تحديات التنظيم الحراري للمركبات الفضائية في بيئة الزئبق القصوى

الزئبق، أقرب كوكب إلى الشمس، يُقدّم واحداً من أكثر البيئات الحرارية ترويعاً في النظام الشمسي، مع ارتفاع درجات الحرارة السطحية إلى 430 درجة مئوية (800 درجة شرقاً) على الجانب الشمسي، وهدم إلى 180 درجة مئوية (-290 درجة شرقاً) على الجانب المظلم، أيّ مركبة فضائية تُغامر هناك يجب أن تنجو من درجات الحرارة أكثر من 600 درجة مئوية في مدار واحد.

البيئة الحرارية القصوى للزئبق: نظرة أقرب

ويدور الزئبق في الشمس على مسافة تبلغ في المتوسط 57.9 مليون كيلومتر تقريباً، أي نحو ثلث المسافة الأرضية، ونظراً لأن مداره شديد التركيز (يمتد من 46 مليون كيلومتر في منطقة إيثيليون إلى 70 مليون كيلومتر في الغلاف الجوي)، فإن الإشعاع الشمسي يختلف بعامل كثافة يبلغ 2.3 في المائة تقريباً، وفي كل مكان، فإن قرص الشمس يتجاوز الفلورية أكثر من 500 14 مرة.

ومقارنة بهذه المدخلات الشمسية المتطرفة، لا يوجد مناخ وقائي، ولا يوجد سوى طبقة رقيقة من الذرات المستخرجة من السطح، ولكنها توفر عزل حراري أو احتقار حراري لا يعتد به، ونتيجة لذلك، يستوعب الجانب اليومي تقريبا جميع الطاقة الشمسية الواردة ويشعها بصورة غير فعالة، كما أن الافتقار إلى الغلاف الجوي يعني أيضا أنه لا يوجد أثر خفي للاحتفاظ بالحرارة بين عشية؛ ويتسبب الجانب المظلم في الحرارة مباشرة.

وثمة عامل حاسم آخر هو بطء تناوب الكوكب، حيث يكمل الزئبق تناوبا واحدا كل ٥٨,٦ يوم أرضي، ولكن بسبب سرعة المدار، يدوم يوم شمسي واحد )من شروق الشمس إلى شروق الشمس( حوالي ١٧٦ يوما من أيام الأرض، وهذا يعني أن أي نقطة على السطح تتعرض لضوء الشمس الشديد لمدة ثلاثة أشهر تقريبا قبل أن تشهد فترة ظلم طويلة بنفس القدر، وبالتالي فإن المركبات الفضائية في المدار أو على السطح يجب أن تواكب الحمولات الحرارية الكبيرة خلال النهار.

التحدِّيات الأساسية في التنظيم الحراري للمركبات الفضائية

المتحولون السريعون

وبالنسبة لمركبات فضائية مدارية، يمكن أن يحدث الانتقال من الجانب المشرق إلى ظل الكوكب في غضون دقائق، وعندما تعبر المركبة الفضائية القالب، يمكن أن تقلل درجة حرارتها الخارجية مئات الدرجات، ولا يقصد بالالكترونيات الحساسة والبصرية ونظم الدفع أن تنجو من هذه الصدمات الحرارية المفاجئة دون إدارة مكرسة لذلك، ويجب أن يكون نظام التحكم الحراري سريعا بما يكفي لمنع العناصر من تجاوز درجات حرارتها.

درجة الحرارة القصوى من الفلفل الحار

فالتدفقات الشمسية المكثفة في مدار الزئبق تشكل تهديدا مباشرا لهيكل المركبة الفضائية وحمولاتها الداخلية، ويمكن أن تصل الأسطح غير المحمية إلى درجات حرارة أعلى بكثير من 500 درجة مئوية، مما قد يتسبب في تدهور أو تباع أو قطع أو شحوم للذوبان، بل إن فقدان القدرة على التحكم في المواقف الذي يعرض أداة حساسة للتدفق الشمسي الكامل قد يؤدي إلى ضرر دائم.

مسارات رفض القفازات المحدودة

وفي فراغ الفضاء، فإن السبيل الوحيد لكشف الحرارة الزائدة هو الإشعاع الحراري، غير أن خلفية الفضاء المحيط لا تزال باردة جدا )حوالي ٣ كاف( ولكن أجهزة الأشعة المركبة الفضائية، إذا ما أشير إلى ذلك نحو الشمس، ستمتص طاقة أكبر مما تُرفض، مما يخلق نزاعا أساسيا: يجب أن تتجه المبردات بعيدا عن الشمس وأن تتجه نحو التدفق العميق، مع ذلك يجب عليها أن تحافظ على وظيفة التقلب البيئي.

Cycling Fatigue

وتشهد المركبات الفضائية في مدار الزئبق تكراراً للتقلب الحراري - وأحياناً مئات أو آلاف الدورات على مدى عمر البعثة - وتتوسع كل دورة في المواد والعقود، مما يؤدي إلى تهاب ميكانيكي، وتعقّب ميكرومتر، وتفكيك المعاطف الحرارية، وتفكيك المكثفات، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة بالنسبة لبطانيات العزل المتعددة الطوابق، والسلاسل الحرارية، وموازين الاصطناعية المباعة على اللوحات الإلكترونية.

استراتيجيات التحكم الحراري السلبي

العزل المتعدد الأحرف

وتتكون البطانيات من تصميم حراري للمركبات الفضائية من طبقات متعددة من الأفلام المرموقة والمتفصلة بالفضاء، والموجودة في غطاء خارجي، وفي بعثات الزئبق، يجب أن تعامل حركة التحرير الليبرية بصورة خاصة لتتحمل درجات حرارة عالية دون أن تقطع أو تهين، مثلا، يمكن أن تكون طبقة خارجية من البوليميد المختل مجهزة بغطاء أبيض مشرق بحيث تعكس الضوء المرئي وقربه.

مُخَرِّرات عالية الحرارة

وحتى مع العزل، يمكن أن تتطور البقع الساخنة المحلية حيث تولد المكونات الإلكترونية الحرارة، وتُستخدم أجهزة التسخين المتحركة التي تتكون من مركبين من مادة الفول السوداني، أو المواد الكربونية - الكربونية في إجراء حرارة بعيدا عن الأجزاء الحساسة وتوزيعها على منطقة أكبر، ويمكن أن تكون لهذه المواد سمات حرارية تتجاوز 500 1 و/م ك، وتتنافس الماس المبردات العالية.

التكرار الحراري والمراجع الضوئية الشمسية

ومن الأمور الحاسمة اختيار التكتل، ومن النهج المشترك استخدام المرايا الثانية من الغلاف الجوي (المسماة أيضاً بـ " OSRs) التي تتألف من طبقة رقيقة من الفضة أو الألومنيوم المودعة على أساس سعر محمول أو كبريتات زجاجية، وهذه المعاطف لها تقل عن مستوى الإسناد الشمسي (ألفا) ومقياس عالي للأشعة ألفا (الأول)، بحيث تعكس معظم قيم ضوء الشمس بينما تشع بكفاءة.

الدروع الحرارية وقود الشمس

ولحماية الأدوات الحساسة من الإشعاع الشمسي المباشر، تستخدم دروع الشمس المخصصة لذلك، وتستخدم شركة بيبيكولومبو للزراعة الكوكبية للزئبق (MPO) شطيرة كبيرة ثابتة مصنوعة من شطيرة من طبقات مركبات الكربون العالية الحرارة، ويمكن أن يتحمل هذا الدرع درجات حرارة ثابتة فوق 600 درجة مئوية، ويدر حافلة المركبات الفضائية، والعديد من الأدوات المستخدمة في التدفق الشمسي الكامل.

Thermal Straps and Radiators

وتربط المصابيح الحرارية التي يتم صنعها من النحاس المتصدع أو حمى الألومنيوم وحدات توليد الحرارة بمشعات المركبات الفضائية، وهي عادة ما تكون ألواح مركب عسل ألومنيوم مطلوبة بالطلاء الأبيض أو مغطاة بأجهزة معالجة حرارة مجهزة بالأشعة فوق البنفسجية، أما بالنسبة للمدارات المحتوية على الزئبق، فتوضع متغيرات في الطرف المضاد للشمس من المركبة الفضائية، وغالبا ما تشمل أجهزة مصفورة مجهزة بمصففة أو مصففة تعمل بمقياس الحرارة

نظم الرقابة الحرارية النشطة

قنابل حارة وقراص من طراز لووب

وتستخدم الأنابيب الحرارية المارة إجراءات الكبسولة لنقل الحرارة من قسم التبريد الساخن إلى قسم مبردات مبردة، وهي موثوقة للغاية لأنها لا تملك قطعا متحركة، وبالنسبة لبعثات الزئبق، يجب أن تُعالج الأنابيب الحرارية العالية ودرجات الحرارة الكبيرة، وتوفر أنابيب حرارية عالية القدرة على النقل الحراري، ويمكن أن تعمل ضد الجاذبية.

-اللوحات ذات النوافذ العازبة

وفي بعض الحالات، تستخدم حلقات السوائل النشطة مع مضخة ميكانيكية، وهذه النظم توزع مبرداً (في كثير من الأحيان الهيدروكربون المفلور أو معدني سائل مثل غاليوم) عن طريق مبادىء حرارية مثبتة على مصدر الحرارة ثم على جهاز مشع، وتنتج حلقات السائل المأهولة اليابانية درجة حرارة ممتازة ويمكنها معالجة التدفقات الحرارية الكبيرة، ولكنها تتطلب مضخات واقيات ميكانيكية وتتحكم في المواد الإلكترونية التي تضيف إلى المضخات كبيرة من المضخات كبيرة من المضخات.

أجهزة معالجة حرارية

وخلال الكسوف أو عندما تكون المركبة الفضائية في الفضاء العميق، يمكن أن تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون حدود التشغيل، وتوضع أجهزة التسخين المقاومة الصغيرة بالقرب من المكونات الحرجة، مثل مجموعات البطاريات ومتعقبات النجوم، وتتحول إلى أجهزة التدفئة أو أوامر البرمجيات، وتخطط ميزانية الطاقة اللازمة للتسخين بعناية لضمان البقاء خلال أظلم أجزاء البعثة.

مواد تغير المرحلة

وتستوعب المواد الكيميائية الحرارة بالذوبان عند درجة حرارة ثابتة ودفء حرارة عند تجميدها، ويمكنها أن تخفف من ارتفاع درجات الحرارة دون إضافة طاقة كهربائية، أما بالنسبة لبعثات الزئبق، فإن مركبات ثنائي الفينيل متعدد التمرينات العالية مثل فلوريد الليثيوم (نقطة الصهر 845 درجة مئوية) أو الملح الدهوتي تعتبر في حالة تخزين حراري أثناء فترة الحمل الشمسي، غير أن الكتلة والتعقيدات الإضافية تحد من استخدامها في التطبيقات الكيمائية مثل التحكم الحراري.

دروس من البعثات السابقة والحاضرة

المارينز ١٠ )١٩٧٣-١٩٧٥(

وكانت أول مركبة فضائية تزور ميركوري، المارينز 10، تطير على الكوكب ثلاث مرات، واستخدمت مزيجا من حركة التحرير الليبرية، وفرقة شمسية مائلة، وبطانية حرارية تعكس مدى مواكبة الحرارة، وكان تصميمها الحراري بسيطا نسبيا لأنه لم يدخل المدار قط؛ ولم تمضي سوى ساعات قليلة قرب كل طائرة من طراز ميركوري، ومع ذلك، أظهرت المركبة الفضائية جدوى البقاء على نهج شمسية قريبة وأفسحت المجال للبعثات فيما بعد.

ميسينغر (2004-2015)

وكان نظام الرصد الحراري أول مركبة فضائية في مدار الزئبق، وقد تضمن نظامه للمراقبة الحرارية شروقاً كبيراً (مجهزة من القماش الخزفي)، وسطحاً خارجياً مُجسّداً، وأنبوب حرارية، وثغرة ميكانيكية مضخّة من أجل جهازه الرئيسي المشع، وعمّدت المركبة الفضائية على استخدام هيكل " مُشعّر " ، حيث كانت تُقُّةًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً للشمساًاً إلى الشمسيًّاً في الشمسيًّاًاً.

BepiColombo (2018 -current, en route)

ويتكون جهاز بيكولومبو، وهو بعثة مشتركة بين وكالة الفضاء الأوروبية والوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي، من جهازين مداريين: جهاز المركّب المداري (MPO) وجهاز ميريغنتيوسسفيري (MMO) الذي يُستخدم في نظامه الحراري أكثر الأجهزة تقدماً حتى الآن، ويستخدم جهازاً من أجهزة التحكم في العمود الفقري متعدد الأبعاد، وأجهزة التسخين، وثبات السائل المضخية المصممة في نظام الدفع العالي غير المسبوق.

الابتكارات في المواد والتجميعات

المركبات العالية التأقلم

ويمكن أن تتأقلم مركبات الكربون المحتوية على ألياف الكربون المأخوذة في مصفوفة الكربون درجات الحرارة التي تتجاوز 000 1 درجة مئوية مع التوسع الحراري المنخفض، وتستخدم في سدس بيكولومبو و " الدروع الحراري " في الهوائي العالي جداً لدى شركة MPO، كما أن هناك مادة واعدة أخرى هي سداسي للسيارات (Siride)، وهو ما يوفره

التدوينات التفاضلية والقابلة للتغير

ويجري البحث في مواد يمكن أن تغير من سماتها استجابة لدرجات الحرارة، فعلى سبيل المثال، يمر ثاني أكسيد الفاناديوم (VO2) بمرحلة انتقال معدنية عند حوالي 68 درجة مئوية، ويتحول من حالة منخفضة الارتداد إلى حالة ساتلية عالية الخطورة، ومن شأن تطبيق هذا المعاطف إلى جهاز مشع أن يتيح لها أن تخفف من الحرارة عندما تكون هذه القطع الحرارية الساخنة وأجهزة التسخين الحرارية غير المتحركة.

أجهزة إلكترونية مقاومة للدماء

ولا يمكن للأجهزة الإلكترونية التقليدية القائمة على السيليكون أن تعمل فوق 125 درجة مئوية. وبالنسبة لبعثات الزئبق، يستخدم المهندسون تقنيات السيليكون - الموصلات أو الموصلات شبه المزودة بشبكة واسعة (كاربيد السيليكون، نيتريد الغاليوم) التي يمكن أن تعمل عند 300 درجة مئوية أو أعلى، مما يقلل من العبء على المراقبة الحرارية لأن بعض الإلكترونيات يمكن أن تتسامح مع البيئة المحلية دون التبريد العنيف.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

موصلات عظمى عالية التأقلم

وإذا ثبتت جدوى الموصلات الخارقة ذات الحرارة العالية، يمكن استخدامها لتوليد حقول مغناطيسية قوية تحطّم الجسيمات الشمسية الريحية، وتخفض التدفئة من العواصف الشمسية، وتحتاج هذه النظم إلى التبريد إلى درجات حرارة مبردة، وهي درجة معقّدة قرب الزئبق، ولكنها يمكن أن تدمج مع الهيكل الحراري للمركبات الفضائية.

الفريقان الحراريان/الهيكل الأساسي المتكاملان

فبدلا من ربط المشعات والعزلة كبنود منفصلة، يمكن أن تستخدم المركبة الفضائية في المستقبل " الألواح الهيكلية الحرارية " التي تجمع بين التعبئة والتدفئة الحرارية والأسطح الإشعاعية في هيكل شطيرة واحد، مما سيقلل من الأداء الجماعي ويحسن الأداء الحراري.() ومن الأمثلة على ذلك هياكل التكتل ذات الطباعة العالية مع القنوات الداخلية لتكامل الصبغة الحرارية.

Orbit-Based Thermal Management

وتقترح بعض مفاهيم البعثة استخدام مدار متزامن مع الشمس يُبقي المركبة الفضائية في تيار دائم، مما يسمح لها برؤية الشمس في زاوية الرعي فقط، مما يقلل من التدفئة القصوى ولكن من التغطية على الجانب المظلم، وقد تستخدم المولدات الكهربائية الحرارية للسطح السطحي أو الدوارات في المستقبل للحفاظ على الحمولة في الليل الطويل، مع توازنها بالتبريد النشط خلال النهار.

خاتمة

إن التنظيم الحراري للمركبة الفضائية في بيئة الحرارة القصوى للزئبق يمثل تحديا هندسيا متعدد الجوانب أدى إلى ابتكار كبير في المواد، والمعاطف، ومكونات النقل الحراري، وتصميم النظام على مستوى المنظومة، حيث أن الجمع بين العزل السلبي، والمعاطف المُعاكسة، والأنابيب الحرارية، وثوابت التبريد النشطة، قد طورت المهندسين مركبات فضائية يمكن أن تنجو من درجات الحرارة في أكثر من 600 درجة مئوية.