تصميم الروبوتات المستقلة ذاتياً للمهام الخطرة في موقع فوكوشيما

The Fukushima Meltdown: A Crucible for Robotic Innovation

وفي 11 آذار/مارس 2011، كان هناك زلزال ضخم وكارثة تسونامي تصيب محطة فوكوشيما للطاقة النووية، مما أدى إلى حدوث انهيار ثلاثي في الكواكب المفجعة، حيث أن الكارثة التي أُطلقت في مبانٍ للمفاعلات، وهبات تربينية، وبيئتها المحيطة بها، وهي تشكل بعد مرور أكثر من ثلاثة عشر عاماً، مجهوداً مدمراً كأحد أكثر الحملات الهندسية طلباً من الناحية التقنية.

ولا يمكن تجاوز حجم التحدي، إذ إن قاعات المفاعل تذوب من خلال سفن الضغط التي تحملها، وترسب خليط متجانس من الوقود النووي، وتنظيف الزلادي، ومسح الطراز الأولي، ومسح الطرازات الكهربائية المحتوية على قبو صلب، وتزيد مساحات الإشعاع في بعض المواقع على مئات اللافتات في الساعة، بما يكفي لإبطال مفعول مرحلتي الإشعاع والهيدروجين الملوثتين في نهاية المطاف.

وتشتمل كل مبنى من مفاعلات المفاعلات على مجموعة من العقبات، حيث تعرضت الوحدة 1 لتفجيرات تبعث على حطام في طوابقها العليا، وشهدت الوحدة 2 انفجارا أصغر حجما، وظلت الوحدة 3 التي كان الانفجار فيها أكبر، وتركت زاوية من المسامير الفولاذية، وأجهزة الضبط المحتوية على مواد ملوثة بمياه عالية الإشعاع، التي يجب أن تستمر في التداول لمنع حدوث تذبذبذبذبات حرارية.

وتدرس هذه المادة المبادئ الهندسية التي تقوم عليها هذه الآلات الاستثنائية، وتستكشف استراتيجيات التصلب الإشعاعي، والابتكارات في مجال التنقل، وتكامل أجهزة الاستشعار، وهيكل الاستقلال الذاتي، وإدارة الطاقة، والدروس التي لا تزال تشكل الجيل القادم من الروبوتات المصممة للبيئات الخطرة في جميع أنحاء العالم.

تحدي غير متوقع في فوكوشيما دايتشي

أما مبان مفاعل فوكوشيما فهي هياكل متعددة المراحل من الصلب والخرسانة ذات أبواب ضيقة، وأحواض صمامات، ومساحات داخلية مبعثرة بالأجهزة، وتفجيرات الهيدروجين التي تمزقت من خلال الوحدات 1 و2 و3 خلفها مشهد فوضوي من إعادة الحطام، وسقوط الرعي، وانهيار الطوابق.

والمحاولات المبكرة لدخول مباني المفاعلات مع أطقم الإنسان محدودة للغاية، إذ لا يمكن للعمال أن يعملوا إلا لبضع دقائق قبل تراكم جرعات غير مقبولة، وحتى مع توفير حماية واسعة النطاق وجهاز التنفس، فإن البيئة المادية، والحرارة، والحطام، وإتاحة إمكانية وصول البشر إلى الأماكن المحصورة غير عملي لأي عمل مستدام، فإن التفتيش عن بعد باستخدام الكاميرات على القطبين أو أجهزة الاستشعار ذات الدفع السلكي البسيط لا يحتاج إلى نماذج أولية للتنقل.

وكانت قيود التصميم شديدة، إذ كان يتعين على الروبوتات أن تتناسب مع الثغرات التي تبلغ 20 سنتيمترا في بعض الحالات، وهي بحاجة إلى تسلق السلالم مع الخيوط التي قد تفسح المجال أمام الحمولة، وكان على الكترونياتها أن تنجو من جرعات إشعاعية تراكمية تجعل مكونات الألي العرضية التجارية غير صالحة للعمل في غضون دقائق، وكان لا بد من أن تخترق الجدران السميكة والفولاذية، وكان عليها أن تحمل أجهزة تصويرية في وقت واحد.

دور الروبوتات المستقلة في إزالة الانبعاثات النووية

فالآليات المستقلة وشبه المستقلة توفر أكثر بكثير من مجرد المنفعة الواضحة لسلامة إزالة العمال البشريين من الضرر، وتوفر قدرات لجمع البيانات لا يمكن أن تضاهيها، ويمكن لآلي واحد تتبعه أن يبقى داخل مبنى للمفاعلات لعدة ساعات، ومسح منهجي لبقع الإشعاع الساخنة، وتصوير الصور العالية الاستبانة، وأخذ العينات المادية، ونقل جميع النتائج إلى مركز مراقبة يقع في وقت واحد.

ومن أهم القدرات القدرة على العمل في المناطق التي تتدهور فيها إشارات الاتصالات بدرجة كبيرة، حيث كثيرا ما تحجب الحواجز الخرسانية، وتعزيز الصلب، والتدخل الإشعاعي وصلات المراقبة في الوقت الحقيقي تماما، وفي هذه السيناريوهات، يجب على الآليين أن يعتمدوا على المسارات المبرمجة مسبقا أو على الاستخبارات الاصطناعية التي تمكنهم من الملاحة، واتخاذ القرارات، والعودة إلى نقطة اتصال مستقلة.

متطلبات التصميم الأساسي للبعثات الخطرة

تقلص الإشعاعات الإلكترونية والمواد

وتلحق الأضرار بالأجهزة الإلكترونية من خلال التأثيرات المتأيّنة للجرعة، وتقلبات الأحداث الوحيدة، وتتراكم الجرعة المؤينة مع مرور الوقت، حيث تؤدي الأشعة المتحركة إلى خلق أزواج للكولونات الإلكترونية في طبقات ثاني أكسيد السليكون، مما يتسبب في تسرب التيارات وتحولات في شكل قطع من الفولطية مما يجعل الدوائر غير عاملة في نهاية المطاف.

:: اختيار العناصر التي تُصنع تحت غطاء " السيليكون " ، والتي تخفض بشدة من حجم السيليكون المعرّض للتأيين، وتُستخدم هذه المكونات في إطار عمليات التحلل الحراري، وأجهزة التلقيم المُختارة، وتُستخدم في إطارها أجهزة التخثر الحراري، وتُستخدم أجهزة التخثر الحراري، وتُجمع بين أجهزة الترميز الحرارية التجارية، وأجهزة التدفئة الفوقية.

التنقل في البيئات غير المنظمة والمتسمة بالخطر

وميادين الحطام داخل مباني المفاعل هي اختبار شديد لأي منصة متنقلة، فالأزهار مغطاة بالشظايا المعدنية، والقطع الخرسانية، والارتطام، والارتباط، والارتباط، والقطع، يمكن أن تنهار جزئيا أو تحجبها المعدات المفقودة، وتُغطى أكياس المياه العالية التلوث بالأخطار الكامنة، وتخلق مخاطر التسلل، وقد ظهرت المركبات المُسرّبة في حلّ التسلق، لأنها توزع السائل تساعد على الارتين.

وقد أدى هذا النهج إلى ظهور آلية من نوع " كويس " ، التي أنشأها معهد التكنولوجيا وجامعة توهوكو، وقد أدى ذلك إلى حدوث حالات تخلف في المسارات الأربع بصورة مستقلة إلى تسلق أكوام الحطام، وربط سلالات المراكب الأرضية المتحركة، وتجاوزت مسارات التلويث السطحي التي تدور حول الممرات الضيقة، وعندما فقدت إحدى المسارات الفرعية أثناء بعثة داخل الوحدة الثانية، ظل الجهاز الآلي يعمل ويواصل نقل البيانات ذات الطابع المعقد.

التصور والاستشعار في حقول الرضا العليا

يجب أن يعمل الحساسون في ظلام شبه كامل، من خلال البخار والضباب، وفي الوقت الذي يتم فيه قصفهم بالإشعاع المؤين الذي يمكن أن يتدهور البصريات والإلكترونيات، وتعاني كاميرات التكسين الموحدة من زيادة الضوضاء المظلمة في التيار وأجهزة التكسير تحت الإشعال، مع بعض النماذج التي تفشل كليا بعد استيعاب مئات من الرماة، ويستخدم العديد من الآليين أجهزة الاستشعار الإشعاعية التي تستخدم أجهزة الاستبان الإشعاعية التي تستخدم أجهزة التصوير الإشعاعية التي تستخدم أجهزة الاستبانة

ويُعد الكشف عن الإشعاع نفسه وظيفة استشعار أساسية، إذ يحمل الجهازان مطيافات غاما، وأجهزة الكشف عن الأشعة السينية للزمن، ومقاييس معدل الجرعات لبناء خرائط الإشعاعات الثلاثة الأبعاد لداخل المفاعلات، وتسمح أجهزة الكشف المتحركة بقياسات الموجات المتحركة، مما يتيح إعادة بناء أجهزة قياس الأشعة المرئية المستخدمة لتقنيات مثل التصوير البصري المُصمَّم على شكل معد.

Autonomy, Remote Control, and Artificial Intelligence

ولا يزال الاستقلال الكامل داخل منشأة نووية متضررة هدفا تطلعيا وليس واقعا تشغيليا، فمعظم النظم المنشورة تعتمد على رباط بصري منخفض الألياف أو لاسلكي من أجل التشغيل اليدوي عن بعد، ولكن فقدان الإشارة عن طريق حواجز ملموسة يشكل تحديا مستمرا، وقد تكون القدرات الذاتية مطبقة على السلامة والموثوقية، وقد يتبع الإنسان مسارا متقدما يستخدم في الوقت نفسه في تحديد المواقع ورسم الخرائط، ويتوقف عند مواجهة عقبة غير متوقعة، ثم يمضي قدما في الاتصال بالآليات.

وقد استخدم جهاز ساكورا الآلي، الذي خلف كوينس، نظام SLAM الذي يرتكز على الليزر، للبحرية المستقلة عن طريق مساحات أرضية مجهزة سلفاً، مع إجراء دراسات استقصائية عن الإشعاع، وهذه القدرة التي تقلل من عبء العمل على المشغلين، مما يتيح لشخص واحد الإشراف على الآليين المتعددين، ويساعد التعرف على الأجسام الموجودة في إطار منظمة العفو الدولية على تحديد وصلات الأنابيب والصمامات المحتملة وحط من الوقود في أجهزة التصوير.

نظم الطاقة والهدايا

وتفرض البعثة قيوداً شديدة على البيئات الملوثة، وتوفر الكابلات الكهربائية المزودة بالطاقة غير محدودة ووصلة اتصالات مادية، ولكنها تنطوي على مخاطر جرّية وتشابكية، لا سيما عندما تبحر الآلية عبر الحطام أو حول الزوايا، وكثيراً ما تستخدم الكينس وخلفها التي تتيح لها أيضاً حمل حمولات من الأجهزة الثقيلة التي تعمل بالروبوتات المتعددة الغرف.

وبالنسبة للآليات الموجودة تحت الماء، يتم إيصال الطاقة عن طريق التراتب المزدهرة بشكل محايد، وتكنولوجيا محسنة في تطبيقات النفط والغاز في الخارج، وتخفض الرغاوي المركبة على التراتب وتمنع السلك من الغرق والوسم على العقبات التي تدور في الغواصات، وتتم تطوير نهج هجينة: توفر البطارية المحلية القدرة على الحركة، بينما يربط جهاز الدفع المتناهي الصغر بمحطة أوسع من مواقع الطاقة والاتصالات.

نظم آلية بارزة نشرت في فوكوشيما

منبر ريكوناس المحطم

وقد كان كوينس، بعد الكارثة التي نجمت عن الباحثين في معهد تشيبا للتكنولوجيا وجامعة توهوكو، من أوائل الروبوتات التي دخلت مباني المفاعلات، وشمل ذلك تشخيصاً متتبعاً به أربعة أسلحة منقولة ذاتية متناوبة مستقلة، وذراعاً من طراز كويبل لفتح الأبواب وتناول العينات، ومجمعاً شاملاً يشمل مطيافات غاما، وأجهزة تصوير حرارية، وكاميرات تعمل تحتية عالية الاستبانية.

iRobot PackBot and Warrior: Military Robotics Adapted for Nuclear Recovery

وقد تم بسرعة نشر الروبوتات الأمريكية التي تم تطويرها أصلاً لأغراض التطبيقات العسكرية في فوكوشيما، بينما كان جهاز الطرد الذي يُعد وزناً خفيفاً ومنصة يسهل نقلها، قد تم رميها من خلال النوافذ، وقادرة على تصحيح الوضع إذا هبطت إلى أسفل، وحملت كاميرات متعددة، وأجهزة للكشف عن الإشعاع، وذراع يمكن أن يؤدي مهاماً مثل فتح الأبواب وجمع عينات الحطام.

أجهزة التفتيش المتخصصة: العقرب وأجهزة السحب

وقد طورت توشيبا آلية ذات شكل عقربي خصيصا لتفتيش الثغرات الضيقة في سفينة الاحتواء التابعة للوحدة 2 - وقد أتاح لها هذا الجهاز أن ينتقل عبر أنبوب صغير إلى منطقة ماديستال، بينما يمكن أن ترفع الكاميرا المتحركة إلى مواقع الانعطاف، وقد أدى الضوء على الأشعة المتحركة إلى تصاميم الخفيضات التي تُعدها العجلات الخفيفة إلى مواقع الحطام المسطحة المشبوهة.

" الروبوتات تحت الماء " وتحديات المجمعات شبه المكشوفة

وقد كانت عمليات التحلل المتدفقة من الوحدات 1 و 2 و 3 تشكل بيئة صعبة للغاية بالنسبة للآليين، حيث تم استيعاب المياه وقطع الإشارات الخفيفة والإشعاعية، مما يجعل عمليات التحلل عن بعد شديدة الإشعاع، مما يتطلب وجود أي نظام مغطى بالأشعة وختم سطحي، وتعاونت شركة توشيبا والمعهد الدولي للبحوث المتعلقة بالتسرب النووي على جهاز رصد المياه، الذي يُسمى بجهاز " المنبو " ، وهو جهاز صغير مصمم في إطاره.

زيادة الإشعاع على مستوى العنصر والنظام

ويُعمل التصلب الفعّال للإشعاع على مستويات متعددة، من فرادى المكونات إلى هيكل النظام العام، وعلى مستوى المكوّن، فإن تكنولوجيا التلقيح المسببة للمرض تقلل إلى حد كبير من حجم السيليكون المعرّض لآثار المؤينة، مما يجعله خياراً مفضّلاً للمجهزين الحركيين ومراقبي العصيان، حيث تستخدم النظم الفرعية المجازفة رموزاً للخطأ والتصويت المنطقي، مع بعض التصميمات التي تُ التي تُصُ.

وعلى مستوى النظام، تسمح الخلايا بتحديد العناصر الفاشلة والاستعاضة عنها دون استبدال كامل الآليين، وقد وجدت البعثات السابقة التي استخدمت كابلات الشبكة الحرارية أن الإشعاعات تخترق بسرعة السترات التي تستخدمها أجهزة التحلل الضوئي، مما يتسبب في تخلف العزل والتسرب في أجهزة الاتصال، واستعيض عن المفاعلات التي تستخدمها أجهزة البوليميتيد أو PTFE ببدائل مقاومة للتحلل الإشعاعي.

الابتكارات في مجال التنقل من أجل التغلب على حقول الحطام

وتميل المركبات التقليدية المتبوعة إلى تعطيل أو تصبح عالية التركيز على أكوام الحطام غير المتساوية، ولحل هذه المشكلة، اعتمد المهندسون ما يسمى أحياناً نهج المسار المستمر، حيث يمكن للذراعين الفاسدين أن يتناوبوا 360 درجة، مما يسمح للآليين بالزحف أساساً على العقبات باستخدام وزنه الخاص لضغط الحطام في طريقه، وقد تم تعزيز تصميم جهاز كوينس ليوبرز بخطوط معدنية مثبتة ترتفع فيها الحواجز في المباني المشتركة.

أما بالنسبة للمناطق التي يوجد فيها حطام شديد الكثافة أو أرضية منهارة جزئيا، فإن بعض الروبوتات تستخدم مزيجا من الدفع المتتبع ومجمعا مركزيا يسمح للجسم باللوي والمواءمة مع المنحدر المحلي، ويساعد هذا التشفير على الحفاظ على المراكب ويمنع التكتل، وقد كشفت الاختبارات الميدانية أن الحطام المعدني كثيرا ما يشعل الوصلات بين أجزاء المسارات، مما يسبب التشويش وفقدان في الحركة.

تكنولوجيات الاستشعار لرسم خرائط البيئة النووية

ولا تتطلب تحديد مصادر الإشعاعات في ثلاثة أبعاد مجرد كاشفات حساسة بل أيضا تحديد المواقع بدقة، إذ أن بيانات التدفق الآلي من وحدات القياس غير المباشر، وأجهزة قياس العجلات، وأجهزة المسح الضوئية، والسمات البصرية لبناء خريطة لضوابطها المحيطة، مع تتبع موقعها في نفس الوقت في تلك الخريطة، ومع قيام الأجهزة الآلية بالتحرك، فإن أجهزة الكشف عن المجاما المدمجة تسجل معدلات الجرعات من مواقع محددة للتوزيع الإشعاعي، وطريقة التي تستخدم فيها أجهزة الاستلام.

وتكمل الكاميرات الحرارية خرائط الإشعاع بكشف شذوذ درجة الحرارة الناجم عن حرارة التحلل المتبقية من حطام الوقود أو عن تسرب المياه الساخنة، ويمكن للمستشعرات الصوتية أن تكتشف التسربات التي يمكن أن تكون غير مرئية للكاميرات الحرارية أو البصرية، ومن التطورات الواعدة استخدام أجهزة التصوير الضوئي السائلة اللكسية للكشف عن الإشعاع، وهذه الأجهزة ذات المقاييس الصلبة هي أكثر من النماذج الاصطناعية للأشعة المدمجية.

الاستخبارات الفنية ونظم الملاحة المستقلة

فالاستخبارات الفنية في سياق فوكوشيما تعمل على أفضل وجه عندما تكون دفاعية بدلا من طموحة، وتفادي العواطف، والتحول الآلي عندما تتدهور وصلة الاتصالات، وإعادة التمرين إلى نقطة الإنعاش المعروفة، والحفاظ على مسافة آمنة من السطح المجهول، هي السلوكيات المستقلة التي تحقق أكبر قيمة.

وقد قامت بعض أفرقة البحث باستكشاف التعاضد في مهام مثل التعلم من أجل تسلّق أنواع محددة من أنواع المناشير في المحاكاة قبل نقل السياسة المتعلّقة إلى آلية مادية، وتسمح العواقب الوخيمة للفشل المادي أثناء هذا التعلّم بأن يتردد المشغلون في مراقبة الخداع، وبدلا من ذلك، ثبتت فعالية النهج المُنقّع في تحديد الاتجاه والسرعة، ولكن الآلية تُغيّرُ عن الارتُ في تحديدُ المدخلات.

بــاء - بعثات إطالة أمد الــدورة عن طريق الهياكل الموزعة

فبعد تكنولوجيا البطاريات، ثبت أن إدارة الطاقة والتلوثات أمر حاسم لنجاح البعثة، إذ أن التكفير المتجدد يستعيد كمية متواضعة من الطاقة عندما ينزل السلم أو يبطئ، ويضيف بضع في المائة إلى الوقت الذي يستغرقه تشغيله، وقد اقترح بعض الباحثين نقل الطاقة اللاسلكية من خلال جدران ملموسة، ولكن التكليل الذي بدأ باستخدام قضبان من الصلب، والحاجة إلى مواءمة دقيقة مع مسارات الفحم قد أدت تلقائيا إلى تفكك نظام إدارة الكابلات.

وتنظر التصميمات المقبلة في هياكل الطاقة الهجينة، إذ توفر مجموعة البطاريات المحلية الطاقة اللازمة للتنقل والاستشعار، بينما تربط مجموعة صغيرة رقيقة بالروبوت بمنصة أكبر مرابطة في منطقة آمنة، ويمكن أن تتضمن هذه المنصة أكبر احتياطيات كبيرة للبطارية أو خلايا الوقود أو صلة بالطاقة الخارجية، فتفصل تخزين الطاقة عن جزء متنقل وجزء ثابت، ويحقق الروبوتات قدرة نظام واحد على التخلص من المواد النووية.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وسيتضمن الجيل القادم من روبوتات فوكوشيما أوجه تقدم من علوم المواد، والاستخبارات الاصطناعية، والهندسة المُلهمة أحيائياً، ويُمكن المتلاعبون الآليون الطفيفة الذين يُنشأون من السيليكون، والمجسّدون بمجسّدات الأليّة الميكانيكية أن يصمدوا أمام جرعات إشعاعية أعلى من الأسلحة المعدنية الجامدة، بينما يقدمون تفاعلاً لطيفاً مع حطامات الهشّة.

إن مواد التعبئة الذاتية، مثل البوليمرات التي تحتوي على كبائن مجهرية والتي تطلق الختم عند الكسر، يمكن أن تمدد حياة العمل في الأسلاك والعزلة التي أصبحت مستمدة من الإشعاع، وتنتقل التعاون الدولي، بما في ذلك الدراسة التحضيرية التي تجريها وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي بشأن تحليل حطام الوقود، وتعمل بنشاط على توحيد الوصلات الآلية، وأشكال البيانات، والبروتوكولات التشغيلية بحيث يمكن تطبيق الدروس المستفادة في فوكوشيما على نحو فعال على مواقع نووية أخرى.

خاتمة

إن تصميم آليين مستقلين للعمل في الخراب الإشعاعي لفوكوشيما دايشي عملية مستمرة من التقدم الهندسي التدريجي، وتكشف كل بعثة عن أنماط الفشل الجديدة، من الكبلات المثبتة إلى الحرق، وتعالج كل فشل بواسطة مواقع محسنة للتدفئة، وتصميم ميكانيكي أقوى، وبرامجيات أكثر ذكاء، ولا يقاس النجاح في اكتشافات إشعاعية، بل في تراكم البيانات الموثوقة بصورة مطردة.

هذه التكنولوجيات تتجاوز بكثير عملية تنظيف إحدى المنشآت المتضررة، وهي تضع مخططا عمليا للرد على أي حادث نووي في المستقبل، وتوفر اختبارا للآليات المستخدمة في بيئات متطرفة عبر صناعات عديدة، وبما أن العلوم تؤدي إلى زيادة قوة العناصر المقاومة للإشعاع ونظم الاستخبارات الاصطناعية، فإنها تنمو بشكل أكثر قوة وقادرة على التعليل تحت عدم اليقين، فإن روبوتات فوكسيما ستستمر في القيام بما لا يمكن أن يفعله البشر: