Table of Contents

التعريف بنظام لونار الحراري

إن تصميم النظم الحرارية لبعثات سطح القمر هو أحد أكثر التحديات الهندسية تعقيدا في مجال استكشاف الفضاء، فبيئة القمر - التي تتسم بتقلبات حرارة شديدة، وفراغ شديد، وارتداد عظمي، وطول فترات الظلم - تتطلب حلولا للتحكم الحراري تكون قوية وخفيفة، وخلافا للأرض، حيث يعتدل المناخ درجات الحرارة، فإن سطح القمر يرتفع إلى درجة الحرارة التي ترتفع إلى 300 درجة مئوية بين النهار والليل.

إن نظم المراقبة الحرارية مسؤولة عن الحفاظ على جميع المكونات في نطاق درجات الحرارة المسموح بها، ويشمل ذلك كل شيء من البطاريات والإلكترونيات إلى نظم دعم الحياة والمواد الهيكلية، وقد يؤدي الفشل في النظام إلى أضرار لا رجعة فيها، أو تأخير البعثات، أو حتى فقدان الأرواح، وحيث أن وكالات الفضاء العالمية والشركات التجارية تستعد للوجود المستمر للألوان من خلال برامج مثل ارتميس، والحاجة إلى وضع استراتيجيات هندسية متقدمة وموثوق بها.

Challenges of the Lunar Thermal Environment

التغيرات في درجة الحرارة القصوى

The most obvious challenge is the staggering temperature range on the Moon. During the lunar day, which lasts about 14 Earth days, the surface facing the Sun can reach 127°C (260°F). Once the vast sets, the surface cools rapidly, and nighttime temperatures plunge to ]-173°C (-280]

الافتقار إلى الغلاف الجوي لأغراض الاحتواء

وبدون جو هام، لا يوفر القمر وسيطاً للتبريد بطريقة ملائمة أو سلوكية، ولا يقتصر نقل الحرارة على الإشعاع (الانبعاثات المرتدة) والتسيير المباشر من خلال الاتصال بالسطح، ويستفيد الرعاة على الأرض من التبريد الجوي، ولكن على القمر يجب أن يعتمدوا كلياً على الرفض الحراري الإشعاعي للخلفية الفضائية الباردة (الغرامة على الترسيب السطحي الشعاعي)(3).

Cycling Fatigue

ويخضع كل دورة من دورات النهارية النهارية للمواد والمفاصل لتكرار التوسع والانكماش الحراريين، وقد يؤدي ذلك خلال العديد من الدورات إلى الإرهاق، والثكنات الدقيقة، وفشل الأختام، ومفاصل المبيعات، والهياكل المركبة، ويجب تصميم مكونات النظام الحراري لآلاف هذه الدورات، ولا سيما بالنسبة للبعثات الطويلة الأجل التي تهدف إلى العمل في ليال متعددة.

البيئات الحرارية المحلية

ولا توجد جميع المواقع على القمر على نفس المنوال، إذ يمكن أن تكون المناطق المظللة باستمرار بالقرب من القطبين باردة مثل -230 درجة مئوية ]، بينما تعاني ذروة الشمس من تضخم مطول، فالعمود الجنوبي المتوهج لسقوط أرتميس، غالبا ما يهيئ بيئة مختلطة: بعض المناطق تتلقى نظما شمسية شبه متجانسة، بينما توجد فيها ذرات دائمة في وقت واحد.

العناصر الرئيسية للنظم الحرارية القمرية

ويُبنى نظام إدارة حراري مأهول من عدة نظم فرعية أساسية، ويجب اختيار كل عنصر بعناية وإدماجه لتلبية احتياجات البعثة.

Insulation

أما العزل المتعدد الطوابق فهو عبارة عن مجموعة من أجهزة التحكم الحراري في المركبات الفضائية، وتتألف البطانيات من طبقات متناوبة من الفلفل المعكس (مثلا، الكبتون المأجور) التي تفصلها أجهزة الفضاء المصغرة الموصلية، وهي تقلل بشكل جذري من نقل الحرارة الإشعاعية، وعلى سطح القمر، يجب أن تكون شركة ميلي قوية بما يكفي لمواجهة آثار التدميرية والتصميمات الدرقية.

مراقبو المدافع والمروحيات

ولمنع تجميد المكونات خلال فترة طويلة من الليل، تستخدم سخانات المقاومة الكهربائية، وكثيرا ما تكون هذه الدفئات محركة من أجهزة التحكم المتخصصة في الحرارة التي ترصد أجهزة استشعار الحرارة وتبدل الطاقة الكهربائية وتشغلها وتشغلها، كما أن كفاءة التسخين وميزنة الطاقة ضرورية لأن الطاقة الكهربائية تكون في أقساط - خاصة في أثناء الليل الذي تكون فيه صفائف الطاقة الشمسية غير نشطة، وتستخدم بعض النظم وحدات الحرارة [RHUs]

الرعاة وواجهة الهتاف

فالحراسات هي الوسيلة الرئيسية لرفض الحرارة الزائدة إلى الفضاء، وهي عادة ألواح ملتوية بالطلاءات العالية النسيج (مثل الطلاء الأبيض أو تيفلون الفضي) لتعظيم الإشعاع تحت الحمراء، ولأن سطح القمر والمناطق المحيطة به قد يشعان الحرارة (وبخاصة أثناء اليوم)، كثيرا ما يوضع المشعون لمواجهة الفضاء العميق مع تجنب التلقيح الشمسي.

قنابل حارة وقراص من طراز لووب

إن أنابيب الحرارة هي أجهزة مرنة ذات مرحلتين تنقل الحرارة من الكترونيات أو صفائف شمسية إلى أجهزة للتشعير التي تقل فيها درجة الحرارة إلى أدنى حد، وتستخدم سوائل عمل (مثل الأمونيا أو المياه) تتبخر في مصدر الحرارة وتكثيفها في المبرد، وتوفر المسافات الطويلة الأنابيب الحرارية مزيدا من المرونة ويمكن أن تُعالج حمولات حرارية أعلى.

السطح والترميزات المتقلبة

إن معاطف التحكم الحراري على السطح الخارجي تساعد على إدارة الامتصاص الشمسي، فالطلاء الأبيض ومرايات السطح الثاني (الفضاء أو الألمنيوم على الزجاج) يمكن أن تعكس معظم ضوء الشمس القادم بينما لا تزال تشع الحرارة، وبالنسبة للعناصر التي تحتاج إلى البقاء دافئة، فإن الطلاءات المنخفضة الانسيابية تُطبق، ويُملي اختيار التصفيق بالتوازن الحراري المحدد المطلوب.

تخزين حراري باستخدام مواد تغير المرحلة

ويمكن لمواد تغيير المرحلة تخزين كميات كبيرة من الطاقة الحرارية عندما تذوب (في النهار) وتطلقها كما تترسخ (في الليل) وتشمل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الشمعية الشمعية وهيدرات الملح، وهي مفيدة بصفة خاصة لبطء درجات الحرارة والحد من حجم الحرارة والمشعات، ويظل جهاز الترميز الحراري يستخدم في بعثات أبولو - برا وتقنية.

استراتيجيات التصميم الحراري للبعثات القمرية

ويستخدم المهندسون مزيجا من الأساليب السلبية والنشطة لتحقيق الاستقرار الحراري، ويتوقف الاختيار على مدة البعثة، وتوافر الطاقة، والقيود الجماعية، وطبيعة الحمولة.

المراقبة الحرارية السلبية

تعتمد النظم السلبية على الممتلكات المادية والجودة بدلا من نقل الأجزاء أو الطاقة، وتشمل التقنيات الرئيسية ما يلي:

  • Thermal blankets and insulation] to isolate components from extreme surroundings.
  • Thermal straps] — high-conductivity graphite sheets or braideded copper to conduct heat away from sensitive electronics.
  • [الجمعية الراديكالية ] - سمسرية سطحية مصممة بعناية ونظر إلى عوامل الفضاء.
  • معطفات انعكست ] على الألواح والهياكل الشمسية للتقليل إلى أدنى حد من التدفق الشمسي الممتص.
  • Thermal decoupling] - using low-conductivity standoffs to prevent heat flow between hot and cold zones.

والنظم السلبية موثوقة جداً لأنها لا تملك أجزاء متحركة، ولكنها تتيح قدرة محدودة على التكيف مع الظروف المتغيرة، وهي أفضل ملاءمة للبيئة الحرارية الثابتة أو للمكونات التي تتسم بتسامح ضيق في درجات الحرارة.

الرقابة الحرارية النشطة

وتستخدم النظم النشطة المضخات والصمامات والتسخينات والتحكم في الإلكترونيات لتنظيم درجات الحرارة، وتشمل الأمثلة على ذلك حلقات السوائل المضخة التي تعمم مبردا (مثل الماء أو خليط من المياه والجلكول) عن طريق مبادلات الحرارة والمشعات ويمكن لهذه النظم أن تعالج حمولات حرارية أعلى وأن توفر رقابة أكثر دقة على درجة الحرارة، أما عن البعثات السطحية لللونات، فقد تستخدم حلقات فعالة داخل الموائل أو المبردات.

وثمة نهج نشط آخر هو ] مبردات/هيارة كهرباء، ] (أجهزة الطليعة) التي يمكنها أن تضخ الحرارة باستخدام التيار الكهربائي، وهي مدمجة وليست لها أجزاء متحركة، ولكن كفاءتها محدودة، مما يجعلها مناسبة فقط للحمولات الحرارية الصغيرة.

التخزين الحراري وترقية الضغط

ونظراً إلى أن دورة اليوم/الليل طويلة جداً، فإن الاعتماد على المسخن في الليل يمكن أن يكون باهظاً من حيث الكتلة البطارية وتخزين الطاقة، كما أن التخزين الحراري باستخدام أجهزة المضغوطة أو تخزين الحرارة المعقولة (مثل الصخور المسخة أو صهاريج المياه) يمكن أن يخزن الطاقة أثناء النهار لاستخدامها في الليل، مثلاً قد يسخن أحد المباني الكثيفة من الشمع أثناء النهار، ثم يستخدم حرارة الصمامات اللازمة لحفظ الأجهزة الإلكترونية.

النُهج الهجينة

فمعظم التصاميم الحرارية في العالم الحقيقي تجمع بين العناصر السلبية والنشطة، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم التفريغ المغناطيسي والقطع الحرارية لمحركاته، وسخان صغير لبطارية العجلات أثناء الليل، وجهاز شعاعي صغير لحاسوبه خلال اليوم، كما أن غطاء الموائل الخفيف المصمم لاستكشاف القطب الجنوبي الشهواني، يستخدم مزيجا متطورا من الأشعة فوق المتوسطة، ودرجة الحرارة المختلطة، ووسوفة،

الابتكارات في إدارة حراريات القمر

وتسمح التطورات الأخيرة في علوم المواد والتقليل إلى أدنى حد والتصنيع المضاف للجيل القادم من النظم الحرارية التي هي أخف وأكثر كفاءة وأكثر استدامة.

مواد العزل المتقدمة

ويقوم الباحثون بتطوير العزلة القائمة على الجيل الهوائي التي توفر مقاومة حرارية استثنائية عند جزء من الكتلة التي تتكون منها حركة التحرير التقليدية، مثلاً، فإن الجيل الأول من سيليكا منخفض جداً من حيث السلوك الحراري ويمكن تشكيله في بطانات مرنة، ويجري تقييمه لاستخدامه في أرجل الملونار وجدران الموائل، وثمة ابتكار آخر هو ] [FT]]]]

التكتل الذكية والجوازات المتغيرة

(أ) تغيير معاطف التصفيات القابلة للتداول (مثلاً، المواد الكهروكروميكية أو الرمائية الحرارية) في سمسارها المرتعب استجابة لدرجات الحرارة أو الطاقة الكهربائية، مما يتيح لسطح الأرض أن يعمل كمشعب فعال عندما يكون حاراً ومُستبدعاً جيداً عند البرد، دون وجود سواحل ميكانيكي، وتختبر هذه المعاطف على سواتل صغيرة ويجري النظر فيها فيما يتعلق بتطبيقات غير المُزروعة.

تصنيع مضاف لبورصات الحرارة والبلاط الباردة

ويتيح الطباعة ٣ دال إنشاء مستودعات معقدة من الجيولوجيا - مثل قنوات التبريد المطابقة، وهياكل التكتل، ومبادلات الحرارة المدمجة - التي يتعذر استخدامها تقليديا بالنسبة للبعثات القمرية، حيث يمكن لكل جرام أن تقدم المكونات الحرارية المصن َّعة بصورة مضافة أداء أعلى وكتلة أقل، وقد اختبرت ناسا أجهزة الإشعاع المطبعة ب ٣ دال واللوحات الباردة لاستخدامها في مصانع الهبوط والقضايا القادمة.

المرشدون المرنون والمنتشرون

ويمكن أن تُطهر أجهزة الإشعال القابلة للانتشار أثناء الإطلاق ثم تُفتح على سطح القمر، مما يكشف منطقة واسعة النطاق للتشعيع دون أن يُرفع حجمها المفرط، كما أن مواد تغيير المرحلة داخل الألواح المرنة تساعد حتى على التخلص من الحمولات الحرارية، وقد أظهرت الشركات مثل لوكهيد مارتن ووكالة الفضاء الأوروبية مفاهيم من هذا القبيل لـ Lunar Gateway [FLockgraphy:1] ونظماستخدام المرنة السطحية.

النظم المتكاملة للحرارة والطاقة

وبدلاً من معالجة الإدارة الحرارية كنظام فرعي منفصل، تدمجها التصميمات الجديدة بتوليد الطاقة وتخزينها، فعلى سبيل المثال، يمكن للمجموعة الشمسية أن تدمج الأنابيب الحرارية لنقل حرارة النفايات إلى وحدة تخزين حراري، ثم توفر الحرارة لمحول الطاقة أثناء الليل، وهذا مماثل للمفهوم الذي يستند إليه إلى تعزيز نظم الطاقة الحرارية المستخدمة في بعض الفضاء العميق.

التطورات المقبلة وآثارها على البعثة

البقاء في الأحياء الطويلة والوحدة

ومع إطالة البعثات من أيام إلى أشهر وسنة، يجب تصميم النظم الحرارية لعشرات أو مئات من دورات الليل النهارية، ويمكن أن يوفر استخدام الموارد في الموقع - باستخدام إعادة استخدام القمر للعزل الحراري أو كوسيلة للتخزين الحراري - حلولا منخفضة التكلفة، مثلا، يمكن أن تغطي الموائل ذات طبقة سميكة من المقاومة التي تستخدم في التوليد، وتقترح بعض الدراسات على عملية الصنع الحراري.

إدارة حراري مسببة للسرطان

وستحتاج البعثات المقبلة التي تتطلب أكسجينا سائلا وهدرجينا من أجل الدفع إلى مراقبة حرارية مسببة للبرد، كما أن إبقاء الوقود عند درجات حرارة أقل من 150 درجة مئوية لأسابيع أو أشهر يمثل تحديا هائلا، وسيلزم العزل المبردين المتعددي الطوابق، والأجهزة الصبغية النشطة، والدروع الشمسية، كما أن برنامج إدارة الفلوريد الكريستينية التابع للرابطة يطور بنشاط تكنولوجيات للتخزين الطويل الأجل.

السلامة الحرارية البشرية

وبالنسبة للموائل المكتظة، يجب أن تحافظ المراقبة الحرارية أيضا على بيئة داخلية مريحة وآمنة، ولا يشمل ذلك درجة الحرارة فحسب بل أيضا مراقبة الرطوبة وإزالة الحرارة الأيضية، كما أن نظم دعم الحياة )مثلا، حلقات التبريد في البذلة الفضائية، وتكييف الهواء في الكابينة( ستعتمد على التجمعات الحرارية القوية، كما أن إعادة التهوين وآليات السلامة هي في المقام الأول.

التعاون التجاري والدولي

ومع قيام وكالات فضائية متعددة وشركات خاصة بتخطيط عمليات صيد غير مأمونة، يجري وضع معايير تصميم حراري لضمان التشغيل المتبادل، ويمكن لمجموعات الاختبارات غير الساحلية [FLSIC] في جونز هوبكينز و أن تعجل مجموعات النشر السريع في إطار برنامج المساعدة التقنية الأوروبية

الموارد الخارجية:

خاتمة

إن تصميم النظم الحرارية للبعثات السطحية القمرية هو مسعى هندسي متعدد التخصصات يدفع حدود علوم المواد، ونقل الحرارة، وتكامل النظم، وتقلبات الحرارة القصوى، وانعدام الغلاف الجوي، والبيئة الغبارية، إلى إيجاد حلول قوية وقابلة للتكيف، ومن المواد المتعددة الطوابق ومواد التغيير التدريجي إلى أجهزة الأشعة المتقدمة والمعاطف الذكية، لا تزال مجموعة أدوات المهندسين الحراريين آخذة في التوسع.

ومع استعداد البشرية للعودة إلى القمر وإقامة وجود دائم، فإن نجاح هذه البعثات سيتوقف بدرجة كبيرة على موثوقية وكفاءة الإدارة الحرارية، كما أن مواصلة البحث في المواد الجديدة والنظم المتكاملة والاستراتيجيات القائمة على الاتحاد لن تتيح استكشاف القمر فحسب، بل ستعزز أيضا التكنولوجيات للمريخ وما وراءه، وبالنسبة للمهندسين والعلماء العاملين في هذا الميدان، فإن كل درجة من درجات الحرارة خطوة نحو مستقبل مستدام خارج العالم.