هل تسائلت كيف سننقل البشر إلى المريخ
مع البعثات الأخيرة إلى كوكب المريخ ، مثل مثابرة وكالة ناسا ، و Hope الإماراتية ، و Tianwen-1 الصينية كلها حققت نجاحًا كبيرًا ، فقد يغفر لك التفكير في أن الوصول إلى المريخ أمر سهل. لكن هناك فرقًا كبيرًا بين إرسال مركبة جوالة أو مركبة مدارية إلى الكوكب الأحمر وإرسال نوع البنية التحتية والتكنولوجيا التي نحتاجها لإقامة وجود بشري هناك.
|
| كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
ربما يكون الدفع الكيميائي قد أخذنا إلى النظام الشمسي ، ولكن بالنسبة للمرحلة التالية من استكشاف الإنسان للفضاء ، سنحتاج إلى تقنيات دفع جديدة لتكملة تلك التي استخدمناها على مدار الخمسين عامًا الماضية. للحصول على تفاصيل حول الشكل الذي قد يبدو عليه الدفع لرحلة استكشافية مأهولة إلى المريخ ، تحدثنا إلى كريم أحمد ، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة سنترال فلوريدا والخبير في أنظمة الدفع الصاروخي المتطورة.
موثوقة قديمة: أنظمة الدفع الكيميائية التي نستخدمها الآن
لإرسال صاروخ يطير عبر الغلاف الجوي للأرض ويخرج إلى الفضاء وراءه ، فإنك تحتاج إلى الكثير من الدفع. أنت بحاجة إلى مواجهة ليس فقط الاحتكاك من الغلاف الجوي للأرض ولكن أيضًا قوة الجاذبية الكبيرة ، التي تسحب الأجسام مرة أخرى إلى الأرض.
منذ الخمسينيات من القرن الماضي ، استخدمنا نفس المبدأ الأساسي لتشغيل الصواريخ ، والذي يسمى الدفع الكيميائي. بشكل أساسي ، تقوم بإشعال دافع (خليط من الوقود ومؤكسد) ، مما ينتج عنه حرارة. تعمل هذه الحرارة على جعل المادة الموجودة داخل الصاروخ تتمدد ، ثم يتم دفعها خارج الجزء الخلفي من الصاروخ. هذا الطرد للدافع يخلق قوة دفع تدفع الصاروخ لأعلى بقوة هائلة ، وهذه القوة تسمح له بالتغلب على آثار الجاذبية والهروب إلى الفضاء خارج كوكبنا.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
"الدفع المعتمد في هذه الطريقة على المواد الكيميائية هو إضافة الحرارة إلى مادة الوقود بمعدلات سريعة حقًا. هذا الدافع ، بمجرد أن يكون لديك في درجة حرارة عالية حقًا ، فإنه يتمدد بسرعة عالية جدًا ، "أوضح أحمد. "هذه السرعة هي دالة على مقدار الحرارة التي تضعها. لذا فكر في الأمر كما لو كان لديك انفجار ، لديك كمية هائلة من الغاز تتحرك بسرعة. وهذه هي السرعة ".
هذه هي الميزة الكبيرة التي يتمتع بها الدفع الكيميائي على أنواع الدفع الأخرى التي يتم أخذها في الاعتبار: السرعة. يساعد الدفع الكيميائي للصواريخ على الانطلاق بسرعة كبيرة جدًا. لكنه ليس دائمًا الخيار الأكثر فعالية.
قال أحمد: "فكر في الأمر وكأنه بريوس مقابل كورفيت". "إذا كنت تريد الانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب بسرعة كبيرة ، فمن الصعب التغلب على الدفع الكيميائي." عندما تريد أن تكون أكثر كفاءة ، يمكن أن تأتي أنظمة الدفع الأخرى بمفردها. "إذا كنت تحاول الانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب بسرعة معقولة ولكن بكفاءة عالية ، فقد لا يكون الدفع الكيميائي هو الأداة المناسبة."
تحسين أنظمة الدفع الكيميائي
ربما ظل مبدأ الدفع الكيميائي على حاله خلال العقود العديدة الماضية ، لكن هذا لا يعني أنه لا توجد تحسينات يتم إجراؤها على التكنولوجيا - مثل البحث في أنواع مختلفة من الوقود.
تعتبر كفاءة أنواع الوقود مسألة كثافة الطاقة - مقدار الطاقة التي يمكن تخزينها بكمية معينة من الوقود. لهذا السبب يصعب استخدام شيء مثل الهيدروجين كوقود ، على الرغم من أنه يطلق الكثير من الحرارة في التفاعلات الكيميائية ، لأنه خفيف جدًا وذو كثافة منخفضة. من الصعب تخزين الكثير من الهيدروجين في مساحة صغيرة ، لذا فهو لا يصنع وقودًا فعالاً للغاية.
غالبًا ما تستخدم الصواريخ الحالية أنواعًا من الوقود القائم على الكيروسين - تمامًا مثل وقود الطائرات - ولكن مجال الاهتمام الكبير الآن هو البحث عن الوقود القائم على الميثان أو الغاز الطبيعي. لن يكون هذا الوقود بالضرورة أكثر فاعلية كوقود دافع ، لكنه سيكون أرخص بكثير لأن الغاز الطبيعي وفير ولدينا بالفعل تقنية لتجميعه.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
قال أحمد كمثال: "إذا تمكنت شركة سبيس إكس من استخدام الغاز الطبيعي
لتحليق طائرة فالكون 9 ، فسيكون لديها الكثير من المدخرات ، وبالتالي تسريع
استكشاف الفضاء". "إذا تمكنا من تقليل تكلفة الخروج إلى المدار الخارجي ، فإن
ذلك يجعل الفضاء أكثر سهولة بالنسبة لنا."
مجال آخر للبحث في تحسين المحركات نفسها. فريق أحمد هو واحد من عدة مجموعات تعمل على نظام يسمى محرك صاروخ التفجير الدوار ، والذي يمكن أن يولد طاقة أكبر من وقود أقل مقارنة بالمحركات التقليدية.
من خلال التحكم الدقيق في كمية الهيدروجين والأكسجين التي يتم تغذيتها في المحرك ، يمكن إنشاء الضغط بشكل أكثر فعالية. هذا يمكن أن يقلل من حجم محرك الصاروخ من خلال القضاء على الحاجة إلى ضاغط قوي للغاية ، كما أنه يستخدم الوقود بشكل أكثر كفاءة. التكنولوجيا في طريقها إلى أن تصبح قابلة للاستخدام قريبًا: يقول أحمد إن القوات الجوية الأمريكية تخطط لاختبار مثل هذا المحرك بحلول عام 2025.
لماذا الدفع الكيميائي لا يذهب إلى أي مكان
من أجل الإقلاع من الأرض ، فإن الدفع الكيميائي ضروري. "من مستوى سطح الأرض ، يصبح الدفع المعتمد على المواد الكيميائية أمرًا بالغ الأهمية لأنك تحتاج إلى هذا القدر من الطاقة لدفع هذا الوزن من الأرض إلى أعلى وصولاً إلى ارتفاع أعلى. للتغلب على قوة الجاذبية ، أوضح أحمد.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
لقد طرح مثال SpaceX. عندما تطلق الشركة صاروخًا ، لماذا لا تستخدم
نظامًا كهربائيًا مثل الذي تستخدمه شركة تسلا؟ الشركتان مملوكتان لنفس الشخص
، إيلون ماسك ، لذلك من المؤكد أنهما يمكنهما مشاركة التقنيات. لكن نظام
الدفع الكهربائي لا يمكنه توليد كمية الدفع اللازمة لإطلاق صاروخ من الأرض -
فهو ببساطة لا ينتج طاقة كافية.
اقرأ المزيد :Apple تطلق صندوقاً بقيمة 200 مليون دولار لتغير المناخ
لذلك سنحتاج إلى الاستمرار في استخدام الدفع الكيميائي لإطلاق الصواريخ في المستقبل المنظور. لكن هذا يتغير بمجرد أن يكون الصاروخ في المدار. بمجرد أن يتغلب على جاذبية الأرض ويصبح في الفضاء ، يشبه استخدام مثبت السرعة. يتطلب التحكم في مركبة فضائية في الفضاء قوة دفع قليلة نسبيًا ، حيث لا يوجد احتكاك هوائي أو سحب جاذبي لأسفل للتعامل معه. يمكنك حتى الاستفادة من قوى الجاذبية من الكواكب والأقمار القريبة.
لذلك يمكن لنظام دفع مختلف أن يتولى عمليات أكثر كفاءة.
خيار أكثر كفاءة: الدفع الكهربائي
بمجرد أن يدخل الصاروخ في المدار ، فإنه غالبًا ما يحتاج إلى إجراء تغييرات في المسار - تعديلات صغيرة لتعديل سرعته والتأكد من أنه يسير في الاتجاه الصحيح. هذا يتطلب نظام دفع. "أنت بحاجة إلى آلاف النيوتن فقط لتطير مركبة ، وللتنزل عن حالة السرعة الصفرية ولرفعها وتجاوز قوة الجاذبية للوزن الذي تحمله. لهذا السبب تحتاج إلى نظام صاروخي كبير وكبير. لكن في المدار الخارجي ، لم تعد لديك قوى جاذبية تؤثر عليك بعد الآن ، فقط لديك سرعتك النهائية التي تحاول التغلب عليها ، ”أوضح أحمد.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
وهناك الكثير من الطرق لتوليد القوة اللازمة لضبط مسار المركبة الفضائية. قال "التوجه هو الدفع". "أنت تحقن الكتلة. أنت ترمي كتلة ، وبالتالي فإنها تحركك في الاتجاه المعاكس. إنها مقدار الكتلة ، ومدى سرعة استنفاد تلك الكتلة ".
التكنولوجيا المستخدمة غالبًا في الأقمار الصناعية الصغيرة ، أو الأقمار الصناعية الصغيرة ، هي الدفع الكهربائي. يستخدمون الطاقة الكهربائية (التي يتم جمعها غالبًا باستخدام الألواح الشمسية) لتأين الوقود الغازي. ثم يُجبر هذا الغاز المتأين على الخروج من الجزء الخلفي من القمر الصناعي باستخدام مجال إلكتروني أو مغناطيسي ، مما يخلق قوة دفع تحرك المركبة الفضائية.
هذا نظام فعال للغاية يمكنه استخدام وقود أقل بنسبة تصل إلى 90٪ مقارنة بالدفع الكيميائي.
قال أحمد: "بالنسبة للدفع الكهربائي ، كتلتك صغيرة جدًا ولا تحتاج حقًا إلى الكثير من السرعة لتعطيك قوة الدفع". ويمكن لأنظمة الدفع الإلكترونية أن تؤين أي مادة تقريبًا ، حتى تتمكن من العمل مع كل ما هو متاح.
الفيل في الغرفة: الدفع النووي
غالبًا ما يكون الناس غير مرتاحين لفكرة الطاقة النووية في الفضاء. وهناك بالتأكيد مخاوف تتعلق بالسلامة يجب أخذها في الاعتبار عند استخدام الطاقة النووية ، خاصة بالنسبة للبعثات المأهولة. لكن قد يكون الدفع النووي هو الوسيلة التي تسمح لنا بزيارة الكواكب البعيدة.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
وأوضح أحمد: "الطاقة النووية عالية الكفاءة في الواقع". يعمل نظام الدفع النووي من خلال مفاعل يولد حرارة تُستخدم بعد ذلك لتسخين دافع يتم طرده لتوليد قوة دفع. يستخدم هذا الوقود بشكل أكثر كفاءة من الدفع الكيميائي.
هدف ناسا هو تقليل الوقت الذي يسافر فيه الطاقم بين الأرض والمريخ إلى ما يقرب من عامين كما هو عملي.
وهي مستدامة ، وهي فائدتها الكبيرة. قال أحمد: "نظام قائم على المواد الكيميائية ، أنت تحرق الوقود وتستنفده ، ولم يعد لديك بعد الآن". لقد أطلقتم تلك الطاقة وفقدتموها. مقابل نظام قائم على الطاقة النووية ، فإن اليورانيوم أو البلوتونيوم الذي ستستخدمه موجود ولن يختفي. إنه مستدام بينما تحافظ على مفاعلك الأساسي ".
على الرغم من أن رد الفعل هذا مستدام ، إلا أن الحرارة التي يولدها لا تزال بحاجة إلى توجيهها إلى كتلة. لن ترغب في استنفاد اليورانيوم أو البلوتونيوم المستخدم في التفاعل. الشيء المفيد هو أن المادة التي يتم تسخينها يمكن أن تكون عمليا أي غاز أو صلب ، على الرغم من أن الغاز مفضل لأنه يستجيب بشكل أفضل للحرارة.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
في الفضاء ، لا توجد غازات لاستخدامها ، لذلك لا تزال بحاجة إلى إحضار بعض الغازات معك. لكن على كوكب به غلاف جوي ، مثل المريخ ، يمكنك نظريًا استخدام الغازات المتاحة بسهولة مثل ثاني أكسيد الكربون كوقود دافع.
تبحث ناسا حاليًا في أنظمة الدفع النووية للبعثات إلى المريخ على وجه التحديد. هدف ناسا هو تقليل الوقت الذي يسافر فيه الطاقم بين الأرض والمريخ إلى ما يقرب من عامين كما هو عملي. يمكن لأنظمة الدفع النووي في الفضاء أن تتيح أوقاتًا أقصر للمهمة وتوفر مرونة وكفاءة معززة لمصممي البعثات ، " كتبت الوكالة عن الأنظمة النووية . لكن لم يتم اتخاذ أي قرارات حازمة حتى الآن. "من السابق لأوانه تحديد نظام الدفع الذي سيأخذ رواد الفضاء الأوائل إلى المريخ ، حيث لا يزال هناك تطور كبير مطلوب لكل نهج."
اقرأ المزيد : التوقعات التقنية لعام 2021 أهم هذه التقنيات
ليس هذا أو ذاك. كل ما سبق
ما زلنا في مراحل التخطيط الأولى لمهمة مأهولة إلى المريخ. نحتاج إلى مراعاة المتطلبات العملية بالإضافة إلى عوامل مثل التكلفة عندما يتعلق الأمر بالتخطيط لخطواتنا التالية.
لا يعتقد أحمد أن أحد أنظمة الدفع سيثبت أنه متفوق بشكل كبير على الأنظمة الأخرى. بدلاً من ذلك ، فإنه يتصور مجموعة من الأنظمة المختلفة المستخدمة وفقًا لاحتياجات المهمة المحددة.
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
وأوضح أيضا "أود أن أقول لكم بأن جميع هذه الأنظمة الثلاثة ستكون مطلوبةبشكل أساسي ". "وأيضا ليس لديك نظام الدفع الجيد والمثالي الذي يناسب جميع مهامك المختلفة ." في حين أنه من يمكن استخدام طاقة الدفع الكيميائي لأي مهمة ، إلا أنه ليس مناسبًا دائمًا - لقد قارن ذلك بالوصول إلى مبنى مجاور باستخدام سيارة فيراري وإهدار مجموعة من الوقود عندما يمكنك المشي فقط.
بالنسبة للبعثات المأهولة إلى المريخ ، "سيتعين عليك استخدام الطاقة النووية ، وسيتعين عليك استخدام الكهرباء ، والمادة الكيميائية التي لا يمكنك الاستغناء عنها". على سبيل المثال ، يمكنك استخدام نظام دفع كهربائي لتوصيل البضائع مثل الموائل ، واستخدام الدفع النووي لإنشاء نظام ترحيل موثوق بين الأرض والمريخ ، ثم إرسال رواد الفضاء باستخدام نظام دفع كيميائي. هذا لأن البشر ، في الأساس ، قطع ضخمة من الأجهزة. "كتلتنا ليست خفيفة!" هو قال. "لدينا قدر كبير من الكتلة ، حتى لعدد قليل من الأفراد. لذلك أنت بحاجة إلى هذا الدفع الكيميائي ".
اقرأ أيضا : اخبار عام 2050 الهواتف الذكية كيف سوف تصبح بعدثلاثين عام من الان
هل نحن جاهزون للمريخ؟
هناك العديد من التعقيدات حول ترتيب مهمة مأهولة إلى المريخ. ولكن عندما يتعلق الأمر بأنظمة الدفع ، فلدينا التكنولوجيا اللازمة لإرسال مهمة هناك غدًا.
وصرح أحمد: " أن المحركات الصاروخية المعروفة التقليدية من الخمسينيات ستوصلك إلى هناك". تبين أن العامل المحدد شيء أكثر واقعية. "السؤال هو كم سيكلفك ذلك."
|
|
كيف سيسافر البشر إلى المريخ |
إن إرسال الصواريخ إلى المريخ باستخدام أنظمة الدفع الكيميائية أمر مكلف للغاية. وعلى الرغم من وجود شهية عامة وأكاديمية لمزيد من استكشاف المريخ ، فإن الأموال المتاحة لمثل هذه المهمة ليست بلا حدود. لذلك ، سنحتاج إلى تطوير واستغلال تقنيات مثل أنظمة الدفع الكهربائية أو النووية لجعل الاستكشاف في المتناول.
حتى في مجال الدفع الكيميائي ، يمكن للتطورات في التكنولوجيا ، مثل محركات التفجير الدوراني أو الوقود الجديد ، أن تساعد في تقليل التكاليف ، مما سيعزز المزيد من الاستكشاف. وقال "التحدي يكمن في تطوير أنظمة هندسية أكثر اقتصادا من أنظمة الصواريخ الحالية". "تكنولوجيا الخمسينيات ستوصلك إلى المريخ دون مشكلة. انها مجرد سوبر ، باهظة الثمن للغاية. ولن يرغب أحد في دفع ثمنها. لكن التكنولوجيا موجودة ".