محركات الاحماء

تحتاج سفن الفضاء إلى الدفع والدفع للوصول إلى الفضاء وأيضًا لتغيير المسار في الفضاء. كيف تحرر نفسك من الجاذبية الأرضية، وما هي أنواع الوقود المفيدة في الفضاء وماذا تفعل لإبقاء المركبة الفضائية في مسارها الصحيح؟ هذه هي الطريقة التي تقوم بتسريعها

تأليف: آرييل كيريس، جاليليو الشاب
إذا كنت تحب أفلام الخيال العلمي عن مغامرات الفضاء، فمن المحتمل أنك لاحظت مدى سهولة التجول هناك. ويبدو أن مسألة دفع الأقمار الصناعية أو مركبة بين النجوم في الفضاء هامشية إلى حد ما في هذه الأفلام. في أفلام "Star Trek" على سبيل المثال، يقفز أعضاء طاقم سفينة Enterprise من كوكب إلى كوكب بمساعدة "محرك الاعوجاج"؛ وهذا يسمح لهم بالتحرك عبر الفضاء بسرعة أعلى من سرعة الضوء. في فيلم "Interstellar" الذي صدر عام 2014، تم وصف "الثقب الدودي" بشكل مقنع تمامًا - وهو نوع من النفق في الزمكان الذي يمكن من خلاله المرور بسرعة من جزء من الكون إلى جزء آخر، وهو آلاف الضوء سنوات بعيدا.

لكننا نعيش في الواقع وليس في فيلم: الدفع في الفضاء الفائق والثقوب الدودية هي في الوقت الحالي مجرد افتراضات نظرية، ولا توجد طريقة معروفة لاستخدامها في الحركة في الفضاء. يعد فيلم "إنقاذ مارك واتني" الذي تم إصداره قبل بضعة أشهر أكثر واقعية إلى حد ما: فهو يتناول بقاء رجل تُرك وحيدًا على كوكب المريخ. على الرغم من أن التكنولوجيا في الفيلم معاصرة أو شبه معاصرة، إلا أن هناك بعض الأخطاء المتعمدة إلى حد ما - على سبيل المثال طول مهمة واتني وفريقه. تم التخطيط لمهمة إلى المريخ وفقًا لـ "نوافذ الإطلاق". سيتم تنفيذ عمليات الإطلاق عندما تكون الأرض والمريخ قريبين قدر الإمكان من بعضهما البعض، وفقًا لمداراتهما حول الشمس. ومثل هذا الحدث يحدث كل 26 شهرا، وبالتالي فإن الأشخاص الذين يصلون إلى الكوكب الأحمر سيبقون عليه حوالي 500 يوم، وليس 39 يوما كما في المهمة الموصوفة في الفيلم.

وعلى الرغم من أن قدرات الدفع التي طورها الإنسان مثيرة للإعجاب، إلا أنها لا تزال لا تبرر البقاء على المريخ لمثل هذه الفترة القصيرة، بالنظر إلى الاستثمار الضخم الذي ينطوي عليه الإطلاق ونسبة إلى الفائدة المستمدة من مثل هذه الإقامة القصيرة. علاوة على ذلك، بعد إقامة أقل من ستة أسابيع، فإن العودة إلى الأرض، التي تنحسر وتدور في مدارها، ستكون أيضًا طويلة جدًا لأن المركبة الفضائية ستضطر إلى "مطاردتها".

كيف تشعر في الفضاء؟
كما فهمت على الأرجح الآن، عندما يتعلق الأمر بتغيير الاتجاه أو المسار، فإن الملاحة في الفضاء هي مسألة معقدة ومكلفة - سواء كنا نتحدث عن مركبات فضائية تصل إلى مسافات كبيرة أو ما إذا كنا نتحدث عن أقمار صناعية تبقى قريبة من الأرض. لقد عمل العلماء والمهندسون ومصممو المحركات لسنوات عديدة على تخطيط وتطوير محركات قوية ستكون أيضًا خفيفة الوزن وفعالة في استهلاك الوقود. تتناول الأسئلة الخمسة التالية كيفية الوصول إلى الفضاء وتغيير اتجاهه وسرعته.

1# أريد الوصول إلى الفضاء. كيف تقوم بذلك؟
إذا رميت حجراً للأعلى فإنه سيعود إلى الأرض بعد فترة قصيرة لأن الأرض تسحبه بفعل الجاذبية (احذر أن تصطدم برأسك). من أجل التحليق في الفضاء السحيق ووضع الأقمار الصناعية في مدار حول الأرض، على الرغم من قوة الجاذبية، يتطلب الأمر قوة دفع هائلة. يوضح مناحيم قدرون، مدير وكالة الفضاء الإسرائيلية: "من أجل الوصول إلى الفضاء، هناك حاجة إلى قاذفات - طائرات قوية يمكنها الوصول إلى سرعات عالية جدًا للتغلب على جاذبية الأرض". "في الإطلاق الأرضي، أي من الأرض أو السفينة، تبدأ بسرعة صفر ويجب أن تصل إلى السرعة التي تسمح لك بالبقاء في المدار أو الهروب - التحرر من جاذبية الأرض. وتبلغ سرعة الإفلات، التي تتيح الطيران إلى الفضاء السحيق، 11.2 كيلومترًا في الثانية. عند الإطلاق من الطائرة، تكون السرعة الأولية للطائرة موجودة بالفعل، حيث تحلق على ارتفاع عشرات الكيلومترات. ولهذا السبب نحتاج إلى محركات ذات قوة كبيرة." إذا تحررت من جاذبية الأرض، فيمكنك الاستمرار في الفضاء السحيق، دعنا نقول إلى القمر أو المريخ.

2# ما الذي سيمنحني الطاقة الكافية لتحرير نفسي من ثقل الأرض؟
يقول كيدرون: "يتم الدفع عند مغادرة الأرض إلى الفضاء بمساعدة الوقود السائل أو الوقود الصلب". "لكل نوع من أنواع القيادة مزايا وعيوب. في الدفع بالوقود السائل، يتم استخدام قاذفات كبيرة جدًا، حيث "يلتقي" الأكسجين والهيدروجين ويولدان الكثير من الطاقة ودفعًا هائلاً عندما يشتعلان. عندما يتم حرق الأكسجين والهيدروجين، يتم إنشاء الغازات تحت ضغط هائل؛ تخرج هذه من الجزء الخلفي من السيارة وتدفع الصاروخ أو المركبة الفضائية إلى السماء. يوجد خزان أكسجين وخزان هيدروجين، ونظام من المضخات والأنابيب التي تتدفق بنسب مثالية. يتم الاحتفاظ بالهيدروجين والأكسجين تحت ضغط مرتفع للغاية بحيث يظلان في حالة سائلة. وقد نجحت هذه الطريقة بالفعل مع إطلاق أول قمر صناعي - سبوتنيك - إلى الفضاء عام 1957. وميزتها هي الطاقات العالية التي تنتجها وإمكانية بدء وإيقاف تدفق الغازات إلى المحرك وقتما تشاء. تم الإطلاق على مراحل، من الكبيرة إلى الصغيرة. محرك واحد فقط سيكون مضيعة لأنه كبير جدًا وثقيل. ولهذا فإن كل مرحلة لها محركها الخاص، وكل مرحلة تكون أسهل من المرحلة التي قبلها. تخلص من ما انتهى من العمل وتخلص من ثقله. وعيب القيادة بالوقود السائل هو أن الهيدروجين والأكسجين غازان قابلان للاشتعال وخطيران للغاية ويجب التحكم فيهما بشكل جيد، وإلا يمكن أن تقع حوادث مميتة.

3# الوقود السائل يمكن أن يكون خطيرا. هل لديه بديل؟
يقول مناحيم قدرون: "الاحتمال الآخر للدفع في الفضاء هو استخدام الوقود الصلب". "الوقود الصلب هو نوع من البوليمر (مادة مصنوعة من جزيئات ضخمة تتكون من وحدات هيكلية متكررة، مثل سلسلة مصنوعة من الخرز) ممزوجة بحبيبات عامل مؤكسد. كل شيء معًا يشبه إلى حد ما المطاط - وهو مادة لزجة. مزايا الوقود الصلب كثيرة: فهو ينتج طاقة أكبر لكل وحدة حجم، وهو أقل قابلية للاشتعال من الوقود السائل وأقل خطورة منه، ويتطلب أنابيب ومضخات أقل بكثير، مما يعني وزنًا أقل بكثير. يكون الوقود الصلب فعالاً للغاية عندما تحتاج إلى تسارع قوي وفوري. وعيبها هو أنه من المستحيل إيقاف العملية بعد أن بدأت ثم البدء بها مرة أخرى، لذلك يجب التخطيط للعملية برمتها، وفي الواقع الرحلة بأكملها إلى الفضاء، مسبقًا". على سبيل المثال، استخدمت المكوكات الفضائية الوقود السائل بالإضافة إلى الوقود الصلب.

4# كيف يمكنك متابعة الفضاء؟
لذلك تمكنا من حشد (بمساعدة الوقود السائل أو الوقود الصلب أو كليهما) قوة دفع قوية أطلقتنا إلى الفضاء. مزيد من التسارع، وها نحن قد وضعنا قمرنا الصناعي في مداره. لكن القمر الصناعي قد ينخفض ​​ببطء ويتعطل في النهاية. يحتاج القمر الصناعي إلى القدرة على تنظيم مساره، وإلا فلن يكون من الممكن استخدامه لفترة طويلة. كيف يمكنك الاحتفاظ بها على المسار الصحيح هناك؟
يوضح كيدرون: "في بعض الأحيان يتعين على الأقمار الصناعية أن تنتقل من مدار مرتفع إلى مدار منخفض، أو تصحح مدارًا أو تستدير بحيث تواجه الشمس". "وسائل الدفع هي كيميائية وكهربائية. في الفضاء لا تحتاج إلى دفع قوي لأنه لا توجد مقاومة. يتم الدفع الكيميائي باستخدام الهيدرازين - وهي مادة سائلة مكونة من مركب من النيتروجين والهيدروجين - وتولد قوة الدفع. المحرك الكهربائي هو محرك يستخدم غاز الزينون الذي يتم حقنه في مجال كهربائي. وتتحول ذرات الغاز إلى أيونات (جسيمات مشحونة كهربائيًا) وتحصل على البلازما. يتم دفع أيونات الغاز للخارج وتوفير الدفع. وميزة هذه المحركات هي أنها صغيرة وخفيفة الوزن، وهذا يسمح بوضع المزيد من المعدات البحثية والتجارية على القمر الصناعي. يقول كيدرون: "عيبهم هو قلة القيادة، وبالتالي قد يستغرق الانتقال من مكان إلى آخر وقتًا طويلاً". وسيستخدم القمر الصناعي الإسرائيلي الفرنسي فينوس، الذي سيتم إطلاقه إلى الفضاء عام 2016، طريقة الدفع هذه في الفضاء.

5# هل هناك خيارات أخرى للدفع في الفضاء؟
في السنوات الأخيرة، بدأت بعض المشاريع في استخدام الشراع الشمسي. الشراع الشمسي عبارة عن سطح ضخم (يمكن أن يصل طوله إلى نصف كيلومتر) ينتشر في الفضاء. يدفعه إشعاع الشمس كما تدفع الريح مركبًا شراعيًا. توفر هذه الأشرعة قوة دفع منخفضة جدًا ولكنها لا تنضب. العيب هو ضرورة إطلاق المركبة الفضائية أو القمر الصناعي مع طي الشراع الشمسي بداخله، لذلك يجب أن يكون الشراع خفيفًا ورفيعًا جدًا. ويجب أن يكون قويًا أيضًا، لأن جميع أنواع الجزيئات التي تتحرك في الفضاء يمكن أن تلحق الضرر به وتدمره. وبصرف النظر عن ذلك، فإن إشعاع الشمس يأتي من اتجاه واحد فقط، لذا فحتى المركبة التي تعمل بشراع شمسي ستكون قادرة على التحرك في اتجاه واحد فقط - من الشمس فصاعدًا.

في المستقبل القريب (ربما في وقت مبكر من هذا العام، 2016)، سيتم استخدام محركات البلازما المغناطيسية ذات الدفع النوعي المتغير - أو VASIMR للاختصار - وهي قيد التطوير لسنوات عديدة. يعتمد هذا المحرك على استخدام موجات الراديو لتأين وتسخين الغاز الزائد، ويسرع المنتج الساخن إلى فوهة العادم باستخدام مجالات مغناطيسية قوية (التدفئة باستخدام موجات الراديو تشبه إلى حد ما تشغيل الميكروويف في منزلك). إذا كان هذا يذكرك بطريقة الدفع الأيوني المذكورة في كلمات كيدرون، فأنت على حق - باستثناء أنه، على عكس الدفع الأيوني العادي، من المفترض أن يحقق دفع فازيمر قوة دفع أقوى بكثير؛ وهذا من شأنه أن يترجم إلى سرعة طيران عالية جدًا في الفضاء. المزايا الأخرى لهذا النوع من المحركات هي التحكم الجيد في قوة الدفع والتآكل المنخفض، أي متانة أعلى من تلك الموجودة في المحركات الأيونية المعاصرة. لا يحتوي محرك فازيمر على مضخات وأنابيب وأجزاء متحركة، وبالتالي فهو أخف وزنًا، وبالتالي أسهل في المناورة. عيوبها هي انخفاض نسبة الدفع إلى الوزن. عدا عن ذلك، لا بد من التحكم بالمجالات المغناطيسية القوية والحرارة الكبيرة المتولدة فيها. ومن المحتمل أن المشاكل التي تشكلها محركات وازيمر للعلماء ستتطلب تركيب مفاعلات نووية صغيرة على المركبات الفضائية التي تعمل بهذه المحركات. ومع ذلك، ربما نواجه أخيرًا الحل المتمثل في رحلة قصيرة إلى المريخ، بما في ذلك الإقامة لمدة تقل عن 39 يومًا، وبالتالي سيكون من الممكن إنقاذ مارك واتني ليس فقط في الفيلم، ولكن أيضًا في الواقع.

يؤدي:
على عكس المحرك الأيوني العادي، يجب أن يحقق محرك Wasimer قوة دفع قوية؛ وهذا من شأنه أن يترجم إلى سرعة طيران عالية جدًا في الفضاء. ومن المزايا الأخرى لهذا النوع من المحركات التحكم الجيد في قوة الدفع والتآكل المنخفض، أي متانة أعلى من تلك الموجودة في المحركات الأيونية المعاصرة.
مزايا الوقود الصلب كثيرة: فهو ينتج طاقة أكبر لكل وحدة حجم، وهو أقل قابلية للاشتعال وأقل خطورة، ويتطلب أنابيب ومضخات أقل بكثير، مما يعني وزنًا أقل بكثير. يكون الوقود الصلب فعالاً للغاية عندما تحتاج إلى تسارع قوي وفوري. ومن عيوبه أنه لا يمكنك إيقاف العملية بعد أن بدأت ثم إعادة تشغيلها مرة أخرى

هل كنت تعلم
الثقب الدودي: ظاهرة فيزيائية مفترضة تنتج عن حسابات النسبية العامة وميكانيكا الكم. الثقب الدودي - وهو نوع من النفق في الكون - قد يصل بين نقطتين بعيدتين عن بعضهما البعض في الزمكان. يعتقد العلماء أنه إذا تشكل الثقب الدودي، فهو ليس كبيرًا بما يكفي لمرور الذرات، وبالتالي فإن خطط نقل السفن الفضائية عبره ربما تكون مبالغ فيها بعض الشيء.

تم نشر المقال في عدد يناير من مجلة الشباب جاليليو - شهرية للأطفال الفضوليين

هل تريد قراءة المزيد؟ للحصول على مجلة جاليليو شابة كهدية

قم بزيارة صفحتنا على الفيسبوك