نحن جميعًا على دراية بفكرة الأشرعة الشمسية لاستكشاف النظام الشمسي ، باستخدام ضغط الضوء من الشمس. ولكن هناك نظام دفع آخر يمكنه تسخير قوة الشمس ، والأشرعة الكهربائية ، وهي فكرة مثيرة جدًا.
قبل بضعة أسابيع ، تناولت سؤالًا طرحه أحدهم حول أنظمة الدفع الغريبة المفضلة لدي ، وقمت بإثارة بعض الأفكار التي أجدها مثيرة: الأشرعة الشمسية والصواريخ النووية والمحركات الأيونية ، وما إلى ذلك. ولكن هناك نظام دفع آخر يستمر في الظهور ، وقد نسيت تمامًا أن أذكر ، لكنها واحدة من أفضل الأفكار التي سمعتها في لحظة: الأشرعة الكهربائية.
كما تعلم على الأرجح ، يعمل الشراع الشمسي من خلال تسخير فوتونات الضوء المتدفق من الشمس. على الرغم من أن الفوتونات عديمة الكتلة ، إلا أنها تتمتع بقوة دفع ، ويمكنها نقلها عندما ترتد عن سطح عاكس.
بالإضافة إلى الضوء ، تنفخ الشمس أيضًا تيارًا مستمرًا من الجسيمات المشحونة - الرياح الشمسية. اقترح فريق من المهندسين الفنلنديين بقيادة الدكتورة بيكا جانهونن بناء شراع كهربائي سيستخدم هذه الجسيمات لنقل المركبات الفضائية إلى النظام الشمسي.
لفهم كيفية عمل ذلك ، سأحتاج إلى دمج بعض المفاهيم في دماغك.
أولا ، الشمس. تلك الكرة القاتلة من الإشعاع في السماء. كما تعلم على الأرجح ، هناك تدفق مستمر من الجسيمات المشحونة ، خاصة الإلكترونات والبروتونات ، التي تنطلق بعيدًا عن الشمس في جميع الاتجاهات.
الفلكيون ليسوا متأكدين تمامًا كيف ، ولكن بعض الآلية في هالة الشمس ، الغلاف الجوي العلوي ، تسرع هذه الجسيمات على سرعة الهروب. تتراوح سرعتها من 250 إلى 750 كم / ثانية.
تنتقل الرياح الشمسية بعيدًا عن الشمس وتنتقل إلى الفضاء. نرى آثاره على المذنبات ، مما يمنحها ذيولها المميزة ، وتشكل فقاعة حول النظام الشمسي تُعرف باسم الغلاف الشمسي. هذا هو المكان الذي تلتقي فيه الرياح الشمسية من الشمس مع الرياح الشمسية الجماعية من النجوم الأخرى في درب التبانة.
في الواقع ، مرت المركبة الفضائية فوييجر التابعة لناسا مؤخرًا عبر هذه المنطقة ، وشقوا طريقهم أخيرًا إلى الفضاء بين النجوم.
تسبب الرياح الشمسية ضغطًا مباشرًا ، مثل الرياح الفعلية ، لكنها ضعيفة بشكل لا يصدق ، وهي جزء من ضغط الضوء الذي يمر به الشراع الشمسي.
لكن الرياح الشمسية تحتوي على تيار من البروتونات والإلكترونات الموجبة الشحنة ، وهذا هو المفتاح.
يعمل الشراع الكهربائي عن طريق نزع سلك رفيع بشكل لا يصدق ، بسمك 25 ميكرون فقط ، ولكن بطول 20 كيلومترًا. تم تجهيز المركبة الفضائية بألواح شمسية وبندقية إلكترونية لا تستغرق سوى بضع مئات من الواط لتشغيلها.
من خلال إطلاق الإلكترونات في الفضاء ، تحافظ المركبة الفضائية على حالة شحن إيجابية للغاية. نظرًا لأن البروتونات من الشمس مشحونة أيضًا بشكل إيجابي ، عندما تواجه الحبل المشحون بشكل إيجابي ، فإنهم "يرون" أنه عقبة ضخمة عبر 100 متر ، ويصطدمون بها.
من خلال نقل الزخم في الحبل والمركبة الفضائية ، تقوم الأيونات بتسريعها بعيدًا عن الشمس.
مقدار التسارع ضعيف جدًا ، ولكنه ضغط مستمر من الشمس ويمكن أن يتراكم على مدى فترة طويلة من الزمن. على سبيل المثال ، إذا كانت المركبة الفضائية التي يبلغ وزنها 1000 كجم تحتوي على 100 من هذه الأسلاك تمتد في جميع الاتجاهات ، فقد تتلقى تسارعًا يبلغ 1 مم في الثانية في الثانية.
في الثانية الأولى ، تسافر 1 مم ، ثم 2 مم في الثانية التالية ، إلخ. على مدار العام ، يمكن أن تسير هذه المركبة الفضائية بسرعة 30 كم / ثانية. وللمقارنة فقط ، فإن أسرع مركبة فضائية هناك ، فوييجر 1 التابعة لوكالة ناسا ، تتجه نحو 17 كم / ثانية. لذلك ، أسرع بكثير ، بالتأكيد على سرعة هروب من النظام الشمسي.
أحد سلبيات هذه الطريقة ، في الواقع ، أنها لن تعمل داخل الغلاف المغناطيسي للأرض. لذا فإن المركبة الفضائية التي تعمل بالطاقة الكهربائية الشراعية ستحتاج إلى حملها بصاروخ تقليدي بعيدًا عن الأرض قبل أن تتمكن من إطلاق شراعها والتوجه إلى الفضاء البعيد.
أنا متأكد من أنك تتساءل عما إذا كانت هذه رحلة باتجاه واحد للابتعاد عن الشمس ، لكنها في الواقع ليست كذلك. تمامًا مثل الأشرعة الشمسية ، يمكن أن يكون الشراع الكهربائي محوريًا. اعتمادًا على جانب الشراع الذي تضربه الرياح الشمسية ، فإنها إما ترفع أو تقلل من مدار المركبة الفضائية من الشمس.
اضرب الشراع على جانب واحد وقمت برفع مداره للسفر إلى النظام الشمسي الخارجي. ولكن يمكنك أيضًا ضرب الجانب الآخر وخفض مداره ، مما يسمح له بالانتقال إلى النظام الشمسي الداخلي. إنه نظام دفع متعدد الاستخدامات بشكل لا يصدق ، وتقوم الشمس بكل العمل.
على الرغم من أن هذا يبدو وكأنه خيال علمي ، إلا أن هناك بالفعل بعض الاختبارات في الأعمال. تم إطلاق قمر صناعي نموذجي إستوني في عام 2013 ، لكن محركه فشل في نزع الحبل. تم إطلاق القمر الصناعي الفنلندي Aalto-1 في يونيو 2017 ، وإحدى تجاربه هي اختبار شراع كهربائي.
يجب علينا معرفة ما إذا كانت التقنية قابلة للتطبيق في وقت لاحق من هذا العام.
ليس الفنلنديون وحدهم هم الذين يفكرون في نظام الدفع هذا. في عام 2015 ، أعلنت وكالة ناسا أنها منحت منحة مفاهيم متقدمة مبتكرة للمرحلة الثانية للدكتورة بيكا جانهونن وفريقه لاستكشاف كيفية استخدام هذه التكنولوجيا للوصول إلى النظام الشمسي الخارجي في وقت أقل من الطرق الأخرى.
سيعمل نظام النقل السريع Heliopause Electrostatic Rapid Transit ، أو المركبة الفضائية HERTS على تمديد 20 من هذه الحبال الكهربائية إلى الخارج من المركز ، لتشكيل شراع كهربائي دائري ضخم للقبض على الرياح الشمسية. من خلال تدوير المركبة الفضائية ببطء ، ستقوم قوى الطرد المركزي بتمديد الحبال إلى هذا الشكل الدائري.
مع شحنتها الإيجابية ، يعمل كل حبل كحاجز ضخم للرياح الشمسية ، مما يمنح المركبة الفضائية مساحة سطح فعالة تبلغ 600 كيلومتر مربع بمجرد إطلاقها من الأرض. مع اقترابها من الأرض ، تزداد مساحتها الفعالة إلى ما يعادل 1200 كيلومتر مربع عند وصولها إلى المشتري.
عندما يبدأ الشراع الشمسي في فقد الطاقة ، يستمر الشراع الكهربائي في التسارع. في الواقع ، سوف تستمر في التسارع بعد مدار أورانوس.
إذا نجحت التكنولوجيا ، فإن مهمة HERTS يمكن أن تصل إلى حالة الشمس في غضون 10 سنوات فقط. استغرق فوييجر 1 35 سنة للوصول إلى هذه المسافة ، 121 وحدة فلكية من الشمس.
ولكن ماذا عن التوجيه؟ من خلال تغيير الجهد الكهربائي على كل سلك أثناء دوران المركبة الفضائية ، يمكنك جعل الشراع بأكمله يتفاعل بشكل مختلف من جانب أو آخر مع الرياح الشمسية. يمكنك توجيه المركبة الفضائية بأكملها مثل الأشرعة على متن قارب.
في سبتمبر 2017 ، أعلن فريق من الباحثين في المعهد الفنلندي للأرصاد الجوية عن فكرة جذرية جدًا عن الكيفية التي قد يتمكنون بها من استخدام الأشرعة الكهربائية لاستكشاف حزام الكويكبات بشكل شامل.
بدلا من مركبة فضائية واحدة ، اقترحوا بناء أسطول من 50 قمرا صناعيا منفصلا 5 كيلوغرامات. كل واحد سيحمل حبله الخاص الذي يبلغ طوله 20 كم ويلتقط رياح الشمس الشمسية. على مدار مهمة مدتها 3 سنوات ، ستنتقل المركبة الفضائية إلى حزام الكويكبات ، وتزور عدة صخور فضائية مختلفة. ربما يتمكن الأسطول الكامل من استكشاف 300 قطعة منفصلة.
سيتم تجهيز كل مركبة فضائية بتلسكوب صغير بفتحة 40 مم فقط. هذا تقريبًا بحجم نطاق التنقيط ، أو نصف زوج من المناظير ، ولكنه سيكون كافيًا لحل الميزات على سطح كويكب صغير يصل عرضه إلى 100 متر. سيكون لديهم أيضًا مطياف الأشعة تحت الحمراء ليتمكنوا من تحديد المعادن التي يتكون منها كل كويكب.
إنها طريقة رائعة للعثور على كويكب 10 تريليون دولار مصنوع من البلاتين الصلب.
نظرًا لأن المركبة الفضائية ستكون صغيرة جدًا بحيث يتعذر الاتصال بها بالكامل على الأرض ، فستحتاج إلى تخزين البيانات على متنها ، ثم نقل كل شيء بمجرد مرورها بعد كوكبنا بعد 3 سنوات.
علماء الكواكب الذين تحدثت معهم يحبون فكرة القدرة على مسح العديد من الأشياء المختلفة في نفس الوقت ، وفكرة الشراع الكهربائي هي واحدة من أكثر الطرق فعالية للقيام بذلك.
وفقا للباحثين ، يمكنهم القيام بالمهمة بحوالي 70 مليون دولار ، مما يجعل تكلفة تحليل كل كويكب تصل إلى حوالي 240،000 دولار. سيكون ذلك رخيصًا مقارنة بأي طريقة أخرى مقترحة لدراسة الكويكبات.
يستخدم استكشاف الفضاء الصواريخ الكيميائية التقليدية لأنها معروفة وموثوق بها. بالتأكيد لديهم عيوبهم ، لكنهم أخذونا عبر النظام الشمسي ، إلى بلايين الكيلومترات من الأرض.
ولكن هناك أشكال أخرى من الدفع في الأعمال ، مثل الشراع الكهربائي. وعلى مدى العقود المقبلة ، سنرى المزيد والمزيد من هذه الأفكار قيد الاختبار. نظام دفع خال من الوقود يمكنه حمل مركبة فضائية إلى الروافد الخارجية للنظام الشمسي؟ نعم من فضلك.
سأبقيك على اطلاع عند اختبار المزيد من الأشرعة الكهربائية.
بودكاست (صوتي): تنزيل (المدة: 10:10 - 9.3 ميغابايت)
اشترك: ابل بودكاست | أندرويد | RSS
بودكاست (فيديو): تنزيل (المدة: 10:10 - 69.3 ميغابايت)
اشترك: ابل بودكاست | أندرويد | RSS
