تصميم دروع قنابل الهاتف من أجل ظروف القطب الشمالي والجنوبي

Understanding the Environmental Challenges of Polar Heat Shield Design

بالإضافة إلى ذلك، فإن القطب الشمالي والجنوبي من بين أكثر البيئات التي تعاقب عليها حرارياً على الأرض، كما أن المحركات التي تصمم دروعاً حرارية للهياكل الأساسية القطبية لا تتنافس مع درجات حرارة تشغيلية يمكن أن تتحول من " 8722 " ، وظاهرة التكديس الحراري للثلج في الشتاء، وتتسارع عوامل البرودة الحادية الحادية التي ترتفع فيها الحرارة.

اعتبارات التصميم الأساسي لدروع البطاقات القطبية

أداء العزل الحراري

:: تتمثل المهمة الأساسية لدروع حرارة في المناطق القطبية في الحفاظ على درجة حرارة داخلية مستقرة بالنسبة للأشخاص أو المعدات أو الأجهزة الحساسة، مما يتطلب نظماً للعزلة تقل فيها المواهب الحرارية عن 0.02 دبليو/(m)(K) وتظل العزلة المتعددة الطرازات مخففة من الاضطرابات الناجمة عن التقلبات الحرارية (المتفجرة، والفضية) موزعة حسب عوامل الاختلال المنخفضة.

Structural Durability Against Ice and Wind

ويجب أن تنجو الدروع الحرارية القطبية من التأثير المتكرر من الجسيمات الجليدية التي تحركها الرياح والتي تسافر في السهول التسيارية، كما أن الجلد التقليدي (اليوم، الفولاذ اللاصق) يمكن أن يُكبح مع وجود عدة مسببات للتوتر السطحي أو البوليثيلين المتوهج في شكل ثنائي الفينيل متعدد المقاييس (UHMWPE) أو مكونات التحلل الدماغي لزيادة مقاومة التشنج)(22).

Reflectivity and Emissivity Engineering

:: إن إدارة الإشعاع الشمسي في الصيف القطبي هي مفارقة: إذ تحتاج إلى رفض الحرارة خلال فترة الطول 24 ساعة مع الاحتفاظ بالدفء خلال الشتاء المظلم، وهذا يتطلب وجود أسطح دينامية أو انتقائية في المضاربة، وتشمل الحلول السلبية استخدام مواد ذات سمية عالية في موجات مرئية وشبه خاضعة للأشعة (اليوم، والفضة، والطلاء الأبيض مع خنازير من التيتانيوم) بالإضافة إلى ارتفاع معدل الارتفاع

المرونة والقابلية للاعتماد في الحركة الأرضية

ويتسبب تدفق المناشير والسيارات الجليدية في حدوث تغيرات هامشية في الارتفاع الأرضي والتشريد الأفقي لعدد من أجهزة الترميم في بعض المناطق، وقد أدت مؤسسات الدروع الحرارية المتحركة إلى نقل هذه الحركة إلى الهيكل، مما يؤدي إلى شقق، وإلى اختلال في لوحات العزل، وإلى خروق في الحواجز البخارية، حيث يتحول المحركات إلى تصميمات ثابتة ومفصلة مثل تلك التي تستخدم في محطة بحوث الهالي في الوقت الحاضر.

اختيار المواد: من التقليدي إلى قطع الطريق

العزل المتعدد الأحرف والحدود المفروضة عليه

ويظل التلقيح المتعدد المقاييس هو العزلة السلبية الأكثر استخداماً في مجال درع الحرارة القطبية، إذ إن الوجبة النموذجية تتألف من 10 إلى 40 طبقة متناوبة من المييار الملغوم أو كابتون التي تستخدم فيها أجهزة التعبئة المتعددة الألياف، مما يؤدي إلى تدني مستويات التحلل الحراري عند 0.001 و/(م) الفراغ، غير أن أداء البولي ثلجي في مجال إزالة الملوثات.

Aerogels: The High-Performance Contender

أما البطانيات الجيلية الساحلية (مثلاً، الغيلان أو المطران) فهي توفر القدرة على التصرف الحراري في الرغاوي الحرارية التي تتراوح بين 0.012 و0.020 W/(m) في ضغط الغلاف الجوي، مما يجعلها مثالية للدروع الحرارية القطبية التي يصعب فيها الحفاظ على السلامة، كما أن الأيروسول هيدروبيك، مما يحول دون حدوث ارتفاع في الوزن الجوي بما فيه 150.

مواد تغيير المسارات

ويمكن أن تؤدي هذه المواد إلى ارتفاع حرارة البيوت إلى ارتفاع حاد في الطلب، أما بالنسبة للبيئات القطبية، فإن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي تحتوي على نقاط تذوب في 10#176؛ و287 في المائة إلى 176؛ وC هي من المواد الشائعة الارتحال مثل الشمع: 20 في المائة من الكبائن المجهرية - 25 في المائة؛ و17 في شكل أحماض سميكة (مثلاً)

مواد التكتل الترددي ومواد التبريد الإشعاعي

فبجانب الألومنيوم والفض، يمكن أن تحقق مواد التبريد الإشعاعي الجديدة التبريد دون اللبس عن طريق إحداث إشعاع بالأشعة تحت الحمراء في نافذة الغلاف الجوي (8-13 ميكروم) مع إبراز معظم ضوء الشمس، وتشمل الأمثلة على ذلك أكياساً متعددة الصواعق الحرارية من السيو2 وثاني أكسيد الكربون مثبتة في مصفوفات متعددة، أو هياكل ذاتية ذاتية الأشعة السينية(10).

النهج الابتكارية للتصميم: النُهج النشطة والنموذجية والتطبيقية

التنظيم الحراري النشط للطاقة المتجددة

وقد تكون الدروع الواقية وحدها غير كافية للمعدات العالية الحرارة )مثلاً، محولات الطاقة، أجهزة نقل الاتصالات( أو للحفاظ على الراحة في الأماكن المحتلة أثناء التهجئة الباردة الشديدة، ويمكن إدماج نظم التدفئة النشطة في هيكل الدروع باستخدام خامات مقاوم للتدفئة أو سائل مسخن من القاعدة عن طريق التنظيف المحتوي على محركات متطورة في العزل.

النظم الدرعية النموذجية والقابلة للثقة

ونظرا لأن احتياجات البحث القطبي تتغير موسميا وعلى مدى عدة سنوات، فإن تصميمات الدروع الحرارية يمكن إعادة تشكيلها، وتستخدم النظم النموذجية أحجاما موحدة من الألواح (مثل 1.2 متر x 2.4 متر) مع وجود صومعات سريعة من الصنع ووصلات كهربائية وسوائل عالية الجودة، ويمكن إعادة ترتيب الأفرقة لخلق أماكن من المتطلبات الحرارية المختلفة: قد يحتاج مختبر صيفي إلى مزيد من الأولوية

الكائنات الحية: التعلم من الكائنات القطبية

وقد تطورت الحيوانات القطبية مثل الدببة القطبية والأختام في الطبقات الفراء والزجاجية التي توفر العزلة الاستثنائية بينما ظلت مرنة، وقد استلهم المهندسون من فروة الدب القطبي، التي تحلق فوق الزهرة المتطاولة وتخفف من حدة الفقد الحراري، كما أن المواد ذات الصبغة الميكانيكية القطبية التي تبثها أجهزة متعددة الصغر ذات سمات متحركة ذاتية.

النماذج الحاسوبية والتعظيم

فتصميم درع حر لموقع القطبي الخاص يتطلب إجراء محاكاة رقمية مفصلة للحرارة المقترنة ونقل الرطوبة، وحمولة الرياح، وتراكم الجليد، كما أن نماذج الاختلالات الحرارية (مثلاً، باستخدام نماذج الازدهار الدينامية للثديينات المتعددة الفيزياء في المنطقة الجنوبية) يمكن أن تنبأ بتوزيعات الحرارة وتحدد الجسور الحرارية التي يسببها التسارع أو المواسير الحرارية.

التطبيقات العالمية الحقيقية: الدروس المستفادة من المحطات القطبية والمعدات

محطات البحوث: هالي السادس وما بعده

أما محطة البوليس في جنوب المحيط الأطلسي التي تُستخدم في محطة النسيج في منطقة برانت إيس، فهي مثال رئيسي على تصميم الدرع الحراري التكييفي، وتُرفع طوابقها المتحركة على قدميها من حيث التدفق المغناطيسي إلى مركب الثلج، وتُضمّن هذه السلاسل من النسيج المتحركة إلى جانب النسيجات المتحركة في جنوب الكبريت، وتُحد من النسيجات الأصفية الكبرى(2).

المركبات والطائرات والمعدات الخارجية

ويستخدم العديد من المشغلات الصاروخية مركبات مشتعلة الحرارة مثل المحركات الجليدية، وأجهزة التزلج، وأجهزة السحب الكبيرة المستخدمة في التخدير، وأجهزة التكتل الحرارية التي تستخدمها أجهزة التحلل الحرارية الأرضية التي تعمل بالبطارية والتي تستخدم في كثير من الأحيان في شكل حرارة مصغرة.

نظم الطاقة وتخزين الوقود

وتحتاج خزانات الوقود والمولدات إلى دروع حرارية للحفاظ على وقود الازدحام ومنع الشمع في الديزل، والحل المثالي هو خزان مزدوج الجدران البوليوريثاني بين الجدران (مثل حرائق كبيرة) وبعض الصهاريج التي تُضمّن مسخّرات كهربائية أو كابلات لتعقب الحرارة، وبالنسبة للاضطرابات الريحية النائية، يجب على سكن ناسيل أن يحم المولد من البرودة بينما تُفكك.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية في تصميم الدروع القطبية

Climate Change Impacts

ومع دفء المناطق القطبية، فإن تواتر دورات الجمود، وحوادث سقوط الأمطار، والعواصف المصوِّرة، تزداد الآن الدروع الحرارية المصممة لظروف باردة مستقرة، تواجه الآن تدهوراً أكثر تحركاً من حيث الرطوبة: وقد يصبح العزل ملوثاً بالمياه، ويمكن للتوسع في المجمِّد أن يكسر المفاصل الهيكلي.

نظم رصد ذاتي ومرئي

وستعتمد البحوث القطبية المقبلة اعتماداً كبيراً على المنصات المستقلة - الدروين والدوارات وشبكات الاستشعار الثابتة - التي يجب أن تعمل لشهور دون تدخل بشري، وتتطلب هذه النظم دروعاً حرارية لا تكون خفيفة فحسب بل أيضاً ذاتية التنظيم وتسخين الطاقة، كما أن التكامل مع جمع الطاقة (الاحترار والريح والطاقة الشمسية) سيصبح معياراً، ويمكن أن يرى أول استخدام تجاري للديوت الحرارية الواحدة:

الاستدامة وعلمية المواد

وتزداد تكاليف النقل إلى المحطات القطبية أهمية إعادة الاستخدام وإعادة التدوير، إذ يجري اختبار لوحات الدرع الحراري المتحركة التي يمكن بسهولة تفكيكها، وتدميرها، وإعادة استخدامها، على أن تكون مواد العزل الأحيائي (مثل الألياف الوبائية، والزنزانة، والفولط المركب) في بيئات القطبية لمقاومتها الأقل تجسيداً للطاقة والارتباك.

خاتمة

إن تصميم الدروع الحرارية في القطب الشمالي وفي أنتاركتيكا عملية صارمة في الهندسة الحرارية وعلوم المواد والتكيف البيئي، ويتطلب النجاح توازن الأداء في مجال العزل، والثقيلة الهيكلية، والتفكير، والمرونة في مواجهة القيود العملية للوزن والتكلفة والسوقيات، وبما أن تغير المناخ يتسارع في المناطق القطبية، فإن الطلب على الحماية الحرارية المرنة والتكيفية والمستدامة لن يكثف إلا من خلال إدماج الدروس المستفادة من المحطات القائمة،