وقد ظل سعة الفضاء شاساً منذ فترة طويلة، كغلاف باطلي صامت وسليح تماماً للاستكشاف البشري، ومع ذلك فإن المساحة بين الكواكب بعيدة عن الفراغ، وهي مليئة بمجموعات كبيرة من الجسيمات الصغيرة التي تعرف باسم الغبار بين الكواكب، وهي عبارة عن مكونات حيوية في مجال الأمان، وهي لا تُعرف إلا بالتراب بين الكواكب، بل إنها لا تُعد في كثير من الأحيان أكثر من حبر الرمال، وتُعدُّبُها على سرعات الكواكب، ويمكن أن تشكل مخاطر كبيرة على نظم المركبات الفضائية.

طبيعة وأصول الدغب النجمي

إن الجسيمات الغبارية المشتركة بين الكواكب هي أجسام صلبة صغيرة تدور بين الكواكب وتتراوح في الحجم بين بضعة مقابر وحوالي مليمتر واحد، وتصنف الأجسام الأكبر حجماً على أنها نيزك، وتنشأ الغبار من مصادر عديدة: المواد المذيلة التي ترفرفرف على الشمس، والاصطدامات بين الكويكبات في الحزام الرئيسي، وحتى الحطام الذي خلفه الكواكب.

وتتباين تركيبة الغبار بين الكواكب تفاوتاً واسعاً، وبعض الجسيمات هي الكربونية، والغنى في المركبات العضوية، وثدي النيازك البدائي المتجانس، والبعض الآخر مصمم على أساس السلي، مماثل للمواد الصخرية الموجودة في قشرة الأرض، وهناك جزء صغير من المعادن يحتوي على الحديد والنيكل والعناصر الأخرى، ويسهم فهم المركبة الأرضية وهيكل المشردين داخلياً في التنبؤ بكيفية تفاعل مصممي البعثات.

وتتحرك هذه الجسيمات في سرعة تهتز بالمعايير الأرضية، وتتراوح سرعة التأثيرات النموذجية بين 10 و70 كيلومتراً في الثانية، تبعاً للحركة النسبية للغبار والمركبات الفضائية، وفي هذه الظروف، فإن بعض الميكرومترات في قطرها تحمل طاقة حركية مماثلة لطلقة أطلقت من بندقية.

آثار على النظم الفرعية للمركبات الفضائية

التحلل السطحي والتدهور البصري

ومن أكثر الآثار غير المتعمدة للتراب بين الكواكب تآكل سطح الأرض، كما أن ارتفاع السرعة يؤثر على المواد التي تصيبها ببطء من السطحات المعرضة، كما أن الألواح الشمسية، التي تعتبر أساسية لتوليد الطاقة في معظم البعثات المشتركة بين الكواكب، هي عرضة للخطر بوجه خاص، كما أن الغطاء الزجاجي على الخلايا الشمسية يُغمر ويُحبط بمرور الوقت، مما يقلل من شفافية هذه المواد، وبالتالي، فإن كمية الضوء الشمسي التي تصل إلى خلايا الفولت من حيث الإنتاج الفوتوغرافي.

فالأدوات البصرية - الكاميرات والمقاريب والمطياف - أكثر حساسية، ويمكن أن يؤدي خدش واحد أو حفرة على عدسة إلى تحطم الضوء وتحلل نوعية الصور، وبالنسبة للصكوك التي تعتمد على قياس دقيق للصور أو المضاربة، فإن التلوث بالتراب يمكن أن يستحدث أخطاء منهجية تعق ِّد تحليل البيانات.

نظام الرقابة الحرارية

وتتوقف المراقبة الحرارية للمركبات الفضائية على السطح الذي يحتوي على خصائص معينة من الإبخار الشمسي والأشعة تحت الحمراء، وقد تصمم المواد الصمغية والبطانيات الحرارية واللوبي للإبقاء على درجات الحرارة المثلى للالكترونيات والأدوات، وعندما تغير تأثيرات الغبار التكاثر الجزئي لهذه السطحيات، فإن خصائصها الحرارية قد تعكس، على سبيل المثال، زيادة في قيمة الأشعة السطحية أقل مما يمكن أن يتسبب في زيادة حرارة.

الأخطار التي تهدد النزاهة الهيكلية

وفي حين أن معظم الجسيمات الغبارية بين الكواكب صغيرة، فإن جسيمات أكبر (مقياس قياس الألف) ليست غير شائعة، فالأثر الفائق السرعة الناجم عن جسيمات ذات حجم مليمتر يمكن أن يخترق جلدات الألومنيوم الرقيقة، أو تسخين الأسلاك، أو السفن الممزقة التي تضغط، وفي الحالات القصوى، تسببت هذه الآثار في حدوث هوومات في المركبات الفضائية.

وكثيرا ما تكون العناصر الحاسمة مثل صهاريج الدفع وعجلات الرد وصناديق الملاحة الجوية محمية، غير أن أي هوائيات خارجية ضعيفة - عربات الرادارات، والكاميرات، والصفوف الشمسية - الأمواج، تصمم مع مراعاة التسامح إزاء الأثر، وإمكانية حدوث ضربات غير مستقرة مع طول مدة البعثة ومع المنطقة المتقاطعة للمركبات الفضائية.

كشف وقياس الدوقة المشتركة بين الكواكب

ولتخفيف مخاطر الغبار، يحتاج مخططو البعثات إلى نماذج دقيقة لبيئة الغبار، حيث قامت عدة مركبات فضائية بحمل كاشفات غبار مخصصة لقياس تدفق الجسيمات والكتل والتكوين، واستخدمت بعثة غاليليو، في طريقها إلى المشتري، جهازا لكشف أثر الغبار على رسم خرائط لتوزيع الغبار من الأرض إلى العملاق الغازي، وقد قيست الجسيمات الغبارية للمركبات الفضائية في خطوط التراب الشمسية العالية، مما كشف وجود مجرى الشمسي.

وفي الآونة الأخيرة، أعادت شركة كاسيني للدب الكوني للشركة بيانات مفصلة عن جسيمات الخواتم والغبار في نظام زحل، وتساعد هذه القياسات على صقل نماذج مثل NASA نموذج النيازك الموحد لمكتب البيئة الآلي ، الذي يتوقع حدوث تدفقات غبارية من أجل تصميم البعثة.

وتسهم أيضاً الملاحظات الأرضية: فالرصدات الرادارية لدشات النيزك وقياسات الضوء الزوديقي من الأرض تسمح للعلماء بتلقين التوزيع العام للغبار في النظام الشمسي الداخلي، وتدمج هذه البيانات في نماذج تستخدمها وكالات مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ] لنموذج بيئة الحطام الفضائي ، على الرغم من أن الغبار بين الطائرات مختلف عن الحطام المداري البشري.

اعتبارات تخطيط البعثات

تصميم المسارات

فالتقليل من التعرض للغبار يبدأ باختيار المسارات، وبعض مناطق النظام الشمسي أكثر غبارا من مناطق أخرى، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يكون لجوئها إلى مدارات المذنبين، ولا سيما قرب منطقة المذنب، كثافة غبار عالية للغاية، كما أن النظام الشمسي الداخلي بين الزهرة والأرض غني أيضا بالغبار الزودي، وكثيرا ما تمر البعثات إلى الكواكب الخارجية عبر حزام الكويكب، حيث يتحول الغبار من الأرض.

وعندما يتعين على مركبة فضائية أن تقطع مساراً معروفاً للتراب مثل تيار نيزك الليوند للسواتل القريبة من مشغلي الأرض قد توجه المركبة الفضائية نحو حماية المكونات الحساسة أو حتى إلى كهرباء النظم غير الأساسية أثناء المعبر، وتشمل الخوارزميات المتقدمة التخصيبية التضاريسية الآن تدفقاً غبارياً كقيود، وموازنة الدلتا - 5 وزمن الطيران مع مخاطر الارتطام.

الشحن والدرع

"وبعد مرور عقود، استخدمت المركبات الفضائية دروعاً لحمايتها من الـ"ميكروميتويك" "و الدرع الوحلي يتألف من ورقة "مضخة" خارجية رقيقة" تبعد مسافة قصيرة عن جدار الضغط الرئيسي، وعند حدوث ذلك، تُنتشر المادة الجزيئية وسحابة الحطام، مما يقلل كثيراً من الاندفاع الذي تم تسليمه إلى الحائط الداخلي.

ويجري البحث في مواد جديدة مثل مركبات الكربون - التحررية، والهيروغلات، وبوليمرات التعبئة الذاتية لتوفير حماية أكثر خفة وفعالية، وبالنسبة للبعثات البشرية، حيث تكون هوامش الأمان أشد صرامة، تخضع تصميمات الدرع لفحص واسع النطاق لأثر ارتفاع السرعة في مرافق مثل سباق المدفعية في إيمز.

اعتبارات التوقيت والبدء في إطلاق النوافذ

وتتفاوت كثافة الدوافع على مدار الدورة الشمسية ومواسم الأرض، فعلى سبيل المثال، فإن التدفقات السنوية لطيور النيزك (البريزييدات، والجوزاء، وما إلى ذلك) معروفة جيدا، ولكن الغبار بين الكواكب له أيضا عنصر أساسي يقترب من الطائرة الكسوفية، وقد يؤدي إطلاقها خلال فترة من النشاط الغباري المنخفض إلى الحد من التقلبات الإجمالية على مدى عمر البعثة.

وبالنسبة للبعثات إلى المريخ، فإن موسم العواصف الغبارية )صيف الغبار( يشكل خطرا إضافيا، وإن كان ذلك غبار الغلاف الجوي، وبالنسبة للغبار بين الكواكب، فإن توجهات كوكب الأرض يمكن أن تؤثر أيضا على التدفق على ارتفاعات أعلى، كما أن مخططي البعثة يتشاورون بصورة روتينية مع نماذج الغبار الطويلة الأجل لاختيار أسلم التواريخ.

تكنولوجيات واستراتيجيات التخفيف

تحديد الدوافع الفعلية والتخلي عنها

ويمكن لمستشعرات الغبار في الوقت الحقيقي أن تحذر مشغلي المركبات الفضائية من ارتفاع معدلات التدفق الجسيمي، فعلى سبيل المثال، يمكن برمجة مرصد دوق المركبات الفضائية المغلق الذي يغطيه مفهوم " إي دي إم " لقياس التدفق والتوزيع الجماعي، ونقل البيانات إلى الأفرقة الأرضية التي يمكنها بعد ذلك تعديل توجه المركبات الفضائية أو تأخير العمليات الحساسة، وفي حالة المركبات الفضائية المستقلة، يمكن برمجة الاستجابات ذات الصبغة المغلقة:

إزالة الدوق الكهربائي

وبالنسبة للسطحات المعرضة لتراكم الغبار - مثل الألواح الشمسية على مستكشفي المريخ أو مستكشفي الكويكبات - الستائر الكهربائية - تستخدم هذه الأجهزة حقول كهربائية متناوبة لإبطال جسيمات الغبار، على غرار ما جرى اختباره في مناطق الغبار المشط المحملة.

النماذج الافتراضية وتقييم المخاطر

والنماذج الإحصائية لبيئة الغبار بين الكواكب ضرورية لتقييم المخاطر المحتملة، إذ يستخدم المهندسون أدوات مثل مدونة BUMPER الصادرة عن ناسا لحساب احتمال الاختراق على مدة البعثة، وتضمن هذه النماذج توزيع حجم الجسيمات وتوزيع السرعة وبيانات الاستجابة المادية، أما بالنسبة للموجودات ذات القيمة العالية مثل نقطة التلسكوب الفضائي جيمس ويب التي تم تقييمها بعناية في المرآة الشمسية - الثانية.

ومن شأن التقدم المحرز مؤخرا في مجال التعلم الآلي أن يتيح التنبؤات الأكثر دقة بمخاطر الغبار، ومن خلال التدريب على البيانات المستمدة من بعثات متعددة، يمكن لهذه النماذج أن تنبأ بمناطق ذات كثافة غبار عالية بثقة أكبر، مما يتيح تخطيط البعثات التكيفية.

دراسات الحالة: دروس من البعثات التاريخية

بعثة ستاردوست

وقد نجحت بعثة ستاردست التابعة للرابطة في جمع الجسيمات المذنبة وجسيمات الغبار المتقطعة عن طريق الستار وأعادتها إلى الأرض، واستخدمت المركبة الفضائية مجمّع وحيد للهواء، استولت على جسيمات السرعة الفائقة للتحليل المختبري، وأثبتت البعثة أنه لا يمكن البقاء في بيئة غبارية فحسب بل أن يكون محصولا نشطا للعلم، وقد أثرت الدروس المستفادة من مسارات التراب وتقنيات جمع العينات على تصميمات في المستقبل.

مرفق التعرض للطول

وكان الساتل " ليدب " ساتلا من السواتل الناتاسية نُشر في عام 1984 واسترجع في عام 1990 بعد ما يقرب من ست سنوات في مدار أرضي منخفض، وقد سجلت أسطحه أكثر من 000 34 كراسب للتأثير من الكويكبات المصغرة والحطام المداري، وقد وفر تحليل لرطوبة السرطان وتوزيع الحجم والتكوين مجموعة بيانات مرجعية لنمذجة الغبار بين الكواكب، وقد أسفرت نتائج " LDEF " عن تحسينات في مجال دحر المركبات الفضائية واختيار المواد للبعثات المتعاقبة.

بعثة هيابوسا وهايبوسا(2)

وقد واجهت بعثات اليابان في هيابوسا وهايبوسا(2) إلى الكويكبات إيتوكاوا وريوغو بيئات غبارية شديدة، وقد استخدمت المركبة الفضائية كاميرات على متنها لرصد حقن الغبار واستخدمت مزيجا من إجراءات التدريع والتشغيل لحماية الأجهزة الحساسة، وعادت البعثات العينات رغم الظروف الصعبة للتراب، مما يدل على أن التخطيط الدقيق والنظم القوية يمكن أن تتغلب على مخاطر الغبار حتى في أكثر البيئات غبارا في الداخل.

التحديات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ونظرا لأن البشرية تدفع أعمق إلى المريخ، فإن حزام الكويكبات وما وراءه لن يختفي، فبعثات الإنسان إلى المريخ ستتطلب موائل ومركبات فضائية قادرة على تحمل آثار الغبار لشهور، مع توفير الحماية الفعالة والخفيفة الكافية للحمل، ويعرف أن سطح القمر يُعرف بالفعل أن له غبارا حادا وشديدا يسبب مشاكل في إضافة خطية فضائية إلى خط أبوللو؛

وثمة حدود أخرى هي الإبحار الشمسي، حيث تستخدم أجهزة غذائية كبيرة رقيقة للدفع، وهذه الأبحار معرضة بشدة لاختراق الغبار، مما قد يمزق الجسد أو يهدر خصائصه التضاريسية، ويستكشف الباحثون مواد مثل البوليمرات التي يمكن أن تصلح التطهيرات الصغيرة بشكل مستقل.

وأخيرا، فإن تزايد عدد الحطام المداري البشري بالقرب من الأرض يعقّد الصورة، وفي حين أن الغبار بين الكواكب طبيعي، فإن الحطام من السواتل المنبعثة ومراحل الصواريخ يضيف إلى خطر التأثير على المركبات الفضائية في مدار أرضي منخفض، ويصبح التخلص من الجسيمات الطبيعية والاصطناعية أمرا مهما لتحليل المخاطر، وسيلزم أن تتعقب نظم مراقبة الفضاء في المستقبل كلا الأمرين.

خاتمة

إن الغبار الخفيف، وإن كان صغيراً وكثيراً ما يغفل، يؤثر تأثيراً عميقاً على تصميم المركبات الفضائية وتشغيلها وسلامتها التي تستكشف نظامنا الشمسي، ومن تآكل الألواح الشمسية إلى التسلل إلى السفن التي تضغط، فإن هذه الجسيمات السريعة تتطلب اهتماماً دقيقاً من مخططي البعثات، وبفضل عقود من الاستكشاف الفضائي، قام العلماء والمهندسون ببناء فهم قوي لبيئة الغبار ووضعوا نماذج فعالة للتنظيف