حقوق الصورة: ناسا
كما يعلم الجميع ، فإن الصواريخ الكيميائية بطيئة للغاية بالنسبة لاستكشاف الفضاء. ربما تكون الأنظمة الأكثر كفاءة هي الأكثر كفاءة ، مع استخدام أنواع مختلفة من الدفع في نقاط مختلفة من الرحلة. تمنحك هذه المقالة تفصيلًا للتقنيات التي تعمل عليها وكالة ناسا حاليًا.
"أمي ، هل وصلنا بعد؟"
سمع كل والد أن يبكي من المقعد الخلفي للسيارة. يبدأ عادةً بعد حوالي 15 دقيقة من بدء أي رحلة عائلية. من الجيد أننا نادرًا ما نسافر أكثر من بضع مئات أو بضعة آلاف من الأميال من المنزل.
ولكن ماذا لو كنت مسافرًا إلى المريخ ، على سبيل المثال؟ حتى عند اقترابها من الأرض كل عامين ، فإن الكوكب الأحمر دائمًا ما يكون على بعد 35 مليون ميل على الأقل. ستة أشهر هناك وستة شهور في أحسن الأحوال.
"هيوستن ، هل وصلنا بعد؟"
وقال ليث جونسون ، مدير تقنيات النقل في الفضاء في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا: "الصواريخ الكيميائية بطيئة للغاية". "إنهم يحرقون كل دافعهم في بداية الرحلة ، ثم تحطم المركبة الفضائية بقية الطريق". على الرغم من أنه يمكن تسريع المركبة الفضائية عن طريق مساعدة الجاذبية - صدع سماوي - سوط حول الكواكب ، مثل تلك الموجودة حول زحل التي أطلت فوييجر 1 إلى حافة النظام الشمسي - لا تزال أوقات السفر ذهابًا وإيابًا بين الكواكب لعقود. وستستغرق الرحلة إلى أقرب نجم قرونًا إن لم يكن آلاف السنين.
والأسوأ من ذلك ، أن الصواريخ الكيميائية تفتقر إلى الكفاءة في استهلاك الوقود. فكر في القيادة في قاذف غاز عبر بلد لا توجد فيه محطات وقود. سيكون عليك حمل حمولات من الغاز وليس أي شيء آخر. في المهمات الفضائية ، ما يمكنك حمله في رحلتك ليس وقودًا (أو خزانات للوقود) يسمى كتلة الحمولة - على سبيل المثال ، الأشخاص ، وأجهزة الاستشعار ، وأجهزة أخذ العينات ، ومعدات الاتصالات والطعام. تمامًا مثل عدد الأميال بالغاز الذي يعد رقمًا مفيدًا لكفاءة الوقود في السيارة ، فإن "جزء كتلة الحمولة" - نسبة كتلة الحمولة الخاصة بالبعثة إلى إجمالي كتلتها - هو رقم مفيد للجدارة لكفاءة أنظمة الدفع.
مع الصواريخ الكيميائية اليوم ، يكون جزء كتلة الحمولة منخفضًا. قال بريت ج. دريك: "حتى باستخدام مسار الحد الأدنى من الطاقة لإرسال طاقم مكون من ستة أشخاص من الأرض إلى المريخ ، مع الصواريخ الكيميائية وحدها ، فإن إجمالي كتلة الإطلاق ستصل إلى 1000 طن متري - 90٪ منها ستكون وقودًا". مدير تحليل ودمج إطلاق الفضاء في مركز جونسون للفضاء. سوف يزن الوقود وحده ضعف وزن محطة الفضاء الدولية المكتملة.
تتطلب رحلة واحدة إلى كوكب المريخ باستخدام تقنية الدفع الكيميائي اليوم عشرات عمليات الإطلاق - ومعظمها سيكون ببساطة إطلاق وقود كيماوي. يبدو الأمر كما لو أن سيارتك المدمجة التي يبلغ وزنها 1 طن تحتاج إلى 9 أطنان من البنزين للقيادة من مدينة نيويورك إلى سان فرانسيسكو لأنها لا تتجاوز متوسط ميل واحد لكل جالون.
وبعبارة أخرى ، تعد أنظمة الدفع منخفضة الأداء أحد الأسباب الرئيسية وراء عدم تقدم البشر حتى الآن على سطح المريخ.
تعمل أنظمة الدفع الأكثر كفاءة على زيادة جزء كتلة الحمولة من خلال "تحسين المسافة المقطوعة للغاز" في الفضاء. نظرًا لأنك لا تحتاج إلى الكثير من الوقود ، يمكنك حمل المزيد من الأشياء ، وركوب مركبة أصغر ، و / أو الوصول إلى هناك بشكل أسرع وأرخص. أعلن دريك: "الرسالة الأساسية هي: نحن بحاجة إلى تقنيات دفع متقدمة لتمكين مهمة منخفضة التكلفة إلى المريخ".
وهكذا ، تقوم وكالة ناسا الآن بتطوير محركات الأيون والأشرعة الشمسية وغيرها من تقنيات الدفع الغريبة التي دفعت البشر لعقود إلى الكواكب والنجوم الأخرى - ولكن فقط في صفحات الخيال العلمي.
من السلحفاة إلى الأرنب
ما هي خيارات الحقائق العلمية؟
ناسا تعمل بجد على نهجين أساسيين. الأول هو تطوير صواريخ جديدة جذريًا تتميز بترتيب استهلاك الوقود بشكل أفضل من الدفع الكيميائي. والثاني هو تطوير أنظمة "خالية من الوقود" تعمل بموارد وفيرة في فراغ الفضاء العميق.
تشترك جميع هذه التقنيات في سمة رئيسية واحدة: إنها تبدأ ببطء ، مثل السلحفاة المثلية ، ولكن بمرور الوقت تتحول إلى أرنب يفوز في الواقع بسباق إلى المريخ - أو في أي مكان. إنهم يعتمدون على حقيقة أن التسارع المتواصل الصغير على مدار الأشهر يمكن أن يدفع في نهاية المطاف مركبة فضائية أسرع بكثير من ركلة أولية هائلة تليها فترة طويلة من السواحل.
أعلاه: سفينة الفضاء منخفضة الدفع (مفهوم الفنان) مدفوعة بمحرك أيوني ومدعوم بالكهرباء الشمسية. في نهاية المطاف ستلتقط المركبة السرعة - نتيجة لتسارع لا هوادة فيه - وتتسابق على طول أميال عديدة في الثانية. حقوق الصورة: John Frassanito & Associates، Inc.
من الناحية الفنية ، إنها جميع الأنظمة ذات قوة دفع منخفضة (مما يعني أنك بالكاد ستشعر بتسارع لطيف للغاية ، يعادل وزن قطعة من الورق الملقاة على راحة يدك) ولكن أوقات تشغيل طويلة. بعد أشهر من التسارع الصغير المستمر ، سوف تقطع بسرعة أميال عديدة في الثانية! على النقيض من ذلك ، فإن أنظمة الدفع الكيميائية ذات قوة دفع عالية وأوقات تشغيل قصيرة. يتم سحقك مرة أخرى في وسائد المقعد أثناء تشغيل المحركات ، ولكن لفترة وجيزة فقط. بعد ذلك يكون الخزان فارغًا.
صواريخ موفرة للوقود
وأشار جونسون إلى أن "الصاروخ هو أي شيء يرمي بشيء في البحر لدفع نفسه للأمام". (لا تصدق هذا التعريف؟ اجلس على لوح التزلج مع خرطوم الضغط العالي المدبب باتجاه واحد ، وسوف يتم دفعك في الاتجاه المعاكس).
المرشحون الرئيسيون للصاروخ المتقدم هم أنواع مختلفة من المحركات الأيونية. في المحركات الأيونية الحالية ، يكون الوقود هو غاز خامل عديم اللون ، لا طعم له ، عديم الرائحة ، مثل زينون. يملأ الغاز حجرة مغناطيسية يمر عبرها شعاع إلكتروني. تضرب الإلكترونات الذرات الغازية ، وتطرد إلكترونًا خارجيًا وتحول الذرات المحايدة إلى أيونات ذات شحنة موجبة. الشبكات المكهربة ذات العديد من الثقوب (15000 في إصدارات اليوم) تركز الأيونات تجاه عادم سفينة الفضاء. تطلق الأيونات بعد الشبكات بسرعة تصل إلى أكثر من 100000 ميل في الساعة (قارن ذلك بسيارة إنديانابوليس 500 بسرعة 225 ميل في الساعة) - تسريع المحرك إلى الفضاء ، مما ينتج قوة دفع.
من أين تأتي الكهرباء لتأين الغاز وشحن المحرك؟ إما من الألواح الشمسية (ما يسمى بالدفع الكهربائي الشمسي) أو من الانشطار أو الاندماج (ما يسمى بالدفع الكهربائي النووي). ستكون محركات الدفع الكهربائي الشمسي أكثر فاعلية في المهام الروبوتية بين الشمس والمريخ ، والدفع الكهربائي النووي للمهمات الآلية خارج المريخ حيث يكون ضوء الشمس ضعيفًا أو للمهام البشرية حيث تكون السرعة جوهرية.
أيون يقود العمل. لقد أثبتوا قوتهم ليس فقط في الاختبارات على الأرض ، ولكن في المركبات الفضائية العاملة - أشهرها Deep Space 1 ، وهي مهمة صغيرة لاختبار التكنولوجيا تعمل بالطاقة الكهربائية الشمسية التي حلقت والتقطت صور المذنب بوريلي في سبتمبر ، 2001. أيون يقود مثل تلك التي دفعت ديب سبيس 1 حوالي 10 أضعاف كفاءة الصواريخ الكيميائية.
أنظمة خالية من الدافع
ومع ذلك ، قد تكون أنظمة الدفع الأقل كتلة هي تلك التي لا تحتوي على دافع على متن الطائرة على الإطلاق. في الواقع ، إنهم ليسوا حتى صواريخ. وبدلاً من ذلك ، وبأسلوب رائد حقيقي ، فإنهم "يعيشون خارج الأرض" - ويعتمدون على الطاقة في الموارد الطبيعية المتوفرة بكثرة في الفضاء ، مثلما اعتمد رواد الخيوط على الطعام في صيد الحيوانات وإيجاد الجذور والتوت على الحدود.
المرشحان الرئيسيان هما الأشرعة الشمسية وأشرعة البلازما. على الرغم من أن التأثير مشابه ، إلا أن آليات التشغيل مختلفة جدًا.
يتكون الشراع الشمسي من مساحة هائلة من الأوساخ ، مادة عاكسة للغاية يتم تفريغها في الفضاء العميق لالتقاط الضوء من الشمس (أو من ميكروويف أو شعاع ليزر من الأرض). بالنسبة للمهام الطموحة للغاية ، يمكن أن تتراوح الأشرعة إلى العديد من الكيلومترات المربعة في المنطقة.
تستفيد الأشرعة الشمسية من حقيقة أن الفوتونات الشمسية ، على الرغم من عدم وجود كتلة ، لديها زخم - عدة ميكرونيوتونات (حول وزن عملة معدنية) لكل متر مربع على مسافة الأرض. هذا الضغط الإشعاعي اللطيف سيسرع ببطء ولكن بثبات الشراع وحمولته بعيدًا عن الشمس ، ويصل إلى سرعات تصل إلى 150،000 ميل في الساعة ، أو أكثر من 40 ميلًا في الثانية.
من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الأشرعة الشمسية تلتقط الرياح الشمسية ، وهي تيار من الإلكترونات النشطة والبروتونات التي تغلي بعيدًا عن الغلاف الجوي الخارجي للشمس. ليس كذلك. الأشرعة الشمسية تحصل على زخمها من ضوء الشمس نفسه. ومع ذلك ، من الممكن الاستفادة من زخم الرياح الشمسية باستخدام ما يسمى "أشرعة البلازما".
يتم تصميم أشرعة البلازما في المجال المغناطيسي للأرض. ستحاط مغناطيسات كهربائية قوية على متن المركبة الفضائية بفقاعة مغناطيسية بعرض 15 أو 20 كيلومترًا. ستدفع الجسيمات المشحونة عالية السرعة في الرياح الشمسية الفقاعة المغناطيسية ، تمامًا كما تفعل في المجال المغناطيسي للأرض. لا تتحرك الأرض عندما يتم دفعها بهذه الطريقة - كوكبنا ضخم للغاية. لكن سيتم دفع مركبة فضائية تدريجيًا بعيدًا عن الشمس. (مكافأة إضافية: مثلما يحمي المجال المغناطيسي للأرض كوكبنا من الانفجارات الشمسية والعواصف الإشعاعية ، فإن الشراع البلازمي المغناطيسي يحمي شاغلي المركبة الفضائية).
أعلاه: مفهوم الفنان لمسبار فضائي داخل فقاعة مغناطيسية (أو "شراع البلازما"). ضربت الجسيمات المشحونة في الرياح الشمسية الفقاعة ، والضغط ، ودفع المركبة الفضائية. [أكثر]
وبطبيعة الحال ، فإن التكنولوجيا الأصلية الخالية من الوقود الدافعة المجربة والحقيقية هي مساعدة الجاذبية. عندما تتأرجح مركبة فضائية على كوكب ما ، يمكنها سرقة بعض الزخم المداري للكوكب. هذا لا يصنع فرقًا على كوكب ضخم ، ولكن يمكن أن يعزز بشكل مثير للإعجاب سرعة مركبة فضائية. على سبيل المثال ، عندما تأرجح غاليليو بواسطة الأرض في عام 1990 ، زادت سرعة المركبة الفضائية بمقدار 11.620 ميل في الساعة. في هذه الأثناء تباطأت الأرض في مدارها بمقدار أقل من 5 مليارات جزء من البوصة في السنة. تساعد هذه الجاذبية في استكمال أي شكل من أشكال نظام الدفع.
حسنًا ، الآن بعد أن دخلت في الفضاء بين الكواكب ، كيف تتباطأ في وجهتك بما يكفي للذهاب إلى مدار وقوف السيارات والاستعداد للهبوط؟ مع الدفع الكيميائي ، تتمثل الطريقة المعتادة في إطلاق مقذوفات - مرة أخرى ، تتطلب كتلًا كبيرة من الوقود على متنها.
هناك خيار اقتصادي أكثر واعدة من خلال التقاط الهواء - كبح المركبة الفضائية عن طريق الاحتكاك مع الغلاف الجوي لكوكب المقصد. الحيلة ، بالطبع ، ليست في ترك مركبة فضائية بين الكواكب عالية السرعة تحترق. لكن علماء وكالة ناسا يشعرون أنه من خلال الدرع الحراري المصمم بشكل مناسب ، سيكون من الممكن التقاط العديد من المهام في مدار حول كوكب مقصد بتمرير واحد فقط عبر الغلاف الجوي العلوي.
فصاعدا!
وحذر جونسون من أنه "لن تقوم أي تقنية دفع فردية بكل شيء للجميع". وأضاف دريك أن الأشرعة الشمسية وأشرعة البلازما ربما تكون مفيدة في المقام الأول لدفع البضائع بدلاً من البشر من الأرض إلى المريخ ، لأن "يستغرق وقتًا طويلاً حتى تستيقظ تلك التقنيات للهروب من السرعة".
ومع ذلك ، يمكن أن يكون مزيجًا من العديد من التقنيات اقتصاديًا للغاية بالفعل في الحصول على مهمة مأهولة إلى المريخ. في الواقع ، يمكن أن يؤدي الجمع بين الدفع الكيميائي والدفع الأيوني والتقطيع الجوي إلى تقليل كتلة الإطلاق لمهمة المريخ المكونة من 6 أشخاص إلى أقل من 450 طنًا متريًا (تتطلب ستة عمليات إطلاق فقط) - ما عدا نصف ذلك يمكن تحقيقه بالدفع الكيميائي وحده.
قد تسير مثل هذه المهمة الهجينة على النحو التالي: الصواريخ الكيميائية ، كالعادة ، ستخرج المركبة الفضائية عن الأرض. بمجرد دخولها في مدار أرضي منخفض ، تشتعل وحدات محرك الأيونات ، أو قد تنشر وحدات التحكم الأرضية شراعًا شمسيًا أو بلازما. لمدة 6 إلى 12 شهرًا ، ستنطلق سفينة الفضاء - التي تعمل بدون طيار مؤقتًا لتجنب تعريض الطاقم لجرعات كبيرة من الإشعاع في أحزمة إشعاع فان ألين - وتتسارع تدريجيًا حتى تصل إلى مدار نهائي مرتفع. ثم يتم نقل الطاقم إلى عربة المريخ في سيارة أجرة عالية السرعة. ثم تقوم مرحلة كيميائية صغيرة بركلة السيارة للأعلى للهروب من السرعة ، ثم تتجه إلى المريخ.
بينما تدور الأرض والمريخ في مدارات كل منهما ، تتغير الهندسة النسبية بين الكواكب باستمرار. على الرغم من أن فرص إطلاق كوكب المريخ تحدث كل 26 شهرًا ، إلا أن المحاذاة المثلى لأرخص وأسرع الرحلات الممكنة تحدث كل 15 عامًا - القادمة في عام 2018.
ربما بحلول ذلك الوقت سيكون لدينا إجابة مختلفة على السؤال ، "هيوستن ، هل وصلنا بعد؟"
المصدر الأصلي: قصة علوم ناسا
