الطلب المادي على بيئة الفضاء

إن البيئة الفضائية تفرض مجموعة من الظروف التي تُفرض على أي هيكل يتجاوز الغلاف الجوي الواقي للأرض، ومن فراغ الفضاء العميق إلى التطرف الحراري لضوء الشمس والظل المباشرين، يجب أن تؤدي كل مادة تحت ضغط من شأنه أن يحط بسرعة من المكونات الأرضية، ومن بين أكثر المواد إلتهاباً وضراً، الإشعاع، وبدون أن يُقدّم الأشعة الشمسية الغلاف الجوي المغنطيسية وأجهزة الدفع.

التحديات الرئيسية في المواد الفضائية

وقد قدمت المواد الفضائية الجوية التقليدية مثل سبائك الألمنيوم، والتيتانيوم، والصلب اللاصق برامج فضائية منذ عقود، وكلها توفر خصائص ميكانيكية جيدة الفهم وعمليات تصنيع ثابتة، غير أن هذه المواد القديمة تمثل حلولا وسط هامة عندما يجب أن تكون مقاومة الإشعاع وخفض الوزن على النحو الأمثل في الوقت نفسه.

آليات التحلل الإشعاعي - المستخلص

فالإشعاع عالي الطاقة يتفاعل مع المواد الهيكلية من خلال التهاب المؤين والتشريد الذري، ففي البوليمرات، يكسر الإشعاع المؤين السندات الجزيئية، مما يؤدي إلى تمزق السلاسل، والربط بين المخرجات المتقلبة، مما يؤدي إلى استئصال هذه المواد وكسرها وفقدان القوة الديموائية، وقد يؤدي التعرض المطول للجسيمات المتفشية إلى إحداث تغييرات في الشكليات الباطلة.

عقوبة الوزن على الدرع التقليدي

فالدروع الإشعاعي التقليدي يعتمد على المواد العالية الكثافة، أو الطلقات أو التنغستن أو جدران الألمنيوم السميكة، كما أن المركبة الفضائية المتجهة إلى المريخ أو البقاء على سطح القمر، فإن الكتلة المتراكمة من الدرع السلبي يمكن أن تتجاوز عدة أطنان مترية، وهذا يتنافس مباشرة مع القدرة على الدفع بالنسبة للصكوك العلمية، والمواد الاستهلاكية، وقود الدفع المخفض.

المواد والتكنولوجيات الناشئة

المواد المركبة المتقدمة

وقد أصبحت البوليمرات المعززة من الألياف الكربونية قاعدة رئيسية للهياكل الحديثة للفضاء الجوي، وهي مُمنحة لمقاومتها الشديدة التحديد والمقاومة الدهونية، أما بالنسبة للتطبيقات الفضائية، فإن المركبات توفر ميزة إضافية تتمثل في أن تكون مصممة من خلال توجيه الألياف، وتسلسل التراكم، والكيمياء المصفوفة، وقد أظهرت التطورات الأخيرة تعزيز القدرة على التأثر بمصفوفة المتعددة الأشعة دون أن يُدمج بين أجهزة الميكانيكية.

نظم البوليمرات المقاومة

ويمكن تصميم كيميائيات البوليمرات الخلفية نفسها من أجل التسامح مع الإشعاع، حيث تستخدم المواد البوليميتية مثل كابتون في الفضاء من أجل البطانيات الحرارية والدوائر المرنة بسبب مقاومتها المتأصلة للإشعاع ودرجة الحرارة القصوى.

نانوماتريس ونانو بُني

كما أن الأشعة النانوية توفر مجموعة أدوات مسببة بشكل خاص للتخفيف من الإشعاع، لأن المواد النانوية تتفاعل مع الجسيمات العالية الطاقة على نطاقات مطولة مقارنة بأبعاد سلسلة الجسيمات والأضرار التي تصيبها، وقد تؤدي المعاطف المحتوية على مواد كربونية ذاتية الاختراق إلى الحد الأدنى من الأضرار الناجمة عن الإشعاعات، دون إضافة أكثر من نسبة مئوية من التصلب الإشعاعي إلى ارتفاع حجم الجسيمات.

مواد الصحة الذاتية من أجل حياة البعثة الموسعة

أما الحدود الناشئة في المواد المقاومـة للإشعاع فهي تطوير نظم للتسخين الذاتي يمكن أن تصلح الضرر الناجم عن التعرض الاشعاعي التراكمي، وتجعل النهوج القائمة على الكبسولات الدقيقة، التي تُعَد فيها عناصر التصليح المتعددة الصنع، وتُطلق عند نشرها، مُكيَّفة للتطبيقات الفضائية باختيار عوامل مقاومة لتجاوز استقرار الرفوف والثبات الفراغية.

Metal Matrix Composites and Hybrid Architectures

وتكمن مكوّنات المكوّنات المركبّة من المضاربة، والمتطوّرات الحرارية، والمتطوّرة من المكوّنات المكوّنة من الغازات المحتوية على مضبوطات مُخدّرة، والمتطوّرة من المضاربة الحرارية، والمتمثلة في أنّها تُقدّم في شكل مكوّنات مُضبة مُضَناتٍ مُّةٍ مُّةٍ مُحدّةٍ مُّةٍ مُّةٍ مُتَّةٍ مُّةٍ مُضَّةٍ، أو مُّةٍ، وتُحدّةٍ، وتُحدّةٍ، وتُضَةٍ، وتُتْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْخْضَوّرة، وَةٍ

التوقعات المستقبلية وتطبيقات البعثات

ولا تقتصر الابتكارات المادية المذكورة أعلاه على الاكاديمية فحسب، بل إنها تتيح مباشرة هياكل البعثات التي تحدها حاليا الحدود الجماعية والإشعاعية، وتمثل التطبيقات التالية فرص نشر قريبة الأجل لهذه المواد الناشئة.

كروز موائل الفضاء العميق

وقد حددت وكالة الفضاء الوطنية ووكالات الفضاء الدولية أن الدرع الإشعاعي هو أحد المخاطر الرئيسية التي تتعرض لها البعثات المأهولة إلى المريخ، ويجب أن يوفر موئل العبور لبعثة المريخ حماية الطاقم من ستة إلى تسعة أشهر من السفر بين الكواكب مع إبقاء مجموع الكتلة تحت ما يمكن أن تقدمه مركبات الإطلاق الثقيلة الموجودة، ويمكن للهياكل المركبة ذات الوزن الخفيف التي تضم طبقات مياه نانوية غنية بالهيدروجين أن توفر ما يعادلها من درينوم في نصف الكتلة.

منصات السواتل الصغيرة وأجهزة الحاسوب

إن انتشار السواتل الصغيرة، وأجهزة التكبيل، والبعثات الموزعة للسواتل قد أدى إلى طلب مواد هيكلية منخفضة التكلفة وغير قابلة للاشتعال يمكن أن تنجو من بيئات عالية الإشعاع مثل المدار الأرضي المنخفض عبر مدار أرضي جنوب المحيط الأطلسي أو متوسط بالنسبة للسواتل ذات المستوى العالمي، كما أن تقنيات التصنيع المضافة، بما في ذلك اختراق النسيج المزود بالأشعة باستخدام الكيلومترات المشعة المتعددة الارتدادات وأجهزة التصفية الكربونية

البنى التحتية لسطح القمر والكوكب

وتحتاج الموائل الدائمة على سطح القمر أو المريخ إلى هياكل مقاومة للإشعاع وآثاره الخافضة للتراب من جديد، وتحتوي مادة اللونار ذاتها مثل اللميني والزجاج المركب من البسالة المتعددة التي يمكن معالجتها في كتل موائل متعددة الإشعاعات أو تدور في ألواح هيكلية تستخدم فيها تقنيات استخدام الموارد في الموقع، غير أن سفن ضغط الموائل والحواجز الإشعاعية والضغوط العالية

مسارات الاختبار والتأهيل

إنَّ إجتياز مواد جديدة من المختبر إلى حالة تأهب الرحلات يتطلب إجراء اختبارات مُنظمة وعملية تأهيل تُسجِّل عوامل الإجهاد المتعددة للبيئة الفضائية، وعادة ما يُجرى اختبار الترسب الإشعاعي باستخدام مُسرِّعات البروتون وأجهزة التسارع في الأشعة السينية، وأجهزة التكليف المُعجَّلة في المفاعلات، والتحدي هو تحفيز الآثار المُزَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةَةُ للإشعاعيةَ

التكامل مع رصد الصحة الهيكلية

ولا تسمح بعثات الرصد الضوئي المتطورة في كثير من الأحيان بالوزن الخفيف، والهياكل المقاومة للإشعاع، بالتحقق من صحتها طوال فترة البعثة، كما أن عمليات الرصد الضوئي للفييارات داخل هياكل الاستشعار الذاتي للأشعة المركبة، مثل التطعيمات التي تبثها الأطقم الضوئية أو توزعها أجهزة الاستشعار بالفيديو، هي أيضا أجهزة الاستشعار الخفيف التي تستخدم في أجهزة الاستشعار الكهربائي، والتي يمكن أن ترصد في الوقت الحقيقي لنهجاءات الاصطناعية، ودرجة، والتي تلحق أضرارا ذاتياب، والتي تلحق بالأشعة، والتي تلحق بالأجهزة ذاتياب، والتي تلحق بالأجهزة الاستسلامية، والتي تصيبها، والتي تصيبها، والتي تصيبها، والتي تصيبها، والتي تصيبها، والتي تصيبها، وتتسبب في ذلك، وتتسبب في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، وتتسبب في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في وجود أجهزة الاستبان، في ذلك، في وجود أجهزة الاستبان، في ذلك، في وجود أجهزة الاستبان، في ذلك، في ذلك، في ذلك، في ذلك

الاستدامة البيئية والنظر في نهاية الحياة

ومع تكثيف النشاط الفضائي، فإن البصمة البيئية للمواد المركبة الفضائية، سواء أثناء الإنتاج أو في نهاية الحياة، تحظى باهتمام أكبر، إذ أن العديد من البوليمرات تطلق مركبات عضوية متفجرة أثناء المعالجة، بينما تشمل المصفوفات المعدنية معالجة المسحوق الكثيف للطاقة، ويقوم الباحثون بوضع البوليمرات والنظم السائلة التي تحافظ على مقاومة الإشعاع مع الحد من السمية البيئية.

خاتمة

إن تقارب الكفاءة الهيكلية للوزن الخفيف والمقاومة الإشعاعية يحدد تحدياً للمواد المركزية في العصر الحالي لاستكشاف الفضاء، حيث أن المواد المتطورة لا تتضمن مواد مدمجة، وأجهزة البوليمر المحتوية على الإشعاع، وأجهزة الطيف النانوية، وأجهزة الاستغناء عن الطيف الذاتي، وأجهزة التخصيب المكثفة للمواقع الصناعية، والتي تتطلب في كثير من الأحيان ازدحاماً في مسارات لمواجهة هذا التحدي الذي يتجاوز بكثير من التركات الأمثلة.

  • تعزيز سلامة واستمرارية هياكل المركبات الفضائية
  • خفض تكاليف الإطلاق عن طريق الهياكل الأساسية الخفيفة وتوفير الحماية
  • تحسين حماية الإشعاع للالكترونيات والطاقم في البيئات الفضائية العميقة
  • توسيع نطاق الحياة التشغيلية من خلال التطعيم الذاتي والتأثيرات
  • التمكين من إقامة هياكل جديدة للبعثات تشمل موائل العبور للمريخ والهياكل الأساسية السطحية القمرية

(ب) تقدم مجموعة أدوات ورمز FLUKA، لأغراض مواصلة قراءة نماذج النقل الإشعاعي لتصميم المواد، قدرات محاكاة شاملة لبيئة الإشعاع الفضائي.