وتخطط شركة Iridium، التي لديها بالفعل 66 قمرًا صناعيًا نشطًا من الجيل السابق في الفضاء، لتطوير مجموعة من الأقمار الصناعية الصغيرة الحديثة تحت اسم Iridium Next والتي سيتم توسيعها لتشمل الإنترنت الفضائي. ودخلت شركة O3b أيضًا في شراكة مع شركة One Web وأطلقت بالفعل 12 قمرًا صناعيًا على ارتفاعات منخفضة (Leo).

ما الذي يجري في إسرائيل:

• QB50 - القمر الصناعي "دوكيفات 2" الإسرائيلي هو أحد الأقمار الصناعية ضمن سرب مكون من 50 قمرا صناعيا نانويا لدراسة الغلاف الحراري - وهو مشروع تابع لهيئة الأبحاث الأوروبية. من المتوقع إطلاقه في عام 2016.
• شمشون - مجموعة من 3 أقمار صناعية نانو (3U) من التخنيون تهدف إلى تحديد مواقع السفن في البحر وأيضًا لتكون بمثابة أساس لسلسلة من المشاريع في المجال العلمي. سيتم إطلاقه خلال عام 2016.
• I-Train – مشروع مكون من 5 أقمار صناعية نانوية سيتم دمج خمسة مراكز علمية فيها بتوجيه من المركز العلمي في هرتسليا وبمساعدة صناعة الطيران لتنفيذ سلسلة من المهام التكنولوجية والعلمية من فضاء.
• بالإضافة إلى ذلك، من المقرر إطلاق قمر صناعي نانو تابع لجامعة بن غوريون (BGU Sat) وقمر صناعي تكنولوجي لصناعة الطيران "Incline" في العام المقبل. وبصرف النظر عن هذا، هناك سلسلة من مشاريع الأقمار الصناعية الصغيرة التي هي في مراحل التخطيط وجمع الأموال، مثل "جيديون" من شركة إلبيت سيستمز و"لايت سات" من رافائيل.
• وحدة U
• البروفيسور حاييم اشاد - رئيس لجنة الفضاء في المجلس القومي للبحث والتطوير. تم نشر المقال في عدد يونيو 2015 من المجلة العلمية للأطفال "روش جادول".

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
قاذفات للأقمار الصناعية الصغيرة
عصر الأقمار الصناعية الصغيرة20 عامًا على إطلاق القمر الصناعي "أوفيك 3"، أول قمر صناعي عسكري إسرائيلي للمراقبة - مقابلة مع مؤسس البرنامج البروفيسور حاييم اشاد
الأزرق والأبيض في الفضاء - الأشخاص الرئيسيون في برنامج الفضاء الإسرائيلي