فالمركبات الفضائية تعمل في أكثر البيئات غير المغتفرة المعروفة بالإنسانية: فراغ، وتقلبات درجة الحرارة القصوى، والإشعاع عالي الطاقة، وآثار الكائنات المجهرية، وقد اعتمد المهندسون على مدى عقود على نظم محافظة ومصممة على نحو مفرط، ونظم ذاتية القدرة على العمل، وأجهزة متجددة، وهامش ثقيل - لضمان البقاء، ولكن نظرا لأن البعثات تتعمق في النظام الشمسي وتطالب بحياز أطول من العمر التشغيلي، فقد ظهرت حافظة جديدة.

لماذا الطبيعة تحمل المخطط الفضائي للارتقاء

وقد حل التطور العديد من التحديات ذاتها التي تواجهها المركبات الفضائية: البقاء على درجات الحرارة القصوى، مع وجود ضغط ميكانيكي ثابت، والتعافي من الضرر، والعمل بطاقات محدودة، والمفتاح هو أن حلول الطبيعة عادة ما تكون خفيفة الوزن، وكفؤة، وتنظير ذاتي - ما تتطلبه البعثات الفضائية عندما تطبق كل كيلوغرام من تكاليف الحمولة عشرات الآلاف من الدولارات على الإطلاق.

فعلى سبيل المثال، لا توجد لدى قدرة الجسم البشري على معالجة عظم قطع أو إعادة عظمه مظهر مباشر في المركبة الفضائية الحالية، حيث يمكن أن يؤدي تمزق واحد إلى الإكتئاب الكارثي، وبالمثل، يقوم جناح الطيور باستمرار بتعديل شكله استجابة للاضطرابات، وهو مستوى من القدرة على التكيف الهوائي الذي يحققه عدد قليل من الهياكل التي صنع الإنسان.

مواد الصحة الذاتية: إصلاح الأضرار الذاتية

ومن أكثر التكنولوجيات التي تبشر بالخير والموجهة نحو التلقيح الأحيائي مواد التعافي الذاتي، حيث أن الكائنات الحية تصلح الجروح من خلال عمليات كيميائية بيولوجية معقدة، وقد قام المهندسون بتحديثها على مستوى المواد التي تستخدم أجهزة معالجة صغيرة تُطلق فيها عوامل الشفاء عند تشكيل الكراكات، أو باستخدام سندات كيميائية قابلة للعكس يمكن إصلاحها بعد الانفصال، أما بالنسبة للمركبات الفضائية، فإن مواد التسخين الذاتي توفر حلا لأشد التهديدات:

الكفاءات الدقيقة والنظم العناقية

وقد استخدمت مواد التلقيح الذاتي في مرحلة مبكرة البوليمرات المجهرية المدمجة في مصفوفة، وعندما تمزق الكراكات، تمزق الكبسولات، وتطلق أحاديث تتفاعل مع عامل حفاز لسد الفجوة، وهذا النهج فعال بالنسبة للشققات الصغيرة، ولكنه يستنفد القدرة المحدودة على معالجة الكبسولات، ويتوقف عن معالجة هذه المواد.

Reversible Bonding and Shape Memory

وهناك فئة أخرى من مواد التعافي الذاتي تستخدم أجهزة التكديس فوق الديموقراطية التي تُجرى معاً بواسطة سندات الهيدروجين أو غيرها من التفاعلات القابلة للعكس، وعندما تتضرر المواد أو الحرارة أو الضوء يمكن أن تُحدث السندات لإصلاحها، فإن " اللحوم " يُغلق بشكل فعال، ويمكن أن تُستخدم أجهزة البوليمر التي تبثها الأنسجة البيولوجية التي تتغير من حيث الشكل أو الشكل (مثلا الجلد) في برنامج " .

Efficient Aerodynamics: Lessons from Birds and Fish

وفي حين تعمل المركبات الفضائية في معظمها في الفراغ، يجب أن تمر عبر أجواء الكواكب أثناء الإطلاق، والعودة، والمناورات الهوائية، وحتى في الجو العلوي، يمكن أن تدور حول المدارات وتحتاج إلى نفقات محركية للوقود لتصحيحها، فالمركبات الهوائية التي تستمد من تحليق الطيور والسباحة السمكية، توفر سبلا للحد من الجر، وتحسين المناورة دون إضافة وزن.

سطح الماء المرن وواجهات التحكم بالمورفين

كما أن الطيور تكيف باستمرار شكل أجنحتها استجابة لتيار الهواء، وهي قدرة لا يمكن أن تضاهيها سوى مساحات التحكم الجامدة التقليدية )اللوحات، النكهة( حيث أن المحركات تقوم بتطوير أجنحة متحركة لمركبات الدخان الفضائي وأجهزة التحكم بالأشعة فوق الصوتية، وقد يختبر مثلا " غطاء محركا عاليا " ، مما يساعد على الارتداد والتحول إلى جانب التدفق الطير.

التلاعب بالصوت والرحلة الصامتة

وتتوفر للممتلكات هياكل ريش متخصصة تفصل بين الطلقات، مما يتيح لها التحليق القريب، ويجري تكييف هذا المفهوم لتقليل التوقيع الصوتي على مهاجري الكواكب، ولوقف الفصل بين التدفق الذي يمكن أن يسبب فقدان السيطرة، وقد أظهرت الدراسات التي أجريت في جامعة بريستول أن قياس أجنحة البوم المتحركة يقلل من الضجيج المتصاعد من خلال 5 درنات، بينما يؤدي تصميم المركبات الفضائية إلى زيادة في الغلاف الجوي.

الهياكل التكيفية: مدى انتشار الطبيعة

ويمكن للكثير من الكائنات البيولوجية أن تغير خصائصها الميكانيكية عند الطلب، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يغير جلدها من صلب إلى مضاعف في ثوان، مما يتيح لها أن تضغط من خلال الحرق أو تغلق نفسها، ويقوم المهندسون بترجمة هذا المفهوم إلى هياكل تكييفية للمركبات الفضائية يمكن أن تتفاوت من التشعب أو الشكل استجابة للشحنات الحرارية أو الذبذبات أو الظواهر التي تحتاج إلى إحداث تأثير.

البطولات الكهربية والمقصات الأثرية

ويُدعى البوليمرات الكهربية، في كثير من الأحيان العضلات الاصطناعية، أو العقد أو التوسع عندما يُطبق حقل كهربائي، ويمكن استخدامها لتغيير شكل مفكرات الهوائي، أو صفائف الألواح الشمسية، أو حتى أجهزة المركبات الفضائية بدون محركات تقليدية، كما أن جهازاً للتلاعب يُستخدم في استخدام أرنب الإيبتوس، يميل إلى تغيير شكل أسلحة الأوربتوس، يمكن أن يُط بهياً، أو يُتُه، أو يُتُصُ، أو يُتُ، أو يُتُخُصُ، أو يُصُصُ، أو يُصُصُصُصُصُصُصُصُصُصُبُصُصُبُبُ، أو يُ، أو يُبُبُبُبُبُ، أو يُبُبُبُبُبُ، أو يُ، أو يُبُبُبُبُبُبُتُبُبُبُبُبُ، أو يُ، أو يُتَتَتُبُبُه

هياكل النزاهة وضد غيكو - ملهم

وتتوفر هياكل النزاهة - نظم الكابلات والهدارات التي تُقام في الضغط والتوتر - وهي مستوحاة من الطريقة التي تعمل بها العظام والزواحف معا لدعم جسم بدون مفاصل صلبة، وتُعدّ هذه الآلات من الأرض الكواكب المتوترة التي يمكن أن تنهار من أجل الإطلاق ثم تنتشر تلقائياً، ولأنها ممتثلة في الأصل، فإنها تستوعب الطاقة أثناء الهبوط.

نظم الطاقة المتجددة: تخزين الطاقة الأحيائية وحيازتها

ويجب أن تكون نظم الطاقة الفضائية موثوقة لسنوات أو عقود، وغالبا ما تكون في بيئات شح فيها الطاقة الشمسية (مثلا الفضاء العميق والظل الدائم على سطح القمر)، وتخزن الطبيعة الطاقة بكفاءة في شكل سمين وغليكان وثيفوسين، والنُهج المحفزة بيولوجيا لتخزين الطاقة وجنيها، وتشمل البطاريات المتقدمة، وخلايا الوقود، والإدارة الحرارية الجديدة.

البطاريات البيولوجية والمركبات الخارقة

كما أن نظم تخزين الطاقة البيولوجية تتسم بكثافة عالية من الطاقة وتنظم ذاتياً، ويضع الباحثون بطاريات سلف الليثيوم مستوحاة من الطريقة التي تجمع بها أجهزة إعادة التدوير ذات تركيزات عالية من المواد ذات القدرة العالية، بينما تُظهر المادة التي تُنفذها أجهزة التحكم في الطاقة الكثيفة الكثافة الهرمية كيف يُقلل هيكل الزئبقي المزود بالكمبيوتر.

Thermal Management Inspired by Termite Mounds and Cacti

(ب) إن التحكم الحراري يشكل تحدياً كبيراً للمركبات الفضائية، ويواجه كل من التدفئة الشمسية الشديدة والبرد في الفضاء العميق.() وتحافظ الأمتار النباتية على درجة حرارة داخلية ثابتة تقريباً على الرغم من التقلبات الخارجية، باستخدام شبكة من المنافذ التي تنظم تدفق الهواء، ويمكن تقليص هذه المادة إلى أجهزة التشعُّب المركبة الفضائية: عن طريق إدراج أسطح ذات قدرة على الارتفاع بواسطة جلد الحيوانات الصحراوية (التي تغير اللون لتعكس أو امتصاص الحرارة).

أجهزة آلية لا مركزية وأجهزة سوارل للعمليات المستقلة

وتحتاج المركبة الفضائية بصورة متزايدة إلى العمل باستقلالية، لا سيما في البعثات الفضائية العميقة حيث يؤدي تأخير الاتصالات إلى عدم القدرة على ممارسة الرقابة الأرضية في الوقت الحقيقي.() وتُدمج النظم البيولوجية، من المستعمرات النملية إلى الشبكات العصبية، في عملية صنع القرار اللامركزية وتنظيم الذات.() ويجري الآن دمج خوارزميات التحكم المحفزة بيولوجيا في حزام المركبات الفضائية والآليات المتحركة.

Swarm Intelligence for Constellation Management

فكل مجموعة من الناقصات الذكية المتحركة، التي تسترشد بسلوك النحل والطيور والأسماك، تتيح للمركبة الفضائية الصغيرة المتعددة التنسيق دون جهاز مراقبة مركزي، و]NASA، برنامج مفاهيم متقدمة مبتكرة ] درست " البقايا القابلة للثقة " التي يمكن أن تفصل وتوزع وحدات متجانسة من أجل تكوين هياكل أو مسافات أوسع.

نظم التصور والهبوط المُلهمة بيولوجيا

ويمكن أن توفر نظم الرؤية الحشرية، مثل العين المركبة التي تحملها الذبابة، كشفا واسع النطاق وخفيض الحركة، كما أن الكاميرات التي تبث الصبغة الأحيائية والتي تخفف من ترتيب الأوماتيديا (المعيارات الفردية) يجري تطويرها لكشف المخاطر أثناء الهبوط الكواكبي، ويمكن لهذه الكاميرات أن تجهز التدفق البصري بسرعة عالية، مما يتيح للمهبط أن يتجنب الصخور والمنحدرات ذات الحد الأدنى من التصويب " .

Radiation Shielding and Adaptation: Lessons from Extremophiles

ويمكن لبعض الكائنات الحية على الأرض، مثل البكتريوم دودانات الديوكوكوكس المشعة ] (اللوائح الدفاعية الحيوية البكتيرية) أن تنجو من جرعات الإشعاع المتطرف باستخدام آليات متعددة لإصلاح الحمض النووي ومعاداة.

ويقوم الباحثون بدمج إنزيمات الحامض النووي المحتوية على الإشعاع في معاطف متعددة للالكترونيات، مما يتيح لهم إصلاح الضرر الناجم عن الإشعاع بصورة مستقلة، وهذا هو ميكروفون بيولوجي مباشر عن كيفية دينوكوسكوكس [FethylLT:1]] يصلح مكوّنات الجينة التي طورتها الجمعية مما يخفف من وزن الجسم الطبيعي

التحديات والاندماج في البعثات الحقيقية

وفي حين أن الهندسة المحفزة أحيائياً تنطوي على وعد كبير، فإن إدماج هذه التكنولوجيات في المركبات الفضائية التي تُقدر بطاقتها على الطيران ليس أمراً تافهاً، فالبيولوجيا غالباً ما تكون متقلبة، في حين أن الهندسة تتطلب أداء محدداً وقابلاً للشهادة، ويجب أن تنجو مواد التسخين الذاتي من ذبذبات الإطلاق ومن فراغها، كما أن الهياكل التكيفية تحتاج إلى العمل لملايين الدورات دون تدهور.

ومع ذلك، فإن صناعة الفضاء الجوي تعتمد بصورة تدريجية حلولاً ملهمة أحيائياً، وقد استخدم تلسكوب جيمس ويب الفضائي سحابة مطوية وملهمة بالأشجار (الآلية الأحيائية لطوي المقاييس الأرضية في الأوراق) وتطير الآن مع لوحات شمسية قابلة للانتشار تُفتح وتُعدل أحواض بحرية مستقلة للاختبارات الفوقية ذات الصلة من بيئة مُرضية.

مستقبل المركبة الفضائية المقاومه: تأشير مع علم الأحياء

ونظرا لأن البعثات تستهدف أجهزة الحفر المظلة باستمرار، والعواصف الغبارية للمريخ، والمحيطات شبه السطحية من قمر الجليد، فإن الهوامش الهندسية التقليدية ستمتد إلى حدودها، إذ أن البطاريات الهندسية ذاتية الصبغة لا تؤدي إلى تحسينات تدريجية فحسب، بل إلى فلسفة مختلفة اختلافا جوهريا: بدلا من وضع نظم " مفتوحة " ، فإننا نصنع نظما .

ومستقبل استكشاف الفضاء يكمن في الشراكة مع الطبيعة، وبينما نواصل فك رموز الأسرار الهندسية للتطور، سنفتح نظم المركبات الفضائية التي يمكن أن تنجو لعقود، ونستكشف بشكل مستقل، ونكيف مع المجهول، فهندسة النياز الأحيائي ليست فضولاً خفياً، بل هي إطار لجعل البشرية أنواعاً متعددة الكواكب.