اتقان الدفع: كيف سننقل البشر إلى المريخ

مع البعثات الأخيرة إلى المريخ ، مثل المثابرة التابعة لوكالة ناسا ، و Hope من الإمارات العربية المتحدة ، و Tianwen-1 الصينية كلها حققت نجاحًا كبيرًا ، فقد يغفر لك التفكير في أن الوصول إلى المريخ أمر سهل. ولكن هناك فرق كبير بين إرسال مركبة جوالة أو مركبة مدارية إلى الكوكب الأحمر وإرسال نوع البنية التحتية والتكنولوجيا التي نحتاجها لإقامة وجود بشري هناك.

قد يكون الدفع الكيميائي قد أخذنا إلى النظام الشمسي ، ولكن للمرحلة التالية من الإنسان استكشاف الفضاء ، سنحتاج إلى تقنيات دفع جديدة لتكملة تلك التي استخدمناها في الخمسين سنة الماضية. للحصول على تفاصيل حول الشكل الذي قد يبدو عليه الدفع لرحلة استكشافية مأهولة إلى المريخ ، تحدثنا إلى كريم أحمد ، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الميكانيكية والفضاء بجامعة سنترال فلوريدا وخبير في دفع الصواريخ المتطورة الأنظمة.

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ، سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ

موثوقة قديمة: أنظمة الدفع الكيميائية التي نستخدمها الآن

لإرسال صاروخ يطير عبر الغلاف الجوي للأرض ويخرج إلى الفضاء الخارجي ، 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 ، وهو ما يسمى بالدفع 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 ، و هذه القوة تسمح لها بالتغلب على آثار الجاذبية والهروب إلى الفضاء خارج كوكبنا.

"الدفع الكيميائي هو مجرد إضافة الحرارة إلى 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 هو الحال لا يعني عدم وجود 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. هذا هو السبب في أنه من الصعب 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 عالي الكفاءة.

غالبًا ما تستخدم الصواريخ الحالية أنواعًا من الوقود القائم على الكيروسين - تمامًا مثل وقود الطائرات - لكن مجال الاهتمام الكبير الآن هو البحث عن الوقود القائم على الميثان أو الغاز الطبيعي. لن يكون هذا الوقود بالضرورة أكثر فاعلية كوقود دافع ، ولكنه سيكون أرخص بكثير نظرًا لوفرة الغاز الطبيعي ولدينا بالفعل تقنية مطبقة لتجميعه.

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. يمكن أن يقلل هذا من حجم محرك الصاروخ من خلال القضاء على الحاجة إلى ضاغط قوي للغاية ، كما أنه يستخدم الوقود بشكل أكثر كفاءة. التكنولوجيا في طريقها لتصبح 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 ، يعد الدفع الكيميائي ضروريًا. "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 ارتفاعات أعلى. للتغلب على قوة الجاذبية ، أوضح أحمد.

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 - إنه ببساطة لا ينتج طاقة كافية.

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 ، فإنه 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 يصبح 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. "تحتاج 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 يعد لديك قوى جاذبية تؤثر عليك بعد الآن ، فقط لديك سرعتك النهائية التي تحاول التغلب عليها ، "أوضح أحمد.

وهناك الكثير من الطرق لتوليد القوة اللازمة لضبط مسار المركبة الفضائية. قال "التوجه هو الدفع". "أنت تحقن كتلة. إنك 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 ما يصل إلى 90٪ وقود أقل من الدفع 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 للمهام المأهولة. لكن قد يكون الدفع النووي هو الوسيلة التي تسمح لنا بزيارة الكواكب البعيدة.

وأوضح أحمد أن "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.

وهو مستدام ، وهو ما يمثل فائدته الكبيرة. قال أحمد: "نظام قائم على المواد الكيميائية ، أنت تحرق الوقود وتستنفده ، ولم يعد لديك بعد الآن". لقد أطلقتم تلك الطاقة وفقدتموها. مقابل النظام النووي ، فإن اليورانيوم أو البلوتونيوم الذي ستستخدمه موجود ولن يختفي. إنه مستدام بينما تحافظ على مفاعلك الأساسي ".

على الرغم من أن هذا التفاعل 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.

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 محسّنة لمصممي البعثات "، كما تقول الوكالة كتب 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."

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 ، يتصور مجموعة من الأنظمة المختلفة المستخدمة وفقًا لاحتياجات المهمة المحددة.

وأوضح: "أود أن أقول إن جميع الأنظمة الثلاثة ستكون مطلوبة". "ليس لديك نظام دفع مثالي يناسب جميع مهامك." في حين أنه من الممكن استخدام الدفع الكيميائي لأي مهمة ، إلا أنه كذلك ليس مناسبًا دائمًا - لقد قارن هذا بالوصول إلى مبنى مجاور باستخدام سيارة فيراري وإهدار مجموعة من الوقود عندما يمكنك ذلك يمشي.

بالنسبة للبعثات المأهولة إلى المريخ ، "سيتعين عليك استخدام الطاقة النووية ، وسيتعين عليك استخدام الكهرباء ، والمواد الكيميائية التي لا يمكنك الابتعاد بدونها" ، كما قال. على سبيل المثال ، قد تستخدم نظام الدفع الكهربائي لتوصيل البضائع مثل الموائل ، واستخدام الدفع النووي لإنشاء نظام ترحيل موثوق به بين الأرض والمريخ ، ثم إرسال رواد الفضاء باستخدام الدفع الكيميائي نظام. ذلك لأن البشر ، في الأساس ، قطع ضخمة من الأجهزة. "كتلتنا ليست خفيفة!" هو قال. "لدينا قدر كبير من الكتلة ، حتى بالنسبة لعدد قليل من الأفراد. لذلك أنت بحاجة إلى هذا الدفع الكيميائي ".

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.

قال أحمد: "المحركات الصاروخية التقليدية القائمة في الخمسينيات ستوصلك إلى هناك". تبين أن العامل المحدد شيء أكثر واقعية. "السؤال هو كم سيكلفك ذلك."

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". "ستوصلك تقنية الخمسينيات إلى المريخ دون مشكلة. انها مجرد خارقة ، باهظة الثمن للغاية. ولن يرغب أحد في دفع ثمنها. لكن التكنولوجيا موجودة ".

توصيات المحررين

• رحلة كونية: اللوجيستيات الصعبة المتمثلة في وضع الناس على المريخ
• علم النفس الفلكي: كيف تبقى عاقلًا على المريخ
• محطات توليد الطاقة على الكواكب الأخرى: كيف سنولد الكهرباء على كوكب المريخ
• حصاد الماء: كيف سيخلق المستوطنون في المستقبل المياه ويجمعونها على المريخ
• الزراعة الفلكية: كيف سنزرع المحاصيل على المريخ