المزاد من إبداع الإشعاع الكوني

وحيث أن البشرية تضع مشاهدها على بعثات فضائية أطول وأكثر طموحاً - تعود إلى القمر، وتنشئ وجوداً مستمراً في المدار الأرضي المنخفض، وترسل في نهاية المطاف أطقم إلى المريخ - واحد من أكثر التهديدات استمراراً وخطيراً هو الإشعاع الكوني، وخلافاً للأرض، حيث يوفر المجال المغناطيسي والغلاف الجوي غطاء واقياً، وتتعرض المركبات الفضائية وأطقمها باستمرار لتدفق جسيمات عالية الطاقة الإشعاعية:

إن حماة البيوت التقليدية المتسربة من الألمنيوم أو الماء أو البوليثيلين - الموفرين درجة من الحماية ولكن بعقوبة جماهيرية شديدة، فبالنسبة للبعثات الفضائية العميقة، فإن حمل ما يكفي من الدرع المادي إلى خفض معدلات الجرعة بصورة مجدية سيزيد بشكل كبير من تكاليف الإطلاق ويقيد القدرة على تحميلها، وقد دفع هذا الواقع الباحثين إلى استكشاف تكنولوجيات درع نشطة تستخدم الحقول المغناطيسية والكهربية في إزالة الجسيمات أو إعادة شحنها قبل أن تصل إلى مركبتين المتين.

Understanding the Space Radiation Environment

وبغية تقدير التحدي، يساعد على فهم ما يواجهه رواد الفضاء.

Gaactic Cosmic Rays (GCRs)

وهذه الأجهزة هي بروتونات شديدة الحماس، وجسيمات ألفا، ونواة ثقيلة )مثل الحديد والكربون والأكسجين( التي تتخلل الفضاء بين النجوم، وتتراوح طاقاتها بين عشرات النيتروجين/النوكل إلى عدة مواد جيف/نوكلينية تتجاوز الدروع الطبيعية العادية التي يمكن وقفها، وينتج عن ذلك حائط من التفسخينات الشمسية يزيد نسبياً عن ٠٥ في المائة.

الجسيمات العصبية الشمسية

أما أجهزة الاستنشاق، التي تُعد أساساً بروتونات وجسيمات ألفا ذات طاقات تصل إلى عدة مئات من المركبات، فتصل إلى طلقات دائمة إلى أيام بعد مضيها على ذبابات شمسية أو حقن كتلة كرونة، ولا يمكن أن يقدم هذا الحدث الكبير من الجرعات الفتاكة إلا في وقت قصير إذا لم تكن الملاحين الفضائيين محمية، وعلى عكس أجهزة السحب الخاصة، فمن الأسهل أن تدر من المواد السلبية، ولكن الكتلة اللازمة " .

الآثار البيولوجية

وتتمثل الشواغل الرئيسية من التعرض للإشعاع في الفضاء في الاشعاع في الاصابة بالسرطان )الآثار المتأصلة( والآثار الحاسمة مثل الضرر الذي يلحق بالنظام العصبي المركزي، ونظام القلب والأوعية الدموية، وأجهزة الاستشعار الوعائية - وقد وثق مشروع الصحة في مجال الإشعاع الفضائي التابع لناسا أن معدلات الجرعة في بعثة المريخ يمكن أن تقترب من حدود التعرض الوظيفي المحددة حاليا لأجهزة الفلكي التي تقوم على شكل من أشكال التدريج المتقدم لبعثات التي لا يمكن التفاوض بشأنها.

كيف يعمل الدرع المغنطيك

ويستغل الدرع المغنطييسي قوة لورنتز التي تعمل على جزيئات محملة تتحرك عبر حقل مغناطيسي وعندما يسافر البروتون المحمل على نحو إيجابي إلى خط ميداني مغناطيسي، فإنه يختبر قوة منظّمة على كل من سرعة استخدامه وتوجهه الميداني، مما يسبّب في تصاعده واحتماله من الحجم المحمي.

المصابون بالصدمات الكهربائية

ويعتمد التدريع المغنطيفي العملي للمركبات الفضائية على الإلتهاب الكهرومغناطيسي الفوقي لتوليد حقل قوي ثابت دون استهلاك طاقة كهربائية هائلة، ويجب أن تبرد مواد التخصيب الرئيسية (مثلاً، النيترونيوم - التيتانيوم أو القصدير) لتبريد درجات الحرارة المبردة، التي تقل عادة عن 10 كيلوجرامات.

الهندسة الجيولوجية في الميدان المغناطيسي والثمانين

إن القياس الجيودي للميدان المغناطيسي أمر بالغ الأهمية، إذ ينتج المصابون بمرض الوحدوي المبسط حقل موحد داخله ولكن ميداناً قوياً من الديبول خارجه يمكن أن يتفاعل مع الأجهزة الإلكترونية للمركبات الفضائية والأجهزة الحساسة، ويضع تشكيلة من الاليوت (مثلاً من الفحم المزود بالدونات) الحقل بالقرب من الفحم، ويقلل من الحقول المتداخلة.

كيف يعمل الدرع الكهربائي

ويستخدم التدريع الميداني للكهرباء، المعروف أيضا باسم الدرع الكهربائي، إمكانية عالية الحركة لإبطال الجسيمات المحملة من نفس العلامة، وإذا كانت المركبة الفضائية تحمل على فولت إيجابي كبير (مثلا + 100 كيلو فولت)، فإن البروتونات المحملة على نحو إيجابي تُشَدُّع وتُجذب الإلكترونات المحملة على نحو سلبي، لأن مقصورة طاقم الطائرة ستكون داخل قفص مأمون في فاراداي.

متطلبات التقلب والطاقة

ووقف إنتاج 100 ميل في البروتون، على سبيل المثال، ستحتاج المركبة الفضائية إلى إمكانية على أساس 100 إلى 200 كيلو متر مقابل البلازما المحيطة بها، والاحتفاظ بهذا الفولط في فراغ الفضاء أمر صعب لأن المركبة الفضائية ستجمع بطبيعة الحال شحنات من البلازما المحيطة، والميدان المرتفع قد يؤدي إلى انهيار أو إلى حلق، ويتمثل أحد الحلول في استخدام هيكل متعدد المستويات " محمي " يولد تدريجياً

المزايا والارتقاءات

ويمكن أن يكون التدفئة الكهربائية أخف من الدرع المغناطيسي لأنه يتطلب توليدا عاليا ولا تُنتج فيه كميات كبيرة من الفحم المُنتج، كما أنه يسمح بضبط دينامي: يمكن تعديل الفولط في الوقت الحقيقي على أساس التدفّق الإشعاعي، غير أن التدفئة الكهربائية أقل فعالية من الجسيمات المحايدة أو النيوترونات، كما أن ارتفاع الفولوطي يشكل مخاطر على الطاقم والمعدات.

أهم الملاءمات على الدرعات السلبية التقليدية

  • Reduced Mass]: يمكن للدروع الميدانية أن تحقق خفضاً قابلاً للمقارنة أو أفضل في الجرعة بجزء من الكتلة.() ويمكن أن يوفر مغناطيساً خارقاً لليهود يزن 1-3 طناً مترياً ما يعادل 10-20 طناً من البوليثيلين أو الماء.
  • Adaptive Protection]: يمكن تغيير النظم النشطة خلال الأحداث الشمسية وتقلبها خلال فترات هادئة، وإنقاذ الطاقة وتوسيع الحياة المكوِّنة، ويمكن أيضاً تداركها لتفسير طاقات جزيئات معينة بتعديل القوام الميداني أو التطاير.
  • Minimized Secondary Radiation]: خلافاً للتدفئة السلبية، التي تولد النيوترونات الثانوية وأشعة غاما من التفاعلات النووية، فإن التشهير المغناطيسي لا يخلق جسيمات ثانوية هامة - الجسيمات تُبعد فقط، وهذا يقلل من الخطر البيولوجي الناجم عن الإشعاع المنتج داخلياً.
  • Integration with Spacecraft Systems: Superconducting magnets can be integrated into structural elements such as the inflatable habitat walls or the spacecraft truss. The cooling system for magnets can share cryocoolers with other scientific instruments or fuel storage.
  • Potential for Power Generation]: يمكن أيضا استخدام المجال المغناطيسي القوي اللازم للتدفئة لتوليد الكهرباء عن طريق مبادئ المغنطيسيدروديناميك إذا كانت المركبة الفضائية تتحرك عبر بلازما كونية، رغم أن ذلك يظل مضاربا.

التحديات التقنية والتشغيلية

وعلى الرغم من وعدها، تواجه تكنولوجيات الحماية الميدانية عقبات كبيرة قبل أن تتمكن من الطيران في بعثات تنفيذية.

استهلاك الطاقة وإدارة الحرارة

وفي حين أن المغناطيسات التي تعمل بالأشعة فوق السطحية لا تستهلك أي طاقة بمجرد إنشاء الحقل (الطريقة المقاومة)، فإن الشحن الأولي والمبردات اللازمة للحفاظ على درجات الحرارة المبردة تتطلب طاقة كبيرة، كما أن نظاما نموذجيا للطاقة الفضائية (مدى الكيلوات) قد لا يكون كافيا، أما بالنسبة للدروع الكهربائية، فإن الحفاظ على مئات الكيلوتات في المناطق المنخفضة حاليا يتطلب أيضا إمدادات من الطاقة المعزولة وأجهزة العزلة القوية.

التفاعلات الميدانية السحرية

ويمكن أن تتداخل الميادين المغناطيسية القوية مع الملاحة الجوية للمركبات الفضائية، والأدوات الحساسة، وصحة الطاقم، إذ يمكن أن يؤثر حقل واحد من طراز T بالقرب من الطاقم على صانعي البطاطا القلبية، وحفز تيارات الدودي، وقطع العروض، كما أن توفير الدرع المغنطيسي للالكترونيات (أجهزة الكشف عن المعادن) والحبس الميداني المناسب (المقياس الجيوديوي) أمر ضروري.

الفصل الثاني - السلامة

وإذا كانت هناك طوابق مغنطيسية خارقة (تفقد القدرة على إحداث الاحترار بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو صدمة ميكانيكية)، فإن الطاقة المخزنة تُلقى كسخانة، مما قد يضر بالفحم ويطلق قوة مغناطيسية خطيرة، فالنظم الخفية، وأجهزة حماية الكتف، والدعم الميكانيكي القوي، وفي مجال الدرع الكهربائي، يمكن أن يلحق الضرر بالأجهزة الالكترونية أو بطاقم البحث.

تدهور المواد

وتخضع المواد الخاملة نفسها لضرر إشعاعي من الجسيمات التي تنهار، ويمكن أن تؤدي تدفقات النيترون وغاما إلى تدهور الكثافة الحالية الحرجة للموصلات الخارقة بمرور الوقت، ويضيف حرق الرياح بالمواد الخفيفة الكتلة ولكن قد يكون ضرورياً للبعثات الطويلة، وتقوم وكالة الفضاء الأوروبية بالتحقيق في الطبقة الوعائية [FLT:den1].

النماذج الأولية الحالية للبحوث والاحتياطيات القريبة من الأرض

وتقوم عدة وكالات فضائية وأفرقة بحثية بنشاط بتعزيز تكنولوجيات الحماية المغناطيسية والكهربية.

قرار الجمعية الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (ناسا)

(أ) برنامج Active Radiation Shielding (ARES)) قد استكشف الخيارات المغناطيسية والكهربائية على السواء.() وثمة مفهوم بارز هو " الدرع المغنطيسي للخليج " باستخدام سلسلة من المواد الخارقة ذات الأهمية العالية التي تُصف حول الموئل، مقترناً بطبقة خارجية من مواد سرّية خفيفة لمعالجة الاختبارات المنخفضة.

الدراسة الفوقية لدروع الصيد التي أجرتها وكالة الفضاء الأوروبية

وقد مولت وكالة الفضاء الأوروبية دراسات عن نظام مغنطيسي مؤثر يُستخدم في موائل عبور من المريخ 4 رائدات، ويستخدم التصميم كتلة من الديبوردي المغنيسيوم (MgB2) الموصل الخارق الذي يمكن أن يعمل في 20-30 K ويقدم كثافة حرجة عالية نسبيا في الوقت الراهن، ويصمم النظام ليكون وزنا خفيفا (الرمز 1.5 t) ويُقدم التبريد المبرد من قبل مجموعة من المخزن.

متظاهرات دروع كهربائية

وقد اختبرت نماذج الدرع الكهربائي الصغيرة في غرف الفراغ، مما يدل على أن لوحة محملة على نحو إيجابي يمكن أن تفجر البروتونات، غير أن التوسع في المركبة الفضائية الكاملة يواجه تحديات في انهيار الفولط في البلازما الفضائية العشرة، ويقترح بعض الباحثين استخدام مزيج من الحقول الكهربائية والمغنطية في " فقاعة بلاستيكية " حيث أصبحت المركبة الفضائية جسما محاطا بمفهوم مغناطيسي محصور)٢(.

الاستنتاج: درع للتوسعات الكبرى التالية

إن البيئة الإشعاعية القاسية التي تتجاوز المدار الأرضي المنخفض تشكل حاجزا لا يمكن تجاهله، فالدروع في الميدان المغناطيسي والكهربائي يوفر مسارا لحماية صحة الطاقم دون فرض عقوبات جماهيرية باهظة على الجدران السلبية التقليدية، وفي حين أن الهندسة هي مسببة للتشويش، وترتفع الفولط، والتفاعلات الميدانية، والتقدم في مجال الأمان، يجري في تكنولوجيا الموصلات العليا، ونظم الطاقة، وقدرات المحاكاة.

وفي الأجل القريب، يبدو أن النهج الهجيني هو أكثر ما يبدو: فالدرع المغناطيسي الرئيسي للأجهزة المركَّبة بواسطة درع كهربائي أو ملجأ للعواصف يمكن نشره في أحداث SEP، ويمكن اختبار هذا النظام على سطح القمر أو في محطة سيسلونار قبل أن يُدمج في مركبة عبور فضائية عميقة، حيث أن researchers سوف يستمرون في صقل هذه المفاهيم الإشعاعية ،