مستقبل السفر عبر الفضاء
اكتشف التقنيات المحتملة لسفن الفضاء المستقبلية، من تلك الممكنة عمليا إلى تلك البعيدة الاحتمال
المحرك الأيوني
الحالة: اختُبر في الفضاء
المدى: بين الكواكب
يعمل الصاروخ التقليدي بطرد غازات العادم الناتجة من تفاعل الاحتراق عبر فوهة مواجهة للخلف، مما يؤدي إلى دفع أمامي بالحفاظ على زخم الحركة Momentum. يولد المحرك الأيوني Ion Driv بدوره قوة دافعة بطرد المواد، ولكن في هذه الحالة يكون تياراً من الأيونات – أي الذرات التي جرّدت من الإلكترونات لتوليد شحنة كهربائية موجبة. قبل لفظها، تعجّل هذه الأيونات إلى سرعات عالية باستخدام مجال كهربائي. تأتي الطاقة اللازمة لتوليد هذا المجال – وكذلك الطاقة اللازمة لتأيين ذرات الوقود – من ألواح شمسية. لهذا السبب، يشار إلى المحركات الأيونية أحياناً بالدفع الشمسي – الكهربائي Solar-electric propulsion. تظل المحركات الأيونية قوية بما يكفي لدفع مركبة فضائية مأهولة في المستقبل، لكن وكالة ناسا استخدمتها في بعض مسابيرها الصغيرة بين الكواكب، مثل بعثة دون (الفجر) Dawn إلى حزام الكويكبات واختبار إعادة توجيه الكويكبات المزدوجة، والتي اصطدمت بكويكب في السنة الماضية.
محرك تأثير ماخ
الحالة: فكرة نظرية
المدى: بين النجوم
تعمل أنظمة الدفع مثل الصواريخ والمحركات الأيونية بالمحافظة على زخم الحركة، ومن ثم قذف الوقود الدافع في اتجاه بعينه لإنتاج قوة دفع في الاتجاه المعاكس. يعني هذا أن مداها محدود دائماً بكمية الوقود التي يمكن أن تحملها. ولكن عدداً قليلاً من العلماء يؤمنون بمحركات الفضاء ”عديمة التفاعل“ Reactionless التي لا تحافظ على زخم الحركة، ومن ثمّ لا تحتاج إلى أي مادة دافعة Propellant. أحد هذه المحركات، الذي اقترحه جيمس وودوارد James Woodward من معهد دراسات الفضاء Space Studies Institute، يستخدم ما يسميه ”تأثير ماخ“ ،Mach effect المبني على أفكار فيلسوف من القرن التاسع عشر يُدعى إرنست ماخ Ernst Mach. يعتقد معظم الفيزيائيين الأكاديميين أن محرك وودوارد الفضائي غير عملي، لكنه يدّعي أنه جرّبه في المختبر ويسعى إلى الحصول على مزيد من التمويل البحثي من وكالة ناسا. إذا عمل النظام بالطريقة التي يأملها وودوارد، فإنه يقول إنه يمكنه تشغيل مسبار حتى يصل إلى أقرب كوكب نجمي معروف، وهو بروكسيما بي .Proxima b
مستكشف ما تحت الجليد
الحالة: مشروع بحثي
المدى: المحيط الكوكبي
إذا كانت هناك حياة في المجموعة الشمسية، يعتقد كثير من العلماء أنه يرجح أن توجد على واحد أو أكثر من الأقمار الجليدية للكواكب النجمية العملاقة. لن يحدث هذا على السطح الجليدي نفسه، ولكن في محيط الماء السائل الكبير الذي يُعتقد أنه يقع تحته. الطريقة الأكثر مباشرة لاختبار هذه النظرية هي استكشاف تلك المحيطات بغواصة آلية – وهو بالضبط ما ستفعله العربة الجاري تطويرها حالياً في مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا. يُطلق على العربة اسم ”بروي“ BRUIE، وهي اختصار ”العربة الجوالة الطافية لاستكشاف ما تحت الجليد“ Buoyant Rover for Under- Ice Exploration، وهي مخصصة في الأساس للبحث في البحار المغطاة بالجليد على الأرض، ولكن يمكن تعديلها بسهولة لاستخدامها في بعثة مستقبلية إلى قمر جليدي مثل يوروبا Europa أو إنسيلادوس Enceladus، حيث يمكن البحث عن علامات الحياة على حدود المياه الجليدية.
اختبار محرك عديم التفاعل
تقول الفيزياء التقليدية إن الحركة عديمة التفاعل مستحيلة، ولكن إليك كيفية عمل محرك ماخ
1 نموذج أولي مختبري LABORATORY PROTOTYPE
يوضح داسر Thruster اختباري صغير أن المبدأ الأساسي قابل للتطبيق قبل توسيع نطاقه.
2 كتلة ثابتة CONSTANT MASS
يحتوي الداسر التجريبي على أساس نحاسي صلب ذي كتلة ثابتة، والذي يمثّل جسم مركبة فضائية حقيقية.
3 كتلة متغيرة VARIABLE MASS
تعمل هذه المجموعة من الأقراص الكهروضغطية كمصدر للحركة الميكانيكية والكتلة المتفاعلة المتغيرة.
4 الاهتزازات VIBRATIONS
نظراً لأن المادة الكهروضغطية تتمدد عند كهربتها، فسيؤدي هذا إلى اهتزاز الرصّة Stack بكاملها مقابل الأساس النحاسي.
5 داسر غير متفاعل REACTIONLESS THRUST
باستخدام مفهوم ”الكتلة المتغيرة“ Variable mass المثير للجدل، يُولّد الجهاز دفعاً أمامياً دون استهلاك الوقود الدافع.
مركبة فضائية فراغية
الحالة: مقترح لوكالة ناسا
المدى: الغلاف الجوي الكوكبي
على الأرض، تطفو السفينة الهوائية Airship بسبب امتلائها بغاز خفيف الوزن مثل الهيدروجين أو الهيليوم. من الناحية النظرية، يمكن صنع سفينة هوائية أكثر كفاءة إذا لم تكن مملوءة بأي شيء على الإطلاق – أي تحتوي على فراغ Vacuum مطلق. هذا غير ممكن على الأرض بسبب الضغط الجوي. أما على المريخ، حيث الغلاف الجوي أرق بكثير، فقد يكون مثل هذا التصميم ممكناً، وقد اقترح علماء وكالة ناسا بناء مثل هذه السفينة المفرغة الهواء.
تقنية الدعم: محطة لتوليد الكهرباء على المريخ
الحالة: مشروع بحثي
المدى: غير متاح
ستتطلب أي مستوطنة مستقبلية على المريخ مصدراً للطاقة الكهربائية، وسيتمثل الحل الأصغر حجماً بإنشاء محطة نووية صغيرة لتوليد الطاقة. ويستخدم فريق مشروع كيلوباور Kilopower project في الحل المقترح لمختبر لوس ألاموس الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أنبوباً حرارياً يدور حول المفاعل لتدوير السائل الساخن إلى جهاز يسمى محرك ستيرلينغ Stirling engine، الذي يستخدم الحرارة لضغط الغاز وتحريك مكبس لتشغيل مولد كهربائي.
أجنحة ترفرف على المريخ
الحالة: مشروع بحثي
المدى: الغلاف الجوي الكوكبي
لقد رأينا المركبة الفضائية إنجينويتي Ingenuity وهي تحلق فوق سطح المريخ، ولكن ماذا عن آلة حشرية مجنحة؟ الآلة الحشرية المجنحة Entomopter هي المصطلح التقني لمركبة آلية ترفرف بأجنحتها مثل الحشرات. وأظهرت الدراسات النظرية أن هذه طريقة مثالية للطيران في الغلاف الجوي الرقيق والجاذبية المنخفضة للكوكب الأحمر. فقد خصصت وكالة ناسا مؤخراً تمويلاً بحثياً لفريق يعمل على صنع ”نحل مريخي“ ،Marsbees والذي وصفه أحد أعضاء الفريق، وهو تشانغ-كوون كانغ Chang-kwon Kang، بأنه ”طائرات روبوتية مرفرفة الأجنحة بحجم نحلة طنانة“. وتتمثل الفكرة بأن تعمل هذه الروبوتات الصغيرة في أسراب، باستخدام عربة جوالة سطحية كنقطة للشحن ومحور للاتصالات أثناء رصدها لبيئتها بمجسات مصغرة.
1 أجنحة مرنة FLEXIBLE WINGS
يمكن لمركب بوليمري معدني أيوني أن يُظهر سلوكاً شبيهاً بالعضلات عند تعرضه لجهد كهربائي.
2 ألواح شمسية SOLAR PANELS
توفر هذه الألواح كل الطاقة الكهربائية اللازمة للأجنحة والحمولة.
3 الحمولة PAYLOAD
يمكن أن تشمل مجموعة من المجسات البيئية لدراسة الغلاف الجوي وسطح الكوكب.
4 تصميم قابل للطي COLLAPSIBLE DESIGN
يعني البناء أنه يمكن طي الهيكل إلى حجم صغير جداً لسهولة نقله.
الشراع الشمسي
الحالة: اختُبر في الفضاء
المدى: بين الكواكب
بغض النظر عن الفيزياء النظرية مثل تأثير ماخ، هناك طريقة واحدة فقط يمكن من خلالها قيادة سفينة عبر الفضاء دون استهلاك أي مادة دافعة ولا تزال تخضع لقانون بقاء زخم الحركة، وذلك إذا اكتسبت زخمها الإضافي من مصدر خارجي – بالطريقة نفسها التي تحصل بها سفينة شراعية على الأرض على زخمها الحركي من الرياح. يوجد ضمن حدود المجموعة الشمسية مصدر لا نهائي لزخم الحركة، وهو مجاني تماماً يتمثل بـ فوتونات Photons الضوء المتدفقة من الشمس. ومن الناحية النظرية، يمكن لمركبة فضائية أن تلتقط هذا الزخم باستخدام شراع شمسي: وهو قطعة كبيرة من القماش الخفيف الوزن المزود بسطح عاكس جداً لكي ترتد الفوتونات.
على الرغم من عدم استخدامه في بعثة فعلية بين الكواكب حتى الآن، فقد أثبتت الجمعية الكوكبية Planetary Society صحة المبدأ الأساسي في مدار الأرض من قبل، فقد حلقت مركبتها الفضائية ”لايت سيل تو“ LightSail2 بنجاح ما بين شهري يونيو 2019 ونوفمبر .2022
درع مغناطيسية عاكسة
يمكن حماية رواد الفضاء من الإشعاع القاتل بفضل درع تولّد اصطناعياً حول سفينتهم الفضائية
مشروع أوريون PROJECT ORION
هذا المشروع البحثي، الذي اختُبرت بالفعل بعض أجهزته من قبل شركة جنرال أتوميكس General Atomics في عام 1959، حاول تزويد بعثة في الفضاء العميق بالطاقة بتفجير سلسلة من القنابل النووية خلفها.
بريك ثرو ستارشوت BREAKTHROUGH STARSHOT
يتضمن هذا المقترح بناء أسطول من المركبات الفضائية الصغيرة لاستخدامها في بعثة للتحليق فوق كوكب ألفا سنتوري (رجل القنطور) Alpha Centauri باستخدام أشرعة ضوئية لا تعمل بالشمس ولكن بشعاع ليزري فائق القوة.
رامجيت بوسارد BUSSARD RAMJET
في عام 1960، اقترح الفيزيائي روبرت دبليو بوسارد Robert W. Bussard أن يعمل نظام الدفع بين النجمي Interstellar propulsionالقابل للتطبيق علمياً هذا بالغازات الفائقة الرقة التي تتخلل الفضاء.
مصعد الفضاء SPACE ELEVATOR
يتضمن هذا المفهوم الجامح، الذي تبحث في تنفيذه عدة مجموعات حول العالم، صنع كبل مصعد يمتد بطول الطريق من سطح الأرض إلى قمر اصطناعي ثابت بالنسبة إلى الأرض.
سفينة الأجيال
الحالة: نظرية
المدى: بين النجوم
ستستغرق المركبة المتجهة إلى نظام نجمي آخر عدة قرون للوصول إلى وجهتها. يعني هذا حتما أن ركابها سيمرون عبر أجيال عديدة تولد وتعيش وتموت أثناء الرحلة. نوقشت إمكانية صنع مركبة فضائية متعددة الأجيال في أوائل القرن العشرين من قبل رائدي الطيران الفضائي روبرت غودارد Robert Goddard وكونستانتين تسيولكوفسكي Konstantin Tsiolkovsky، وظهرت لاحقاً في العديد من قصص الخيال العلمي.
محطة فون براون
الحالة: عرض مقترح
المدى: غير متاح
اشتهر فيرنر فون براون Wernher von Braun بتصميمه للصواريخ، لكنه وضع في أربعينات وخمسينات القرن العشرين تصوراً لمحطة فضائية عملاقة على شكل عجلة في مدار حول الأرض. تدور المحطة حول محورها لخلق جاذبية اصطناعية، مولدة ضغطا عند الحافة الخارجية للعجلة يعادل ضغط الجاذبية على سطح الأرض بفعل قوة الطرد المركزي. في عام 2019، اقترحت منظمة خاصة تسمى مؤسسة غيتواي Gateway Foundation بناء فندق فخم في المدار باستخدام التصميم نفسه، والذي أشارت إليه على نحو ملائم بـ محطة فون براون، على اسم الرجل الذي تصور الفكرة.
محرك ألكوبيري
الحالة: فكرة نظرية
المدى: بين النجوم
وفقاً لنظرية آينشتاين للنسبية العامة، يمكن تشويه البنية الأساسية للزمكان Space-time – أو ليّها – بفعل مجال جاذبية قوي. كان يرجّح مع وضع هذا في الاعتبار أن مبتكري مسلسل الخيال العلمي ستار تريك Star Trek استخدموا مصطلح ”محرك الالتواء“ Warp drive لوصف منظومة دفع للمركبات الفضائية في ستينات القرن العشرين، لكن الفيزيائي ميغيل ألكوبيري Miguel Alcubierre أوضح في عام 1994 كيف يمكن لمثل هذا المحرك أن يعمل بالفعل. وتمثلت فكرته بإنشاء آلية من شأنها أن تشوه نسيج الزمكان بطريقة تجعل الفضاء أمام السفينة يتقلص في حين يتسع الفضاء خلفه. قد ينتج من ذلك ”فقاعة التوائية“ Warp bulbble تُدفع فيها السفينة عبر الفضاء غير المشوّه. أظهر ألكوبيري أن هذه الآلية ممكنة من الناحية النظرية، على الرغم من أنها محفوفة بالمشكلات الهندسية لدرجة أنه من غير المرجح أن يتمكن أي شخص من بناء واحدة.
محرك التواء حقيقي
على الرغم من أنه نظري جداً، إليك كيفية عمل محرك ألكوبيري
1 فضاء غير مشوه UNDISTORTED SPACE
للتبسيط، يمكن تصوّر الفضاء العادي ثلاثي الأبعاد كورقة مسطحة ثنائية الأبعاد.
2 فضاء مضغوط COMPRESSED SPACE
يتشوه الفضاء أمام السفينة بطريقة تجعله ينكمش.
3 فضاء متوسع EXPANDED SPACE
لموازنة الفضاء المضغوط أمام السفينة، يتوسع الفضاء خلفها.
4 سفينة الفضاء SPACESHIP
تظل السفينة ثابتة بشكل فعال داخل ”فقاعتها الالتوائية“، لكن الفقاعة نفسها تُدفع إلى الأمام بسرعة عالية.
فاسيمر
الحالة: قيد التطوير
المدى: بين الكواكب
فاسيمر VASIMR هو محرك للمركبات الفضائية تطوره حالياً شركة أد أسترا للصواريخ Ad Astra Rocket. ”فاسيمر“ هو اختصار صاروخ البلازما المغناطيسية متغير الاندفاع النوعي Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket؛ يمكن مقارنته بداسر أيوني من حيث إنه يستخدم الكهرباء كمصدر رئيسي للطاقة، على الرغم من اختلاف طريقة تشغيله. يبدأ بالطريقة نفسها بتأيين الغاز، ولكن بدلاً من استخدام الأيونات الموجبة الشحنة فقط كوقود دافع، فإنه يستخدم بلازما متعادلة الشحنة تحتوي على كل من الأيونات الموجبة والإلكترونات. وتوجّه هذه عبر مجال مغناطيسي وتُقذف بسرعة عالية لتوفير قوة دفع أكبر بكثير من محرك أيوني نمطي. وباستخدام الألواح الشمسية أو المفاعلات النووية لتوليد الكهرباء، يمكن لفاسيمر تشغيل مجموعة واسعة من المركبات الفضائية، من المركبات الفضائية الروبوتية الصغيرة إلى المركبات المأهولة الأكبر حجماً، بما في ذلك مهام الفضاء العميق إلى المريخ وما وراءه.
إلى المريخ في غضون 39 يوماً
تيم مارشال Tim Marshall هو مؤلف كتاب ”مستقبل الجغرافيا: كيف ستغير القوة والسياسة في الفضاء عالمنا“
هل سباق الفضاء الثاني جار حالياً بالفعل؟
قطعاً. هناك أوجه للتشابه مع السباق الأول، لكنها مختلفة. في ستينات وسبعينات القرن العشرين، حاول كل من السوفييت والأمريكان إثبات تفوق تقنيتهم على الأخرى كجزء من إثبات تفوق النظام السياسي في كل منهما. يشبه ذلك ما يحدث الآن بين الصين والولايات المتحدة، لكنه أقل أدلجة وأقل وضوحاً. السباق الجديد تحركه الآفاق التجارية والتخطيط العسكري. فلا يمكن لأي قوة عظمى أن تسمح لأخرى بأن تكون هي الوحيدة التي تحاول اكتساب المزايا المحتملة لتعدين القمر، ولا بالهيمنة على الفضاء عسكرياً.
عندما تسمح لنا تكنولوجيا الفضاء باستكشاف واستعمار الكواكب الأخرى بسهولة أكبر، هل تتصور تقسيماً منظماً للأراضي مدعوماً بالاتفاقيات الدولية؟
ما لم تُعدّل الاتفاقيات الدولية القائمة التي عفا عليها الزمن بشأن الفضاء بالكامل وجعلها وثيقة الصلة بالقرن الحادي والعشرين ومن ثم إصلاحها، فسيكون ذلك بمثابة انتزاع للأراضي من قبل القوى الفردية و/أو التكتلات. وتحتوي اتفاقيات رتميس Artemis Accords على بند يتحدث عن ”مناطق الأمان“. حسناً، يمكن للأطراف العشرين الموقعة أن تتفق على واحدة، ولكن لماذا ينبغي ذلك على الدول الـ 173 الأخرى؟ تنص شروط وأحكام معاهدة ستارلينك Starlink المتعلقة بالخدمة على كوكب المريخ على أن أي نزاعات ”ستسوى وفقاً لمبادئ الحكم الذاتي“. التخوك الأمريكية؟ فقط يستعاض عن ”تكساس 1836“ بعبارة ”مارس 2086“.
كيف سنتقدم في استكشاف موقعنا المجري؟
يبدو عام 2030 طموحاً، لكن ذلك قد يكون ممكناً بعد عشر سنوات من الآن. فخلال هذه الفترة سيظهر الصينيون وربما الروس. سيكون لكل من الكتلتين قواعد قمرية أساسية وأنشطة تجارية جاهزة للعمل في أواخر العقد الرابع من القرن الحادي والعشرين. بحلول ذلك الوقت، ربما أرسلت الصين وشركة سبيس إكس بعثات مأهولة إلى المريخ، لكن فكرة إيلون ماسك الأصلية عن توطين مليون شخص هناك بحلول عام 2050 تبدو غير واقعية تماماً.
بقلم: أندرو ماي
