وفي بيئة غير مواتية للمدار الأرضي المنخفض، يواجه العلماء والسواتل عبئاً لا يطاق من المخاطر البيئية التي يمكن أن تتدهور المواد وتساوى أهداف البعثات، ومن بين أكثرها ضرراً، المواد الهندسية الذرية والإشعاعية فوق البنفسجية التي تؤدي معاً إلى تآكل التربة، والاختلاط، والتدهور البصري للمكونات الحرجة، حيث تُعزز البشرية في الفضاء وتعتمد على البنية التحتية الساتلية بدرجة أكبر في الاختبارات.

تهديد الأوكسجين الذري

الأوكسجين الذري هو شكل عالي التفاعل من الأكسجين يتألف من ذرات الأكسجين الواحدة بدلاً من الأشعة فوق البدائية الموجودة في الغلاف الجوي الأدنى للأرض، وفي مدار أرضي منخفض، على ارتفاع يتراوح بين 200 و800 كيلو متر، يخترق الإشعاع فوق البنفسجي الشديد الأوكسجين الجزئي إلى الأكسجين الذري، ويمكن أن يكون تركيز أكسيد التكتل على هذه الارتفاعات هو أوامر ذات حجم أعلى من مستوى سطح البحر.

أما المواد المستخدمة عادة في المركبات الفضائية، مثل أفلام البوليميد (مثل كابتون)، وراتنجات التكسين، ومركبات ألياف الكربون، فهي عرضة للهجوم على الأجسام الفضائية، حيث يمكن أن تتجاوز معدلات التآكل في كابتون 3 ميكروغرام في السنة في بيئة نموذجية من الأرض، تبعاً للدورات والتوجهات الشمسية، وقد تفقد البعثات المتعددة السنوات، والأسطح غير المحمية، الخواصق.

خطر الإشعاع

(أ) ارتفاع درجة الحرارة في الغلاف الجوي من حوالي 10 نانوغرام إلى 400 نانو متر، مقسم إلى أقصى درجة من الأشعة فوق البنفسجية، وطول الأشعة فوق البنفسجية، وقرب المناطق المتطايرة من الغلاف الجوي، وعدم استيعاب الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى إحداث ميكانيكي كامل للأشعة فوق البنفسجية إلى ظواهر ميكانيكية متقلبة.

وعلاوة على ذلك، فإن الاشعاعات فوق البنفسجية تتزامن مع الأكسجين الذري، ويمكن أن يؤدي تآكل الأوعية إلى تقريب السطح، وزيادة المساحة الفعالة للهجوم بالأشعة فوق البنفسجية، في حين أن المتطرفين الذين يسببون الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يزيدوا من قدرة التفاعل المحلي للآسيان.

بروتوكولات الاختبار ومرافقه

ويتطلب الاختبار الموثوق لمقاومة الأكسجين والمركبات الذريين مرافق متخصصة تكرّر البيئة الفضائية مع السماح بمراقبة دقيقة لظروف التعرض، وتبيّن الأقسام الفرعية التالية الطرق الرئيسية المستخدمة لكل تهديد.

أساليب اختبار الأوكسجين الذري

(أ) [يستخدم النهج الأكثر شيوعاً في أجهزة التردد الراديوي أو أجهزة أشعة البلازما ذات الموجات الدقيقة، حيث يُنقسم غاز الأوكسجين إلى الأكسجين الذري في تصريف منخفض الضغط، وتوضع العينات في المنطقة التالية لتلافي الأشعة غير المكشوفة، ويقاس التدفق الأشعة فوق البنفسجية باستخدام عينة من الشهود المعايرة (مثلاً، غلاف الأشعة)

Other techniques include thermaltomtomtomox exposure in high-vacuum furnaces (for high-temperature materials) and the use oftom oxygen sensors to monitor flux. Important parameters to control include sample temperature (often 25–50 °C to mimic LEO thermal conditions), line-of-sight exposure, and accumulated fluence (typically 10)

أساليب اختبار الإشعاع فوق البنفسج

ويرمي اختبارات الأشعة فوق البنفسجية إلى تحفيز الطيف فوق البنفسجي بالطاقة الشمسية، بما يكفي من الصبغة للتحريض على إحداث أضرار كيميائية واقعية، وأكثر المصادر الضوء شيوعاً هي مصابيح القوس التي تحتوي على مرشحات لتضاهي الأشعة فوق البنفسجية، أو مصابيح الأشعة فوق البنفسجية التي تقاس بمدة أعلى من الأشعة فوق البنفسجية ومقياس الأشعة فوق البنفسجية.

ويمكن أن يقلل الاختبار المعجل باستخدام كثافة أعلى (حتى 10 شمس) من فترات الاختبار، ولكن يجب توخي الحذر لتجنب الآثار الحرارية أو الأضرار غير المباشرة، كما أن مرافق تحديد خصائص بيئة الفضاء في الاختبارات المتزامنة للأشعة فوق البنفسجية، توفر غرفا للتعرض للأشعة فوق البنفسجية للتجارب الكاملة.

المواد الواقية والتواريخ

ويتطلب تخفيف الضرر الناجم عن الأكسجين الذري والأشعة فوق البنفسجية إما اختيار مواد عظمية مقاومة في جوهرها أو تطبيق مواد حماية، وتفصل الفروع التالية الفئات الرئيسية.

المواد المقاومة

وتُعدّ الفلزات مثل الألومنيوم والتيتانيوم والفولاذ اللاصق مقاومة طبيعية للآو لأنه يشكل طبقة من أكسيد النيتروز ذاتية الراقية وتتوقف عن المزيد من التحات، غير أن كثافة هذه المواد تشكل عائقا أمام المركبات الفضائية الخفيفة، وتُستخدم سبائك المعادن مثل إنكونيل والنيترنول في مكونات عالية الحرارة أو مرنة.

التدوينات المتعلقة بحماية الأوكسجين الذري

ويشتمل الأصفاد على المعاطف الفوقية في الأسطح المتعددة، ويستخدم المعاطف الواقية من الأوكسيد الخبيث أو البولي في النسيج، ويستخدم أيضاً طبقة من الأوكسجينات المحتوية على مطاط مضللة على الأوكسيد، ويستخدم فيها المعاطف المحتوية على مطاط ثنائي النسيج (SiO2)

خدمات الصحة الذاتية والتجميع الذكية

وتستكشف البحوث الأخيرة مواد التلقيح الذاتي التي يمكن أن تصلح الضرر الذي لحق بمنظمة العفو الدولية بصورة مستقلة، ويمكن أن تُطلق على تآكل الأورام وتعيد الممتلكات الواقية من البوليميرات الدقيقة التي تحتوي على عوامل شفاء (مثلاً، البولي ميثيلسيلوكسين) والتي تُستخدم في نهج آخر أجهزة البوليمر المتحركة التي تُعاد إلى الارتفاع إلى حد طفيف في درجات الحرارة، بينما لا تزال في المختبر، تعد هذه المواد بحياة أطول دون الحاجة إلى حمراء ثقيلة.

معايير الصناعة والمؤهلات

وبغية ضمان الاتساق والتتبع عبر البرامج الفضائية، تُنظم عدة معايير اختبار المواد اللازمة لمقاومة الأكسجين الذري والأشعة فوق البنفسجية، ويُشار إلى ذلك على نطاق واسع إلى ASTM E512، وهي الممارسة الموحدة لتجربة بيئة الفضاء المركبة والمؤقتة لمواد التحكم الحراري، وتُحدِّد هذه الوثيقة شروط الاختبارات بالنسبة لمجموعات الأشعة فوق البنفسجية (A)(21).

التطبيقات والأمثلة العالمية الحقيقية

ساتلية

وقد عانت سواتل الاتصالات الحديثة وسواتل رصد الأرض من أغطية متعددة الطوابق مصنوعة من أفلام كابتون وتيفلون، وقد استرشدت اختبارات الأكسجين الذري باختيار الطبقات الخارجية من طراز " كابتون " المزودة بمقياس " ألف - ٣ " لبعثات " ليو " ، وعلى سبيل المثال، يستخدم ساتل " تيرا " (المنشورت عام 1999) أغطية فضية " ، التي أظهرت تآكلت بعد ذلك، التي أظهرت مدى 20 عاماً متفاضةً ممتازة.

مركبة فضائية مأهولة ومحطة الفضاء الدولية

وقد قدمت محطة الفضاء الدولية عقودا من بيانات التعرض في أثناء الرحلة من خلال تجارب نظام المعلومات الإدارية المتكامل.() وقد طُلبت آلاف العينات المادية، بما في ذلك البوليمرات والمركبات والمعاطف،() وقد أثرت البيانات المستمدة من نظام الرصد والتحقق المستمرين تأثيرا مباشرا على اختيار الطلاءات لمركبات أوريون الفضائية وعربة الدرو دراغون التجارية، مثلا، يستخدم هيكل تآكل جهاز صواريخ الصواريخ في نظام رصد الغلاف الجوي في نظام رصد الغلاف الجوي في حديد.

البعثات المقبلة في أعماق البحار

وفيما وراء المدار الأرضي المنخفض، يقل خطر الأكسجين الذري (حيث أن درجة الحرارة في منطقة المحيط الأطلسي تقتصر على ارتفاعات دون 800 كيلومتر)، ولكن الإشعاع فوق البنفسجي لا يزال مصدر قلق، إذ أن بعثة اليوروبا كليبر التي ستعمل في بيئة الإشعاع القاسية للمشتريات، تستفيد من اختبارات الأشعة فوق البنفسجية لمعاطف التحكم الحرارية، وبالتالي فإن بروتوكولات جيمس ويب الفضائية تعمل في L2، حيث تكون أمواج الشمسي المصممة على نحو مكثف.

الاتجاهات المستقبلية

ومع تطور تكنولوجيا الفضاء، فإن هناك اتجاهاً مستجداً يتمثل في استخدام الرصد الموقعي أثناء التعرض، مثل التوازنات الدقيقة البلورية لقياس الخسائر الجماعية في الوقت الحقيقي، أو التشهير المضبوطة لتتبع تدهور المعاطف دون إزالة العينات، ويجري تدريب نماذج التعلم الآلة على مجموعات كبيرة من بيانات معدلات التحات للتنبؤ بأعمار المواد على نحو أكثر دقة.

خاتمة

كما أن اختبار المكونات الفضائية الجوية لمقاومة الأكسجين الذري والإشعاع فوق البنفسج ليس مجرد عملية فحص للصناديق، بل هو تخصص هندسي أساسي يكفل موثوقية الأصول الفضائية وطويلتها، ويجمع بين محاكاة المختبرات وتجربة الطيران وعلوم المواد المتقدمة، ويمكن للمهندسين أن يتوقّعوا بثقة كيف سيؤدي المكوّن بعد سنوات من التعرض، ويتطلّب التآزر بين المواد الأشعة فوق البنفسجية بروتوكولات المدمجة، بينما تستمر المطوية في التكيّة والمقاومة)٢(.