استخدام الموارد في الموقع
على الرغم من أن محطة الفضاء الدولية ISS تُعيد تدوير مواردها بقدر الإمكان، إلا أنها لا تزال تتطلب شحنات منتظمة من المياه والأكسجين والإمدادات الأخرى من الأرض. ونظراً لوجودها على ارتفاع نحو 250 ميلاً، فهي قريبة بما يكفي لجعل مهام إعادة الإمداد المنتظمة عملية. لكن هذا لن يكون دائما الحال بالنسبة إلى المساعي الفضائية المستقبلية، مثل الرحلات إلى المريخ أو إنشاء قاعدة دائمة على القمر. في مثل هذه الحالات، سيكون من الأسهل بكثير الحصول على معظم الضروريات من الموقع – بما في ذلك الهواء اللازم للتنفس. هذه هي الفكرة وراء استخدام الموارد في الموقع ،In-situ resource utilisation أو ISRU اختصاراً، وهي ممارسة تجميع ومعالجة وتخزين واستخدام الموارد على الأجرام الفلكية الأخرى بدلاً من شحنها بطول الطريق من الأرض.
عندما هبطت المركبة الجوالة بيرسيفيرينس (المُثابرة) Perseverance التابعة لوكالة ناسا على سطح المريخ في فبراير ،2021 حملت نموذجاً صغيراً لاستخدام الموارد في الموقع يسمى تجربة استخدام موارد الأكسجين في الموقع في المريخ Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment(اختصاراً: موكسيMOXIE )، والمصممة لتحويل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي الرقيق للمريخ إلى أكسجين صالح للتنفس، ويمكنها ذلك بنفس معدل شجرة صغيرة على الأرض تقريباً. وإذا نجحت، يمكن تثبيت نسخة أكبر بكثير من ”موكسي“ على المريخ لإنشاء مخزن للأكسجين، الذي سيكون جاهزاً ومنتظراً قبل أول هبوط بشري.
ناهز نموذج ”موكسي“ في الحجم بطارية السيارة، وتبلغ كتلته 17 كغم. وهو مصمم لإنتاج ما يصل إلى 10 غم من الأكسجين في الساعة – فهو يستخلص الأكسجين بفعالية من ثاني أكسيد الكربون، الذي يشكل نحو %96 من الغلاف الجوي للمريخ. يتم ذلك باستخدام نوع من التحليل الكهربائي، وهي تقنية تستخدم أيضاً في سياق استخراج الأكسجين من الماء. وتسمى العملية المستخدمة في موكسي، وهي عملية تماثلية ولكنها مختلفة قليلاً، بالتحليل الكهربائي بالأكسيد الصلب.
تتمثل الخطوة الأولى بالحصول على كمية من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي للمريخ باستخدام نظام موكسي لالتقاط وضغط ثاني أكسيد الكربون Acquisition and Compression (اختصاراً: النظامCAC ). الإضافة إلى سحب الغاز للداخل، يضغطه نظام التقاط وضغط ثاني أكسيد الكربون إلى نحو نصف الضغط الجوي للأرض، وهو أعلى بكثير من الضغط المحيط على المريخ. وكذلك يرشّح نظام التقاط وضغط ثاني أكسيد الكربون جزيئات الغبار التي تهب دائماً على الغلاف الجوي للمريخ.
وبعد التقاط وضغط ثاني أكسيد الكربون، تتمثل الخطوة التالية بالنظام الفرعي للتحليل الكهربائي بالأكسيد الصلب Solid Oxide Electrolysis (اختصاراً: التحليل SOXE) ذاته. وتعمل هذه الأداة عند درجة حرارة نحو º800س، وتستخدم عموداً Stack من 10 خلايا إلكتروليتية لتفكيك ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون – الذي يُتخلص منه كمنتج نفايات – والأكسجين. أما النظام الفرعي الثالث والأخير لتجربة ”موكسي“، وهو نظام رصد ومراقبة العمليات Process Monitoring and Control (اختصاراً: نظام PMC)؛ فيعتني بأمور مثل معدل التدفق ودرجة الحرارة، الإضافة إلى مراقبة وتسجيل البيانات من مجسات موكسي.
بعد سنة ونصف من التشغيل، ترقى تجربة ”موكسي“ بالكامل إلى مستوى توقعات مصمميها. وخلال سبع دورات تجريبية، امتدت ليلاً ونهاراً على مدى فصول مختلفة من السنة المريخية، تمكّن النموذج الأولي باستمرار على إنتاج ما لا يقل عن 6 غم من الأكسجين الصالح للتنفس في الساعة.
الأكسجين على القمر
على عكس المريخ، لا يوجد للقمر غلاف جوي، ولذلك فلن يعمل هناك نظام “موكسي” لاستخراج الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، هناك احتمال معقول لأن يقضي البشر فترات طويلة على سطح القمر في المستقبل غير البعيد. سيحتاجون إلى الأكسجين للتنفس، لكن شحنه بطول الطريق من الأرض يُعد خياراً باهظ التكلفة. هل هناك طريقة لتوليد الأكسجين على القمر عن طريق استخدام الموارد المتوفرة في الموقع؟ اتضح أن الإجابة قد تكون نعم، وفقاً لمختبر المواد والمكونات الكهربائية Materials and Electrical Components Laboratory التابع لوكالة الفضاء الأوروبية في هولندا. وكشفت بعثات أبوللو عن حقيقة مفاجئة هي أن غبار القمر يتكون من 40 إلى 45% من الأكسجين – والذي هو أكثر عناصره وفرة في الواقع. عرض علماء وكالة الفضاء الأوروبية طريقة لاستخراج هذا الأكسجين باستخدام شكل من أشكال التحليل الكهربائي، مما يجعل استخدام الموارد في الموقع على القمر احتمالاً حقيقياً.
تجربة ”موكسي“ على المريخ
”موكسي“ هي أول تجربة لاستخدام الموارد في الموقع تجريها وكالة ناسا على الكوكب الأحمر
1 العربة الجوالة بيرسيفيرانس PERSEVERANCE ROVER
”موكسي“ هي مجرد واحدة من العديد من التجارب والأدوات العلمية على متن أحدث مسابير وكالة ناسا.
2 موكسي MOXIE
توجد التجربة بالقرب من مقدمة العربة الجوالة، على الجانب الأيمن.
3 ضاغط حلزوني SCROLL COMPRESSOR
يستخدم لضغط الغلاف الجوي المريخي الرقيق إلى ضغوط أعلى.
4 مجموعة التحليل الكهربائي بالأكسيد الصلب SOXE ASSEMBLY
هذا هو قلب موكسي الذي ينتج الأكسجين من طريق التحليل الكهربائي بالأكسيد الصلب.
5 لوحة المجسات SENSOR PANEL
توجد معظم مجسات موكسي وأجهزة التحكم في التدفق بهذه المجموعة.
5 حقائق عن دعم الحياة
1 قبل عصر الفضاء
يتناقص الضغط الجوي للأرض مع زيادة الارتفاع، ولذلك فحتى قبل أيام السفر عبر الفضاء، كان الطيارون الذين يحلقون على ارتفاع عالٍ يحتاجون إلى ملابس داعمة للحياة تشبه بذلات الفضاء.
2 مركبتان فضائيتان مختلفتان، أجواء مختلفة
عندما ارتبطت المركبتان أبوللو وسويوز بالمدار في عام ،1975 دعت الحاجة إلى إنشاء غرفة لمعادلة الضغط Airlock بينهما لأنهما استخدمتا تركيبات جوية مختلفة.
3 بذلات الجواسيس
في الرحلة الأولى لمكوك الفضاء ،Space Shuttle لم يكن لدى وكالة ناسا بذلات فضائية مناسبة ليستخدمها أفراد الطاقم، فارتدوا بدلاً من ذلك بذلات ضغط مخصصة لطياري طائرات التجسس.
4 نظام الإسناد
تجلب بعثات إعادة الإمداد المنتظمة خزانات الأكسجين إلى محطة الفضاء الدولية. تخزّن هذه خارج غرفة المحطة لمعادلة الضغط لاستخدامها فقط في حالة الحاجة إليها لتعويض أي تسرب قد يحدث.
5 نظام إيكولوجي محمول في الفضاء
يعمل مشروع بديل نظام حفظ الحياة الإيكولوجية المجهرية Micro- Ecological Life Support System Alternative (اختصاراً: ميليسا MELiSSA ) التابع لوكالة الفضاء الأوروبية على إنشاء منظومة مستقبلية لدعم الحياة، والتي تستخدم النباتات والكائنات الحية الأخرى لإنتاج الأكسجين والماء.
