Table of Contents
الدور الحاسم للمراقبة الحرارية المسببة للسرطان في تلسكوبات الفضاء
التلسكوب الفضائي قد فتح عيون البشرية للكون بطرق كانت تقتصر على الخيال العلمي من خلال إضاءة الضوء الأقرب للنجوم التي تشكل بعد الانفجار الكبير إلى تحليل البصمات الكيميائية للغلاف الجوي البستنة هذه الأدوات تُوصل بيانات تغرق فهمنا للفيزياء وعلم الكون والأصل
والسبب الأساسي في التبريد المسبب هو أن التبريد لا غنى عنه يكمن في طبيعة علم الفلك الذي يُستعان به بالأشعة تحت الحمراء، كما أن التلسكوب الذي يعمل في درجة حرارة الغرفة سيعمى بسبب توهجه الخاص، حيث أن أجهزة الكشف عن التبريد والنظم البصرية التي تُستخدم في درجات الحرارة المبردة، التي عادة ما تقل عن 50 كيلوفين (ك)، يُشب المهندسون هذه الضجة بأوامر من الحجم.
الفيزياء خلف المبردات
لفهم سبب أهمية درجات الحرارة المبردة، يساعد على التذكير بمبدأ أساسي من الديناميكا الحرارية، أي جسم فوق الإشعاع الحراري الصفري المطلق، وتخفض كثافة الإشعاع وطوله الموجي إلى درجة الحرارة، وفي درجة حرارة الغرفة (حوالي 300 كاف)، هيكل المقراب والبصريات تنبعث بقوة في منتصف الحمراء، وتضع إشارات مسببة للزوايا من مصادر دينامية حرارة الكونية البعيدة.
فالعلاقة بين أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء أكثر مباشرة، ففي جهاز كشف شبه الموصلات، يمكن للطاقة الحرارية أن تُبيد الإلكترونيات من نطاق الوديان إلى فرقة الوصل، مما يخلق تياراً مظلماً يخفي الإشارة من الصور الواردة، ويظل التلسكوب المظلم يتناقص بشكل مكثف مع درجة الحرارة، بحيث يمكن أن يقلص من 80 كيلو متراً إلى 6 كيلو مترات من الحجم.
How Cryogenic cooling is Achieved
وقد طور المهندسون مجموعة من التقنيات للوصول إلى درجات الحرارة المبردة في فراغ الفضاء والحفاظ عليها، وكلها مبادلات متمايزة في التعقيد، والكتل، واستهلاك الطاقة، والحياة، وتندرج هذه الأساليب عموما في ثلاث فئات: التبريد السلبي، والتبريد النشط، والنظم الهجينة.
التبريد السلبي
ويزيد التبريد السلبي من البرودة المتأصلة في الفضاء العميق، إذ إن المشع، الذي عادة سطح كبير عالي النسيج يواجه بعيدا عن الشمس والأرض، يشع الحرارة في خلفية الموجات الدقيقة 2.7 كيلو مترا، والدروع الحرارية، التي كثيرا ما تكون مصنوعة من طبقات متعددة من المواد المعاكسة، والحرارة الإشعاعية من الشمس، وحافلة المركبات الفضائية، وغيرها من المكونات الدافئة، وهذا النهج بسيط وموث وموثوق ولا يتطلب أي توجه كهربائي.
ومع ذلك، فإن التبريد السلبي له حدود، إذ أن التلسكوب في المدار الأرضي المنخفض، مثل تلسكوب الفضاء الهبل، يختبر حمولات حرارية كبيرة من توهج الأرض بالأشعة تحت الحمراء، ويظهر ضوء الشمس، مما يجعل من الصعب الوصول إلى درجات الحرارة أقل بكثير من 150 كيلو مترا. وحتى تلسكوب جيمس ويب الفضائي، المتوقف عند نقطة الشمس - الأرض L2 التي تقل فيها درجة حرارة الشمس عن 40 درجة حرارة كبيرة.
التهدئة النشطة
وتستخدم نظم التبريد النشطة الثلاجات الميكانيكية لتسخين الآلات من الآلة إلى جهاز مشع أكثر دفئاً، وأكثر أنواع التطبيقات الفضائية شيوعاً هي أجهزة التبريد المتحركة، ومبردات النبض، ومبردات جول - تومسون، وهي تعمل على دورات الديناميكية المغلقة، وتضغط على وسوائل العمل وتتوسع فيها (التي ترفضها عادةً) عند السخن.
المبردات المتحركة معروفة بحجمها العالي وحجمها المدمج، مما يجعلها مناسبة لأدوات مثل جهاز الأشعة تحت الحمراء على قمر (أكاري) الياباني،
النظم الهجينة
العديد من المراصد تجمع بين تقنيات سلبية ونشطة لتعظيم الأداء على سبيل المثال، جهاز تلسكوب سبيتزر الفضائي استخدم نهجا هجينا: جهاز كزاز الهيليوم زود بالبرد الأوّلي إلى 1.4 كيلو بينما المبردات السائبة والدروع الحرارية خفضت من الحمولة الحرارية على خزان الهيليوم،
التكنولوجيات والمكونات الرئيسية
إن بناء نظام مسبب للبهجة الفضائية ينطوي على أكثر بكثير من مجرد ثلاجة، وهناك العديد من التكنولوجيات الداعمة لها أهمية حاسمة في نجاحه.
Thermal Straps and Heat Switches
فالسلاسل الحرارية هي وصلات مرنة عالية الإنتاجية مصنوعة من مواد مثل النحاس أو الألمنيوم تنقل الحرارة بين المكونات، وتستوعب الانكماش الحراري والتشويش دون نقل حمولات ميكانيكية، وتستخدم مفاتيح الغاز المبردة التي يمكن أن تطفأ وتطفأ أثناء التبريد لربط الأدوات بالمبرد ثم تعزلها حرارياً عندما تصل درجة الحرارة المستهدفة.
العزل المتعدد الأحرف
تتألف البطانيات من عشرات طبقات متناوبة من مواد انعكاسية خفيفة (عادة ما تكون ملوثة بالكابتون أو ميلار) تفصلها أجهزة فضائية ذات قدرة منخفضة على الإنتاج، وتخفض نقل الحرارة الإشعاعية بين السطح الدافئ والبارد بعامل 100 أو أكثر، وتستخدم هذه المادة على نطاق واسع حول الأدوات المسببة للبكاء، والدبابات التجمدية، والرؤوس الباردة المبردة لتقليل من الثغرات في تصميمات الطفيلية.
أجهزة الاستشعار والمراقبة المسببة للمرض
ويعد قياس درجة الحرارة والسيطرة عليها أمرا أساسيا لإبقاء الأدوات في نطاق عملها، إذ أن مقاييس الحرارة في سليكون شائعة بالنسبة للحرارة إلى نحو 1.5 كيلو، في حين أن أجهزة قياس الحرارة المقاومة للألمانيوم ومقاييس الحرارة التي تقاوم الروديوم والمقاومة للهودين توفر في كثير من الأحيان حساسية أعلى من 1 كيلو متر.
الآليات المسببة للسرطان
بعض التلسكوبات الفضائية تتطلب قطعاً متحركة في درجات الحرارة المبردة: عجلات القذارة، والجرعات، ومرايات المسح، وأقنعة من الشظايا، ويجب أن تعمل هذه الآليات بدقة عالية، بينما لا تُعدّد إلا بواسطة أفلام رقيقة من المعاطف الصلبة مثل فتيل المافيا أو الكربون الشبيه بالألماس.
تحديات النظم المسببة للسرطان في الفضاء
تصميم وتشغيل نظم التحكم الحرارية المبردة لتلسكوب الفضاء محفوفة بعقبات تقنية تدفع حدود الهندسة.
مراقبة التلوث
ودرجات الحرارة المبردة، وأي غاز متبقي أو بخار مياه في بيئة الفراغ ستتلاشى على السطح البارد، وتشكل أفلاما ثلجية تتدهور الأداء البصري، ولا يمكن أن تؤدي طبقة من الجليد سوى ميكرومتر واحد سميك على المرآة إلى الحد من التأمل بعشرات من المئه، ولا سيما في مصابير الموجات فوق البنفسجية والموجات الحمراء.
الفحوصات الميكانيكية والمايكروفونية
وتولد أجهزة التبريد العاملة ذبذبات آلية يمكن أن تتدهور نوعية الصور، وخاصة بالنسبة للرسومات المصورة والمقاطعات، وتنتج أجهزة التبريد النبضية قدرا أقل من اليقظة من أجهزة التبريد المتحركة، بل إن الفحوصات الصغيرة يمكن أن تتداخل مع التوجيه والتصوير الفرعيين.
التحكم في العرائس الحرارية
الحفاظ على درجة حرارة موحدة عبر السطح البصري الكبير أمر حاسم لتجنب التشويه و التفكك، فاختلاف درجة الحرارة في 1 كيلو متر فقط عبر جزء من المرايا الأولية بطول 6.5 متر يمكن أن يسبب خطأ كبير في الموجات، يستخدم تلسكوب جيمس ويب المسخّن وأجهزة الاستشعار الحرارية الموزعة عبر خطه الخلفي وقطع المرايا للحفاظ على الاستقرار في حدود عشرات الألفينات،
الاختبارات الأرضية والتحقق منها
إن أداء سطح الأرض المُقيّم صعب، إذ أن غرف الفراغ الكبيرة التي تُسمى في غالب الأحيان غرف الفراغ الحراري يجب أن تكون عميقة بما يكفي لتحفيز بيئة الفضاء، ولكن أيضاً مبردة بشكل مُبكّر لاستيعاب الإشعاعي من مادة الاختبار، ولا يمكن للغرفة أن تختبر تلسكوب جيمس ويب الفضائي في مركز جونسون للأداب أن تكون 12 متراً في مقياس و18 نموذجاً مُحدّداً.
الأثر على العلم والاكتشافات
وقد أدى الاستثمار في التحكم الحراري البكائي إلى حدوث عائدات علمية استثنائية، وقد كشف تلسكوب سبيتزر الفضائي الذي يعمل في عدد قليل من كيلفين عن تركيبة المذنبات في نظامنا الشمسي، ورسمت الغيوم الغبارية التي تولد فيها النجوم، وكشف أول انبعاث حراري من كوكبي في عام 2005، وهو مرصد هيرشل الفضائي الذي يعمل في درجات حرارة تقل عن 2 كيلوباسا، باستخدام جهاز هرموني خارق للفلورا.
إن مجرى جيمس ويب الفضائي، الذي يحتوي على أدوات مسببة للبكاء، قد ينتج بالفعل نتائج لسرقة النماذج، وقد كشفت المضاربات التي تحتوي على الأشعة تحت الحمراء عن ثاني أكسيد الكربون والميثان وثبائك الماء في الغلاف الجوي للطائرات الصغيرة جداً، مما يوفر أكثر تفصيلاً لعالم يتجاوز نظامنا الشمسي، وقد كشفت صوره في الحقول العميقة عن وجود أجسام متحركة
إن مجرى التلسكوب الفضائي المهبلي، وإن كان أساساً أداة بصرية وفوقية، قد استفاد أيضاً من تكنولوجيا التبريد، كما أن جهازه الآلي القريب من الأشعة تحت الحمراء وموجات الدخان المتعددة الأغراض، قد طلب من مبرد للحفاظ على كاشفاته عند 58 كيلو بعد استنفاده الأوّلي من النيتروجين الصلب، وقد مكّن هذا الاكتشاف من اكتشافات الرئيسية بعد إطلاقها من هوبل.
التطورات المقبلة
وسيتطلب الجيل القادم من المقراب الفضائية أداء أكثر طموحاً في مجال التبريد، وسيتيح للبعثات المخططة مثل تلسكوب أوريغينس الفضائي، أحد مفاهيم بعثة ناسا الرئيسية الأربعة، تلفيقاً مبرداً إلى 4.5 كيلو باستخدام جهاز غسيل متعدد المراحل وجهاز غسيل كبير، مما سيمكن من رصد أي نطاقات بعيدة المدى ودون مليتر، ومناطق من الطيف الموجود حالياً.
ويجري استكشاف مواد جديدة لتحسين كفاءة وموثوقية أجهزة التبريد، ويمكن للموصلات الخارقة ذات التمرين العالي، مثل أكسيد النحاس الالي، أن تقلل من الخسائر المقاومة في المفاتيح الحرارية والخيوط الحالية، بينما تؤدي المكوّنات المتقدمة مثل صفائف النانووب الكربونية إلى وجود سمات حرارية تتجاوز النحاس في درجات الحرارة المبردة.
ويقوم الباحثون أيضاً بالتحقيق في بدائل السوائل المسببة للبكاء التقليدي، فالهيلوم السائل ممتاز بسبب ارتفاع معدل السلوك الحراري وقلة الحساسية، ولكنه يتطلب نظماً معقدة للتهوية والتخزين، ولا تزال المبردات ذات الوضع الصلب قائمة على التأثيرات الكهروفلورية أو البلازمية في المختبر، ولكنها يمكن أن توفر في نهاية المطاف التبريد بقطع أقل من الحركة وانخفاض استهلاك الطاقة.
واذا أمكن تجميع المرصدات المستقبلية أو إعادة تزويدها بالوقود في الفضاء، يمكن تجهيزها بأجهزة أكبر للبريد أو أكثر كفاءة من المبردات التي لم تكن متاحة عند الإطلاق، ويجري دراسة تكنولوجيات مثل نقل السوائل البكائية والاستبدال الآلي لوحدات أجهزة التبريد كجزء من برنامج تكنولوجيا الفضاء الاستراتيجية التابع لوكالة ناسا.
وأخيرا، تعتبر تركيبات المراصد المبردة الصغيرة وسيلة لتحقيق المسوحات الشاملة في الموجات الحمراء، وقد اقترح مفهوم بعثة برنامج الفضاء (التعاون بين الوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي والوكالة الأوروبية للطاقة الذرية) أن يكون مقراب أصغر حجما من 3.5 متراً مبرداً إلى أقل من 8 كيلو مترات باستخدام مبرد آلي وحده، وتجنب الكتلة والتعقيد في جهاز كتائب الهيليوم السائل، وتمكين بعثة لم تُختار.
الخلاصة: القلب الباردة من الاكتشاف
إن السيطرة الحرارية المسببة للسرطان هي أحد أكثر التخصصات احتياجاً وما يترتب عليها من تأديب في هندسة المقراب الفضائية، وهي تتطلب فهما عميقا للديناميات الحرارية، وعلوم المواد، والكيمياء، ونظم المركبات الفضائية، التي تدمج جميعها في تصميم يجب أن ينجو من العنف الذي يشنه، وأن تعمل بلا عيب لسنوات في بيئة الفضاء العدائية، والمكافآت هائلة:
فلاحو الفلك يبوحون بأهداف أكثر طموحا، والبحث عن الحياة على البقوليات، ودراسة النجوم الأولى، والتكنولوجيا البكائية ستستمر في التطور، وستمكن المبردات والمواد الجديدة، وهندسة البعثات من التلسكوبات التي ترى أعمق وأوضح من أي شيء بنيناه حتى الآن، وفي صمت الفضاء، وبدرجات حرارة قليلة فوق الصفر المطلق، يصبح الكون البارد أخيراً أكثر هباءاً.