ناسا تستعد لإطلاق الجيل التالي من الشراع الشمسي إلى الفضاء السحيق
يعلم الجميع أن الطاقة الشمسية مجانية وغير محدودة تقريبًا هنا على الأرض. وينطبق الشيء نفسه على المركبات الفضائية العاملة في النظام الشمسي الداخلي. لكن في الفضاء، يمكن للشمس أن تفعل أكثر من مجرد توفير الطاقة الكهربائية؛ كما أنها تنبعث منها تيارًا لا ينتهي من الرياح الشمسية.
يمكن للأشرعة الشمسية تسخير تلك الرياح وتوفير الدفع للمركبات الفضائية. ناسا على وشك اختبار تصميم جديد للشراع الشمسي يمكن أن يجعل الأشرعة الشمسية أكثر فعالية.
ينتشر الضغط الشمسي في النظام الشمسي بأكمله. يضعف مع المسافة، لكنه موجود. فهو يؤثر على جميع المركبات الفضائية، بما في ذلك الأقمار الصناعية. فهو يؤثر بشكل كبير على رحلات الفضاء الطويلة الأمد.
يمكن لمركبة فضائية في مهمة إلى المريخ أن تنحرف عن مسارها لآلاف الكيلومترات أثناء رحلتها بسبب الضغط الشمسي. يؤثر الضغط أيضًا على اتجاه المركبة الفضائية، وهي مصممة للتعامل معه.
على الرغم من أنه عائق، إلا أنه يمكن استخدام الضغط الشمسي لصالحنا.
تم إطلاق واختبار عدد قليل من المركبات الفضائية ذات الشراع الشمسي، بدءًا من المركبة الفضائية اليابانية إيكاروس في عام 2010. وقد أثبت إيكاروس أن ضغط الإشعاع الشمسي على شكل فوتونات يمكن استخدامه للتحكم في مركبة فضائية.
أحدث مركبة فضائية شراع شمسي هي LightSail 2 التابعة لجمعية الكواكب، والتي تم إطلاقها في عام 2019. وكانت LightSail 2 مهمة ناجحة استمرت لأكثر من ثلاث سنوات.
تتمتع المركبات الفضائية ذات الشراع الشمسي ببعض المزايا مقارنة بالمركبات الفضائية الأخرى. أنظمة الدفع الخاصة بها خفيفة الوزن للغاية ولا ينفد الوقود أبدًا. يمكن للمركبات الفضائية ذات الشراع الشمسي أداء المهام بتكلفة أقل من المركبات الفضائية الأخرى ويمكن أن تستمر لفترة أطول، على الرغم من وجود قيود عليها.
لقد ثبت الآن نجاح مفهوم الشراع الشمسي، لكن التكنولوجيا بحاجة إلى التقدم حتى تصبح فعالة حقًا. جزء مهم من المركبة الفضائية الشراع الشمسي هو أذرعها. أذرع الرافعة تدعم مادة الشراع. كلما كانت أخف وأقوى، أصبحت المركبة الفضائية أكثر فعالية.
على الرغم من أن الأشرعة الشمسية أخف بكثير من المركبات الفضائية الأخرى، إلا أن وزن حواجز التطويق لا يزال يشكل عائقًا.
“تميل أذرع التطويل إلى أن تكون ثقيلة ومعدنية أو مصنوعة من مركب خفيف الوزن ذو تصميم ضخم – ولا يعمل أي منهما بشكل جيد مع المركبات الفضائية الصغيرة اليوم.”
كيتس ويلكي، الباحث الرئيسي في ACS3، ناسا
ناسا على وشك إطلاق تصميم جديد للشراع الشمسي بهيكل دعم أفضل. يُطلق عليه اسم نظام الشراع الشمسي المركب المتقدم (ACS3)، وهو أكثر صلابة وأخف وزنًا من تصميمات ذراع الرافعة السابقة. إنها مصنوعة من ألياف الكربون والبوليمرات المرنة.
على الرغم من أن الأشرعة الشمسية لها العديد من المزايا، إلا أن لها أيضًا عيبًا خطيرًا. يتم إطلاقها كحزم صغيرة يجب نشرها قبل بدء العمل. يمكن أن تكون هذه العملية محفوفة بالصعوبات وتثير التوتر لدى الطاقم الأرضي الفقير، الذي يتعين عليه الانتظار والمراقبة لمعرفة ما إذا كانت ناجحة.
سيتم إطلاق ACS3 باستخدام CubeSat المكون من اثنتي عشرة وحدة (12 وحدة) من إنتاج شركة NanoAvionics. الهدف الأساسي هو إظهار نشر ذراع الرافعة، لكن فريق ACS3 يأمل أيضًا أن تثبت المهمة أن مركبتهم الفضائية الشراع الشمسي تعمل.
ولتغيير الاتجاه، تقوم المركبة الفضائية بتحريك أشرعتها. إذا نجح نشر ذراع الرافعة، يأمل فريق ACS3 في إجراء بعض المناورات مع المركبة الفضائية، وتغيير زاوية الأشرعة وتغيير مدار المركبة الفضائية. الهدف هو بناء أشرعة أكبر يمكنها توليد قوة دفع أكبر.
“الأمل هو أن تلهم التقنيات الجديدة التي تم التحقق منها على هذه المركبة الفضائية الآخرين لاستخدامها بطرق لم نفكر فيها حتى.”
آلان رودس، مهندس أنظمة رئيسي لـ ACS3، مركز أبحاث أميس التابع لناسا
تم تصميم ذراع الرافعة ACS3 للتغلب على مشكلة أذرع الرافعة: فهي إما ثقيلة ونحيفة أو خفيفة وضخمة.
وقال كيتس ويلكي من ناسا: “تميل أذرع التطويل إلى أن تكون ثقيلة ومعدنية أو مصنوعة من مركب خفيف الوزن ذو تصميم ضخم، ولا يعمل أي منهما بشكل جيد مع المركبات الفضائية الصغيرة اليوم”. ويلك هو الباحث الرئيسي في ACS3 في Langley Resear مركز الفصل.
“تحتاج الأشرعة الشمسية إلى أذرع كبيرة جدًا ومستقرة وخفيفة الوزن يمكن طيها لأسفل بشكل مضغوط. أذرع هذا الشراع على شكل أنبوب ويمكن سحقها بشكل مسطح ولفها مثل شريط قياس في حزمة صغيرة مع تقديم جميع مزايا المواد المركبة، مثل أقل الانحناء والثني أثناء التغيرات في درجات الحرارة.”
سيتم إطلاق ACS3 من مجمع الإطلاق رقم 1 التابع لشركة Rocket Lab في الجزيرة الشمالية لنيوزيلندا. (مختبر الصواريخ)
سيتم إطلاق ACS3 على صاروخ إلكترون من مجمع الإطلاق التابع لشركة Rocket Lab في نيوزيلندا. وسوف يتجه إلى مدار متزامن مع الشمس على ارتفاع 1000 كيلومتر (600 ميل) فوق الأرض.
بمجرد وصولها، ستقوم المركبة الفضائية بفتح أذرعها ونشر شراعها. سيستغرق الأمر حوالي 25 دقيقة لنشر الشراع، بمساحة تجميع فوتون تبلغ 80 مترًا مربعًا، أو حوالي 860 قدمًا مربعًا. وهذا أكبر بكثير من LightSail 2، الذي تبلغ مساحة شراعه 32 مترًا مربعًا أو حوالي 340 قدمًا مربعًا.
وبينما تنشر نفسها، ستقوم الكاميرات الموجودة على المركبة الفضائية بمراقبة الشكل والتماثل ومراقبته. وسوف تغذي البيانات المستمدة من المناورات تصميمات الشراع المستقبلية.
وقال آلان رودس، مهندس الأنظمة الرئيسي للمهمة في مركز أبحاث أميس التابع لناسا: “يمكن لسبعة أمتار من أذرع التطويل القابلة للنشر أن تتشكل بالشكل الذي يناسب يدك”. “الأمل هو أن تلهم التقنيات الجديدة التي تم التحقق منها على هذه المركبة الفضائية الآخرين لاستخدامها بطرق لم نفكر فيها حتى.”
يعد ACS3 جزءًا من برنامج تكنولوجيا المركبات الفضائية الصغيرة التابع لناسا. ويهدف البرنامج إلى نشر مهمات صغيرة تُظهر قدرات فريدة بسرعة.
بفضل أذرع الرافعة المركبة وألياف الكربون الفريدة، يتمتع نظام ACS3 بالقدرة على دعم أشرعة كبيرة تصل إلى 2000 متر مربع، أو حوالي 21500 قدم مربع. وهذا يعادل حوالي نصف مساحة ملعب كرة القدم. (أو كما يسميه أصدقاؤنا في المملكة المتحدة عن طريق الخطأ، ملعب كرة القدم).
مع الأشرعة الكبيرة، تتغير أنواع المهام التي يمكنهم تشغيلها. في حين أن الأشرعة الشمسية كانت نماذج تجريبية صغيرة حتى الآن، إلا أن النظام يمكنه تشغيل بعض المهام العلمية الجادة.
وقال رودس: “ستستمر الشمس في الاحتراق لمليارات السنين، لذلك لدينا مصدر غير محدود للدفع. وبدلاً من إطلاق خزانات وقود ضخمة للمهام المستقبلية، يمكننا إطلاق أشرعة أكبر تستخدم “الوقود” المتوفر بالفعل”.
“سوف نعرض نظامًا يستخدم هذا المورد الوفير لاتخاذ تلك الخطوات العملاقة التالية في الاستكشاف والعلوم.”
لا تتمتع المركبات الفضائية ذات الشراع الشمسي بالدفع الفوري الذي تتمتع به أنظمة الدفع الكيميائية أو الكهربائية. لكن التوجه ثابت ولا يتزعزع أبدًا.
يمكنهم القيام بأشياء تكافح المركبات الفضائية الأخرى للقيام بها، مثل اتخاذ مواقع فريدة تسمح لهم بدراسة الشمس. ويمكن أن تكون بمثابة أنظمة إنذار مبكر للانبعاثات الكتلية الإكليلية والعواصف الشمسية، التي تشكل مخاطر.
ولأذرع التطويل المركبة الجديدة أيضًا تطبيقات أخرى. ونظرًا لأنها خفيفة الوزن وقوية وصغيرة الحجم، فيمكن أن تكون بمثابة الإطار الهيكلي للموائل القمرية والمريخية.
ويمكن استخدامها أيضًا لدعم هياكل أخرى، مثل أنظمة الاتصالات. إذا كان النظام يعمل، فمن يدري ما هي التطبيقات الأخرى التي قد يخدمها؟
وقال رودي أكويلينا، مدير مشروع مهمة الشراع الشمسي في ناسا أميس: “هذه التكنولوجيا تثير الخيال، وتعيد تصور فكرة الإبحار بأكملها وتطبيقها على السفر إلى الفضاء”.
“إن إظهار قدرات الأشرعة الشمسية وأذرع الرافعة المركبة خفيفة الوزن هو الخطوة التالية في استخدام هذه التكنولوجيا لإلهام المهام المستقبلية.”
تم نشر هذه المقالة في الأصل بواسطة الكون اليوم.
