يتصارع العلماء مع السؤال التالي: ما هي التطورات اللازمة في تكنولوجيا الطاقة لإرسال مستكشفين بشريين وروبوتيين حول النظام الشمسي؟
موقع ناسا. ترجمة - ناحوم شيراشيفسكي
بعيدًا عن جميع الكواكب الموجودة في نظامنا الشمسي، في المنطقة الباردة والمظلمة والفارغة من الفضاء، تواصل فوييجر 1 رحلتها الاستكشافية التي تمتد لـ 25 عامًا. ويتجه نحو حافة الغلاف الشمسي، تلك الحدود التي ينتهي فيها تأثير الشمس وتبدأ الأعماق المظلمة للفضاء بين النجوم. من مكان وجود فوييجر، فإن الشمس ليست سوى ألمع نجم في السماء - وهي أضعف بسبعة آلاف مرة مما نراها من الأرض.
لا تحتوي فوييجر على مجمعات للطاقة الشمسية؛ ولن يكون لها أي فائدة حتى الآن من الشمس. تحافظ المركبة الفضائية على الاتصال باستخدام مصدر الطاقة الخاص بها، وهو نوع مبكر من المولدات الكهروحرارية للنظائر المشعة (RTG)، والذي يحول الحرارة الناتجة عن التحلل الطبيعي للوقود المشع إلى كهرباء. وسيقوم مولدها بتزويد Voyager بالكهرباء حتى عام 2020 على الأقل.
تحتاج المركبات الفضائية التي تتحرك إلى ما هو أبعد من المريخ إلى طاقة أكبر مما يمكن أن توفره الخلايا الشمسية. مثال آخر هو سفينة الفضاء يوليسيس. تم إطلاقه في أكتوبر 1990 من المكوك الفضائي في مهمته دراسة قطبي الشمس. للوصول إلى ما فوق الشمس، كان على يوليسيس أن يطير حول كوكب المشتري ويطلق النار مثل المقلاع من مستوى الكواكب. بالقرب من كوكب المشتري، تكون أشعة الشمس أضعف بمقدار 25 مرة من تلك الموجودة بالقرب من الأرض. مجمعات الطاقة الشمسية الكبيرة بما يكفي لاستيعاب هذه الطاقة الضعيفة ستزن حوالي 550 كجم، مما يضاعف وزن المركبة الفضائية ويجعلها ثقيلة جدًا بالنسبة للصواريخ الداعمة للمكوك. في مكانهم، تم تجهيز يوليسيس بمولد كهربائي حراري للنظائر المشعة يزن 56 كجم فقط. فهو يوفر الطاقة بسهولة لجميع أنظمة المركبات الفضائية، بما في ذلك الملاحة والاتصالات والأدوات العلمية.
تحتاج مركبة فضائية مثل يوليسيس إلى طاقة تبلغ حوالي مائتي واط لتشغيل الأنظمة بداخلها. وعلى سبيل المقارنة، تستهلك الأنظمة الموجودة على متن المكوك الفضائي ما بين 5 إلى 10 كيلووات، أي 50 ضعف الطاقة، وتستهلك محطة الفضاء الدولية 10 أضعاف، أو حوالي 100 كيلووات للأنظمة الموجودة بداخلها.
أعلاه: على ارتفاع 375 كيلومترًا فوق سطح الأرض، توفر المصفوفات الشمسية الطاقة لمحطة الفضاء الدولية.
محطة الفضاء الدولية لا تخرج من مدار الأرض أبدًا، مما يقلل من الطاقة التي تحتاجها. ومع ذلك، في البعثات المأهولة خارج محيط الأرض، لن تكون هناك حاجة للطاقة فقط للأنظمة الموجودة في المركبة الفضائية، ولكن أيضًا للدفع والأنظمة لدعم البشر عندما يصلون إلى الوجهة التي يطيرون إليها. يقول جون مانكينز: "إن تنفيذ مهمات مأهولة طموحة حول النظام الشمسي، وربما العودة إلى القمر، وربما الاستمرار في المريخ، سيتطلب مئات إلى آلاف الكيلووات على سطح الكوكب ومئات إلى آلاف الكيلووات لأنظمة النقل". ، كبير تقنيي برنامج الأنظمة المتقدم في مقر ناسا. وأضاف أنه لا يمكنك توصيله بأقرب منفذ طاقة. يجب عليك إحضار مصدر الطاقة الخاص بك. من الناحية المثالية، سوف ترغب في العثور على شيء يمكن أن يوفر الطاقة لكل من الدفع والنشاط التشغيلي.
الصواريخ الكيميائية تدفع المكوك الفضائي بعيدًا عن الأرض.
منذ أول اختبار لإطلاق صاروخ روبرت جودارد في عام 1916، استخدمت البعثات الفضائية المواد الكيميائية لتحقيق التسارع اللازم للهروب من جاذبية الأرض. إن احتراق الصاروخ لمدة تتراوح من 5 إلى 10 دقائق يرسل المركبة الفضائية نحو وجهتها؛ ثم يقطع بقية الطريق، إلا إذا استخدم جاذبية الكواكب الأخرى لزيادة تسارعه. استغرقت فوييجر سنوات للوصول إلى زحل، ثم تمكنت المركبة الفضائية من البقاء لأيام فقط في نظام زحل وساعات فقط بالقرب من الكوكب نفسه.
يريد مخططو المهمة أن يكونوا أكثر نجاحًا في المستقبل.
من وجهة نظر مكتب استكشاف الفضاء في مركز جونسون للفضاء، يرى جيف جورج "عائلة متطورة من تقنيات الطاقة والدفع المترابطة" للموجة التالية من استكشاف الفضاء المأهول. المرشح الأول المحتمل هو المحرك الكهربائي (EP). يشرح جورج أنه في الفضاء، لا تحتاج إلى نفس القدر من الدفع الذي تحتاجه للهروب من جاذبية الأرض، ولكن من الضروري توليد الدفع باستخدام القليل جدًا من الوقود بسبب قيود الوزن. يمكن أن يوفر الدفع الكهربائي قوة دفع فعالة في استهلاك الوقود بعد التسارع الكيميائي الأولي في الفضاء.
السكتة الدماغية المحددة - أي رطل الدفع الناتج لكل رطل من الوقود الدافع في ثانية من الاستخدام - هي مقياس لمدى كفاءة النظام في استخدام الوقود لإنتاج الدفع. أعلى أفضل. يمتلك مكوك الفضاء، الذي يبقى قريبًا من الأرض، دفعًا كيميائيًا بقوة دفع محددة تبلغ 450 ثانية أو 450 رطلاً من الدفع لكل رطل من الوقود الدافع في الثانية. إن الشوط المحدد للمحرك الكهربائي هو عشرة أضعاف المحرك الكيميائي ومن المحتمل أن يصل إلى 10,000 ثانية.
تم اختبار الدفع الكهربائي لأول مرة في عام 1998 في Deep Space 1 - وهي مركبة فضائية تم فيها اختبار العديد من التقنيات الجديدة قبل أن تحلق بالقرب من المذنب بوريلي في عام 2001. احتاج Deep Space 1 إلى 2.5 كيلووات لتشغيل محركه الأيوني الكهربائي (في الصورة على اليسار) والأنظمة الأخرى بداخله. جاءت الطاقة من مجموعة مبتكرة تتكون من خلايا شمسية متطورة وعدسة لتركيز ضوء الشمس على المجمعات. وحققوا معًا كفاءة بنسبة 23% في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء مقارنة بكفاءة الألواح الشمسية في محطة الفضاء الدولية والتي تبلغ 14%.
أعلاه: القاذف الأزرق لمحرك الدفع الأيوني في الفضاء العميق 1. تُستخدم الكهرباء المجمعة من المصفوفات الشمسية للمركبة الفضائية لتأين ذرات المرشح. وعندما يتم دفع هذه الأيونات عبر الفتحة الخلفية بواسطة مجال كهربائي قوي، تكتسب المركبة الفضائية السرعة ببطء.
بناءً على نجاح Deep Space 1، ستغادر مهمة جديدة تسمى "Dawn" الأرض في عام 2006. مدعومًا بمحرك أيوني بقوة دفع محددة تبلغ 3000 ثانية، ستطير داون إلى فيستا وسيريس، وهما من أكبر الكويكبات في النظام الشمسي. على الرغم من أن فيستا وسيريس أبعد عن الشمس من المريخ، إلا أن المركبة الفضائية ستكون قادرة على استخلاص كل الطاقة التي تحتاجها من مصفوفات شمسية بقدرة 7.5 كيلووات.
تتطلب المهام المأهولة المزيد من الطاقة. يقول جيف جورج: "الخطوة التالية لمهمة المريخ (المأهولة) هي الوصول إلى ما يصل إلى 5-10 ميجاوات من الطاقة النووية ثم تحديد حجم أجهزة الدفع الكهربائية بما يصل إلى ميجاوات لكل محرك". إن الانتقال من كيلووات إلى ميجاوات ليس مشكلة بسيطة. تعمل ناسا الآن على الجيل التالي من نظام الدفع الأيوني بقدرة 5-10 كيلووات. يتصور جورج مركبات كهربائية نووية صغيرة بقدرة 100-200 كيلووات تستكشف الكواكب البعيدة كنسخة تجريبية من مقياس الميجاوات التي سيتم استخدامها لاستكشاف الفضاء المأهول.
أعلاه: الانشطار، وهو نفس عملية تقسيم الذرة التي تشغل محطات الطاقة النووية الحديثة، هو إحدى الطرق لتوليد مستويات عالية من الطاقة لتشغيل المركبات الفضائية.
لتشغيل نظام محرك كهربائي ميجاوات، هناك حاجة إلى مصدر ذو طاقة عالية وطاقة عالية. وكما يوضح جون كول، مدير مكتب مشروع أبحاث الدفع الثوري، "الطاقة هي العامل الأكثر أهمية، لكن الطاقة (الطاقة المنطلقة لكل وحدة زمنية) تحدد التسارع". إذن ما هو المصدر الذي يوفر الطاقة الكافية؟ ويشير كول إلى أن "الذرة لديها الكثير من الطاقة، وربما الكثير من الطاقة أيضًا". "توفر مجمعات الطاقة الشمسية طاقة غير كافية لتسريع السيارة بأكملها إلى مستويات تسمح بأوقات رحلة قصيرة."
تنتج مصادر طاقة النظائر المشعة (مثل المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة في Voyager) الكثير من الطاقة لفترة طويلة، ولكن ليس الكثير من الطاقة، فقط عشرات إلى مئات الواطات. لتحويل كيلوواط إلى ميغاواط من الطاقة، عليك أن تلجأ إلى الانشطار النووي، كما تقول ليز جونسون، من برنامج النقل الفضائي المتقدم التابع لناسا.
أعلاه: التحلل الإشعاعي، في هذه الصورة، هو مصدر الطاقة للمولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة. وهي ليست بقوة الانشطار النووي.
الانشطار، حيث يقسم النيوترون الذرة إلى نظيرين مشعين، هي العملية المستخدمة في محطات الطاقة النووية على الأرض لتوليد الكهرباء. يقول جونسون: "إن جلب مفاعل انشطاري إلى مركبة فضائية سيكون بمثابة إحضار محطة طاقة [صغيرة] خاصة بك". يتمتع المفاعل الانشطاري بالقدرة على تغذية الدفع الكهربائي عالي الأداء خارج النظام الشمسي الداخلي. ولها مدة أطول وهي قادرة بشكل كبير على إجراء بحث علمي متطور، واتصالات بيانات عالية السرعة، وعمليات معقدة للمركبات الفضائية.
هذه سيرة ذاتية جيدة جدًا للانقسام، لكنها ما زالت لا تجتاز اختبار جون كول. وضع كول لنفسه شرطًا لجلب البشر إلى الكواكب البعيدة في غضون عام والعودة في غضون عام. يمتلك الانشطار النووي طاقة كافية، ولكن ليس طاقة كافية لتوفير التسارع اللازم. تخطط ناسا لإنشاء نظام تكوين طيران بقدرة 300 كيلووات باستخدام الانشطار النووي. ولكن من أجل اجتياز اختبار الصوت، "هناك حاجة إلى طاقة محددة عالية جدًا، وهي الطاقة لكل وحدة كتلة للمركبة والتي تكون أفضل بثلاثة أضعاف مما هو مخطط له حاليًا للانشطار النووي". ولتحقيق هذا الهدف، عليك أن تتقدم نحو الاندماج النووي - وهي نفس العملية التي تزود الشمس والنجوم بالطاقة.
أعلاه: اخرج ليلاً وانظر إلى النجوم. كل نجم تراه هو بوتقة تنصهر. ويريد العلماء تسخير هذه القوة لدفع السفن الفضائية وتوفير الطاقة للمستعمرات البعيدة. ]اخرى[.
الاندماج النووي، الذي يطلق الطاقة عن طريق توحيد الذرات بدلاً من تقسيمها، يمكن أن يوفر من حيث المبدأ جيجاوات من الطاقة النظيفة. ومع ذلك، فإن أنظمة الدفع الاندماجي كما نفهمها اليوم ستكون كبيرة جدًا وستتطلب مركبة بحجم المحطة الفضائية أو Telstar Galactica، تزن مئات الأطنان - على الرغم من أن الحجم قد يتناقص مع البحث.
ستكون محركات الاندماج عبارة عن محارق وقود فعالة للغاية بضربة محددة تبلغ 100,000 ثانية. يقول كول: "على الرغم من أننا لن نكون قادرين على القيام بذلك خلال عشر سنوات، إلا أنه إذا تمكنا من إطلاق نظام دفع اندماجي بعد 10 سنوات من الآن، فيمكننا إرسال مركبة للقبض على فوييجر وإعادتها". هذا النوع من القوة والسرعة يقلل من الوقت الذي يتعرض فيه رواد الفضاء للإشعاع الكوني الضار وفقدان العظام الناتج عن انعدام الوزن لفترة طويلة.
قد يكون هناك شيء أفضل من الاندماج: إن منع دفعة مدفوعة بتأين المادة والمادة المضادة سيكون بمثابة هجوم محدد مدته 2,000,000 ثانية، وفقًا لكول.
قد يبدو الأمر كالخيال العلمي، لكن الباحثين يتعلمون بالفعل كيفية إنشاء وتخزين كميات صغيرة من المادة المضادة في مختبرات حقيقية. على سبيل المثال، يمكن لمصيدة المادة المضادة الكهرومغناطيسية المحمولة في جامعة بنسلفانيا أن تحتوي على 10 مليارات بروتون مضاد. إذا تعلمنا كيفية استخدام هذه المادة المضادة بأمان، فيمكننا حقن بعضها في تيار رقيق من غاز الهيدروجين لإنشاء قوة دفع. بدلًا من ذلك، يمكنك حقن بعض المادة المضادة في بوتقة الاندماج النووي لخفض درجة الحرارة اللازمة لبدء تفاعل الاندماج.
أعلاه: "مصيدة الحبس" هذه التي تم تطويرها في جامعة بنسلفانيا تخزن البروتونات المضادة [المزيد].
تقول كولين هارتمان، مديرة أبحاث النظام الشمسي في مقر ناسا: "إن الدفع ليس هو السبب الوحيد للانتقال إلى الذرة". "وهذا يفيد أيضًا الأنظمة الموجودة في المركبة الفضائية. الطاقة الزائدة تشبه وجود شريط لاس فيغاس بدلاً من مصباح كهربائي واحد. يمكنك الحصول على مزيد من التواصل والمرونة في المهمة."
كان من المقرر إطلاق مختبر المريخ الأرضي والمتنقل الذكي في وقت مبكر من عام 2009، في الأصل كمهمة تعمل بالطاقة الشمسية. אבל עכשיו החוקרים שוקלים שדרוג מאנרגיה סולרית לגרעינית: “השמת אנרגיה גרעינית בחללית תאריך את המשימה מ-3-6 חודשים [עם אנרגיה סולרית] ל-5 שנים [עם אנרגיה רדיואיזוטופית]”, אומר אד ווילר, ראש מיזם מדע החלל במטה נאס” و. "سيسمح للمركبة بالقيادة إلى الموقع بدلاً من الاضطرار إلى الهبوط هناك. تم زيادة عرض النطاق الترددي لاتصالات البيانات بشكل كبير، ويمكن للمركبة أن تعمل 24 ساعة في اليوم. كل شيء يزداد بمعامل 10 عند إضافة مولد كهربائي حراري للنظائر المشعة إلى المهمة.
يتطلب الترقية من مركبة المريخ الجوالة إلى مهمة مأهولة على المريخ مزيدًا من الطاقة - حوالي 30 كيلووات لتدفئة وتبريد البيئة المعيشية البشرية، وتشغيل أجهزة الكمبيوتر والإضاءة، وإنتاج الأكسجين، وإعادة تدوير المياه، وإعادة شحن المركبة الأرضية، كما يقول جيف جورج. يضيف غاري مارتن، المدير المساعد للأنظمة المتقدمة في وكالة الفضاء التابعة لناسا، أنه بالنسبة للمهمة الطويلة، "ليس لدينا الطاقة اللازمة للعودة إلى المنزل [في حالة الطوارئ]". "أنت تبني أشياء يجب أن تكون موثوقة للغاية، ولديها القدرة على إصلاح نفسها، وتشعر بالاستقلالية عند تعرضها للتلف." سيكون من الضروري تصنيع أو إصلاح الأجزاء المكسورة على الفور: من المستحيل إحضار قطع الغيار. أما العمليات كثيفة الاستهلاك للطاقة، مثل تصنيع الأجزاء أو إنشاء القوة الدافعة لمغادرة المريخ، فستتطلب 60 كيلووات أخرى، وفقًا لجورج.
أعلاه: إنها ليست منطقة لاس فيغاس، لكن أول مستعمرة على المريخ ستظل بحاجة إلى الكثير من الكهرباء. مصدر الصورة: Frassanito & Associates, Inc..
في نهاية المطاف، مصدر واحد للطاقة لا يناسب جميع الاحتياجات. بالنظر إلى الصورة بأكملها، يقول جون مانكينز: “نحن بحاجة إلى كفاءة عالية جدًا، ودفع كهربائي عالي الطاقة للطيران بين النجوم؛ نحن بحاجة إلى أنظمة دفع كيميائية موثوقة عالية الطاقة تكون ضمن نطاق إمكانيات الهبوط على سطح النجوم والإقلاع منها؛ ونحتاج إلى القدرة على تخزين الطاقة الكيميائية أو الشمسية للعيش والعمل على سطح النجوم. ستكون الروبوتات قادرة على استخدام طاقة النظائر المشعة؛ ويجب علينا أيضًا أن نأخذ في الاعتبار الطاقة المستمدة من الشيشة والفحص اللاسلكي."
الاختيارات كثيرة، ولكن هناك شيء واحد واضح: أينما نطير في الفضاء ومهما فعلنا هناك، سنحتاج إلى المزيد من الطاقة.
ترجمة ناحوم شيراشيفسكي، ترجمة احترافية وترجمة تقنية، 45 شيكل لكل 250 كلمة (في النسخة العبرية). ندى. 02-6435139
إلى موقع ناحوم شيراشيفسكي
لإرسال البريد الإلكتروني
