ناسا تجهز قمراً صناعياً لاختبار محطات الوقود في مدار الأرض

اتخذت وكالة ناسا خطوة حاسمة نحو جعل إعادة تزويد المركبات الفضائية بالوقود في الفضاء حقيقة تشغيلية. وتخطط الوكالة في أمريكا الشمالية لاختبار تقنيات التبريد باستخدام قمر صناعي مخصص، يسمى LOXSAT (عرض طيران الأكسجين السائل)، بهدف جعل ما يسمى “محطات الوقود” المدارية قابلة للحياة. وتعتبر هذه البنية التحتية أساسية للبعثات المأهولة المستقبلية إلى القمر والمريخ، بالإضافة إلى أنها تمثل تقدمًا تكنولوجيًا حاسمًا لاستكشاف الفضاء بعيد المدى.

سيتم إطلاق القمر الصناعي بواسطة Rocket Lab في يوليو

سيتم إطلاق LOXSAT من نيوزيلندا في موعد لا يتجاوز 17 يوليو، على متن صاروخ Rocket Lab Electron. وسيتم وضع القمر الصناعي في مدار أرضي منخفض (LEO) باستخدام منصة فوتون من نفس الشركة، في مهمة من المتوقع أن تستمر تسعة أشهر. خلال هذه الفترة، ستقوم المعدات باختبار 11 مكونًا مختلفًا لإدارة السوائل المبردة، وجمع البيانات الأساسية لتحسين التقنيات والسماح بتوسيع نطاقها للعمليات المستقبلية.

تمثل المهمة تعاونًا بين وكالة ناسا وشركة Eta Space، وهي شركة مقرها في روكليدج بولاية فلوريدا، والتي تقود تطوير التكنولوجيا المبردة. ويشارك العلماء والمهندسون من مراكز مارشال وجلين وكينيدي التابعة لناسا بنشاط في المشروع. تعد هذه المبادرة جزءًا من برنامج Tipping Point التابع للوكالة، والذي يختار شركات خاصة لإنشاء حلول تدعم برنامج Artemis وعملياته المستدامة على القمر حتى عام 2030.

التحدي التقني الرئيسي الذي سيواجهه LOXSAT هو الحفاظ على الوقود الدافع المبرد عند درجات حرارة منخفضة للغاية لفترات طويلة في فراغ الفضاء. يجب حفظ السوائل مثل الهيدروجين السائل والأكسجين السائل تحت ظروف محددة للغاية حتى لا تتبخر أو تتجمد بشكل غير مرغوب فيه. وفي الوقت الحالي، تعد هذه الصعوبة واحدة من أكبر العقبات التي تحول دون نشر أنظمة التزود بالوقود في المدار، مما يحد من قدرات استكشاف الفضاء المأهولة.

https://twitter.com/SPACEdotcom/status/2056771275813712181?ref_src=twsrc%5Etfw

صيانة الوقود في فراغ الفضاء

تتميز السوائل المبردة بخصائص فريدة تجعلها مثالية للدفع الفضائي، ولكن من الصعب للغاية إدارتها في المدار. يوفر الأكسجين السائل والهيدروجين السائل كثافة طاقة أعلى من الوقود التقليدي، مما يتيح حمولات أكبر أو نطاقات أطول. ومع ذلك، تتطلب هذه المواد الدافعة عزلًا حراريًا متطورًا لتجنب الغليان، وهي عملية يتبخر فيها السائل بشكل طبيعي حتى في الحاويات المتخصصة.

ستوفر اختبارات LOXSAT بيانات مهمة حول كيفية عمل العوازل الحرارية متعددة الأطوار في الجاذبية الصغرى، وكيف تحافظ الخزانات المتخصصة على الضغط الداخلي دون الصمامات التقليدية، وكيف تعمل أنظمة نقل السوائل في ظروف الفراغ. هذه المعرفة ضرورية لتصميم محطات التزود بالوقود الدائمة التي يمكن نشرها في مدار القمر أو مدار الأرض كبنية تحتية داعمة.

وتشمل المكونات التي سيتم اختبارها أنظمة العزل المتقدمة، والصمامات التي يتم تشغيلها عن بعد، وأجهزة استشعار متخصصة للضغط ودرجة الحرارة، وهياكل الخزانات المُحسّنة للبيئة الفضائية. سيتم رصد كل عنصر من هذه العناصر بشكل مستمر طوال المهمة التي تستغرق تسعة أشهر، مما يؤدي إلى إنشاء قاعدة بيانات غير مسبوقة للسلوك المبرد في الفضاء.

التوفير والكفاءة للبعثات المستقبلية

وإذا نجحت الاختبارات، فإن العواقب المترتبة على استكشاف الفضاء ستكون ثورية. سيكون من الممكن إطلاق المركبات الفضائية من الأرض بوقود أقل، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الإطلاق ويزيد من كفاءة المهمة. وبدلاً من حمل كل الوقود الدافع اللازم عند الإقلاع، يمكن للسفن التزود بالوقود في محطات مدارية موضوعة بشكل استراتيجي أثناء رحلتها.

ويعتبر هذا النهج بالغ الأهمية بشكل خاص للمهام طويلة المدى، مثل الرحلات إلى المريخ، حيث تمثل كمية الوقود المطلوبة عائقًا لوجستيًا كبيرًا. ستحتاج المركبة الفضائية المأهولة إلى المريخ إلى كمية من الوقود مماثلة لوزنها للقيام بالرحلة الكاملة من الأرض فقط. ومع وجود محطات للتزود بالوقود في المدار، سيتم تخفيض هذا الوزن الأولي بشكل كبير، مما يسمح بإعادة استخدام مركبات الإطلاق وجعل السفر بين الكواكب مجديًا اقتصاديًا.

ويُنظر إلى القدرة على التزود بالوقود في الفضاء أيضًا على أنها خطوة أساسية نحو تمكين الوجود البشري الدائم على الأجرام السماوية الأخرى. وبدون محطات الوقود المدارية، فإن إنشاء قواعد قمرية دائمة أو مدن على سطح المريخ سيظل ممكنا من الناحية الفنية ولكنه غير عملي من الناحية الاقتصادية. ومع البنية التحتية للتزود بالوقود، ستنخفض تكلفة الطن الجوي إلى الفضاء بشكل كبير، مما يفتح الفرص أمام السياحة الفضائية، واستخراج الكويكبات، وتسويق الموارد المدارية.

الجدوى التقنية والتجارية للبنية التحتية المدارية

ستكون نتائج تجارب LOXSAT حاسمة في تحديد الجدوى الفنية والاقتصادية للبنية التحتية الدائمة للتزود بالوقود المداري. يأمل مهندسو NASA وEta Space أن تسمح لهم البيانات التي تم الحصول عليها بالتصديق على التقنيات المستخدمة في العمليات الروتينية. في الوقت الحالي، لا توجد محطات للتزود بالوقود المبرد تعمل على نطاق تشغيلي دائم في الفضاء.

وسيركز القمر الصناعي بشكل خاص على حفظ ومعالجة الوقود الدفعي المبرد في ظروف فضائية حقيقية، وليس في ظروف محاكاة مختبرية. تخلق الجاذبية الصغرى، والإشعاع الشمسي، والتغيرات في درجات الحرارة الناجمة عن الدوران المداري تحديات لا يمكن تكرارها بالكامل على الأرض. تؤثر هذه العوامل على كيفية تصرف السوائل داخل الخزانات، وكيف يتحلل العزل الحراري بمرور الوقت، وكيف تعمل الأنظمة الميكانيكية بعد أشهر من التعرض لبيئة الفضاء القاسية.

تجسد الشراكة بين القطاعين العام والخاص بين وكالة ناسا وإيتا سبيس كيف تسعى الوكالة إلى تسريع الابتكار التكنولوجي. وبينما توفر وكالة ناسا الخبرة، وتطلق البنية التحتية والتحقق الفني، فإن الشركات الخاصة تتحمل المخاطر التجارية وتقدم حلولاً مبتكرة. وقد ساهم هذا النموذج في تمكين التقدم في المجالات التي ظلت راكدة لعقود من الزمن، مثل المركبات القابلة لإعادة الاستخدام وأنظمة الدفع التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.

الاندماج في برنامج أرتميس والاقتصاد المداري

يمثل برنامج أرتميس أكثر جهود استكشاف القمر طموحًا منذ بعثات أبولو في السبعينيات. تخطط ناسا لإنشاء قواعد قمرية مستدامة قادرة على دعم البحث العلمي واستخراج الموارد والعمليات التجارية. وستكون محطات التزود بالوقود المدارية جزءًا أساسيًا من هذه الإستراتيجية، مما يسمح للسفن بالقيام برحلات متعددة باستهلاك أقل للطاقة.

وبالإضافة إلى برنامج Artemis، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تفيد العمليات التجارية الناشئة. تقوم الشركات الخاصة بتطوير أقمار الاتصالات ومنصات التصنيع في المدار ومركبات السياحة الفضائية. ستستفيد جميع هذه التطبيقات من بنية تحتية موثوقة وفعالة من حيث التكلفة للتزود بالوقود. يمكن لنجاح لوكسات أن يضع الأساس لشبكة من محطات التزود بالوقود الفضائية، التي تخدم البعثات الحكومية والتجارية.

ويعتمد الاقتصاد المداري القوي على خفض التكاليف من خلال إعادة الاستخدام والتزود بالوقود بكفاءة. تم تصميم صاروخ Rocket Lab Electron، الذي سيطلق LOXSAT، ليكون قابلاً لإعادة الاستخدام، مما يقلل من تكاليف الإطلاق. وإذا تم دمج هذا النموذج مع محطات التزود بالوقود في المدار، فمن شأنه أن يخلق نظام نقل فضائي مستدام وقابل للحياة اقتصاديًا للعقد القادم.

الأشهر القليلة المقبلة ستكون حاسمة. سوف يدخل LOXSAT المدار في منتصف يوليو وسيبدأ الاختبار على الفور. ستساهم كل البيانات التي يتم جمعها في التحقق من صحة أو تعديل التصاميم لمحطات التزود بالوقود الأكبر والأكثر ديمومة. يمكن أن يمثل نجاح هذه المهمة اللحظة التي لم يعد فيها استكشاف الفضاء المأهول مشروعًا حكوميًا بحتًا وأصبح بنية تحتية مشتركة بين وكالات الفضاء والشركات الخاصة، مما يمهد الطريق لاقتصاد مداري حقيقي يعتمد على الخدمات اللوجستية في الفضاء.