مقدمة: وعد الصناعة التحويلية داخل المدار

وقد بنيت النظم الفضائية واختبرت بالكامل على الأرض، ثم أطلقت كوحدات وحيدة ذاتية، وهذا النموذج يفرض قيودا شديدة على الحجم والكتل والتصميم، ولا يترك مجالا كافيا للإصلاح أو التحسين بعد النشر، ويغير التصنيع داخل المدار تلك المعادلة، وبتحول الإنتاج إلى الفضاء ذاته، يمكننا من بناء وصيانة وإصلاح السواتل والمركبات الفضائية مباشرة في البيئة التي ستعمل فيها.

فالآثار عميقة، فبدلا من التخلص من ساتل بسبب فشل اللوحة الشمسية أو جهاز استشعار متدهور، يمكن لجهاز خدمات آلي أن يطبع جزءا بديلا أو يربط عنصرا جديدا بالإطار الحالي، ويمكن للبعثات التي تحتاج حاليا إلى عمليات إطلاق متعددة ثقيلة لتسليم وحدة محطة فضائية كاملة أن تعتمد بدلا من ذلك على المواد الخام التي تشحن في حاويات مدمجة، مع حدوث تجمعات في المدار، وتخفض المنظمة الدولية للهجرة الكتلة القائمة، وتمتد إلى عمر المركبات الفضائية، وتفتح

]

" الصناعة التحويلية غير مجرد بيان للتكنولوجيا؛ وهي تحول أساسي في كيفية التفكير في البنية التحتية الفضائية، وهي تحول الفضاء من مكان نزوره إلى مكان نبنيه " - الأكاديمية الوطنية للدراسات الهندسية (2019)

]

وتستكشف هذه المادة مبادئ التصميم الأساسية لنظم التصنيع في المدارات، ويجب التغلب على التحديات التقنية التي يواجهها المهندسون، والتكنولوجيات الرئيسية التي يجري تطويرها بالفعل، والتوقعات المستقبلية لهذا المجال المتطور بسرعة.

لماذا في مجال التصنيع

والنهج التقليدي - الذي يبنيه على الأرض، ويطلقه، ويأمل ألا ينهار أبدا - غير كاف بشكل متزايد للعمليات الفضائية الحديثة، وهناك عوامل عديدة تدفع الحاجة الملحة إلى اعتماد المنظمة الدولية للهجرة:

  • Launch cost reduction:] Sending raw materials (filaments, powders, sheets) rather than terminated assemblies can drastically reduce launch mass. A 50‐kg 3D printeder plus a few hundred kilograms of filament can produce many tons of parts over its lifetime, amortizing the initial launch cost.
  • Extended mission life:] Repair replaces. A communications satellite with a damaged antenna can be repaired in tropical instead of abandoned, add years of revenue--generating service.
  • Scalable assembly:] Large structures such as radio antennas, solar farms, or space telescopes can be built in modules that are assembled in tropical, overcoming the volume limits of any single rocket fairing.
  • In‐situ resource utilization (ISRU): ] Eventually, materials from the Moon, asteroids, or Mars can feed IOM systems, drastically reducing Earth —dependence. For example, lunar regolith could be processed into building materials for a permanent outpost.

المبادئ الرئيسية لتصميم نظم المنظمة الدولية للهجرة

إن تصميم نظام يمكن أن يُصنّع ويجمع ويصلح مكونات في بيئة الفضاء القاسية والدنيا الجاذبية يتطلب عقلية هندسية مختلفة اختلافاً جوهرياً، والمبادئ التالية أساسية:

الاستقلال الذاتي

ولا يُستَحَدَّ تأخير الاتصالات بين الأرض والمركبات الفضائية في المدار الأرضي المنخفض إلا بعد بضع ثوان، ولكن بالنسبة للبعثات إلى القمر (تخصيص 1.3 طريقاً واحداً) أو المريخ (حتى 24 دقيقة في اتجاه واحد)، فإن التشغيل الحقيقي البعيد في الوقت الحقيقي، ولذلك يجب أن تكون نظم المنظمة قادرة على التخطيط والرصد والانتعاش بشكل مستقل، وهذا يعني إدخال مقاييس متقدمة لتخطيط المسارات، وكشف الأخطاء، والإشراف المستمر على المراكبة.

الوحدات

ويتيح تصميم نظامي استبدال أو تحديث العناصر الفردية - المطبوعات، والأسلحة الآلية، ولوازم الطاقة، وحاويات المواد الوسيطة - على نحو مستقل، مما يقلل من وقت التعطل ويبسط اللوجستيات، وعلى سبيل المثال، يمكن تحويل وحدة الطباعة التي تبلغ 3D والتي لا يمكن أن تُمسح بواسطة ذراع آلي، والاستعاضة عنها بقطع غيار دون أن تُقلل منصة التصنيع بأكملها، علاوة على ذلك، تدعم الوحدة إضافة قدرات جديدة على التطور التكنولوجي.

السرقة

فالمكان غير مسامح، إذ أن التدرجات في درجة الحرارة القصوى (مثل 150 درجة مئوية في مدار وحيد من شروق الشمس/الدار)، والكولدات الميكروميوائية، والإشعاع المؤين - كلها يمكن أن تتدهور المواد والإلكترونيات، ويجب أن تستخدم نظم المنظمة أجهزة الاختبار والمجسات ذات الصبغة الإشعاعية، والإدارة الحرارية التي تستغل أجهزة الأشعة السالبة أو مواد التغيير التدريجي، والتصميمات الميكانيكية.

المرونة

وينبغي أن يتولى برنامج المنظمة الدولية للهجرة مجموعة متنوعة من المهام: طباعة قوسين صغيرتين، وإيداع عصيان متعدد الطوابق، وربط هيكلي باللحام، وتجميع صفائف شمسية، بل وحتى قطع دقيقة، ويمكن تحقيق هذه المرونة من خلال التفاعلات بين الأدوات، والأسلحة الآلية القابلة لإعادة التشكيل، ومعايير العمليات المحددة للبرامج، والهدف هو تجنب وجود نظام محدد للتصنيع " ذي القيمة " ، يصبح الآن نظاماً متقادماًاً.

اعتبارات التصميم الحاسمة لنظم التصنيع الفضائي

وبالإضافة إلى المبادئ الرفيعة المستوى، يجب على المهندسين أن يتصدوا لعدة تحديات تقنية فريدة للبيئة المدارية.

معالجة المواد في الجاذبية الصغرية

وعلى الأرض، تساعد الجاذبية على تغذية المواد في طابعة أو في حيازة أجزاء موجودة أثناء التجمع، وفي الجاذبية الصغرية، يمكن أن تطفو المواد، ويمكن أن يلوث الغبار السطحات الحساسة، وقد لا تتدفق الصلبات السائبة بصورة موثوقة.

  • Extruder feeders with positive displacement:] Geared or auger —type feeders that push filaments or pellets without relying on gravity.
  • ] [الاحتواء المغلق: ] Enclosures with negative pressure or electrostatic fields to hold fine particles and prevent debris from escaping.
  • Magnetic or electrostatic gripping:] Temporary hold-down mechanisms for ferrous or charged parts during assembly.

الإمداد بالطاقة والإدارة الحرارية

كما أن عمليات التصنيع - ولا سيما اللحام الليزري أو الاصطدام أو التلف المزود بالليزر - يمكن أن تستهلك طاقة كبيرة )المئات إلى الكيلوتات( كما أن معظم منابر المنظمة الدولية للهجرة ستعتمد على صفائف شمسية تدعمها البطاريات لفترات الكسوف، ولكن توليد الطاقة يجب أن يكون متوازنا مع الرفض الحراري: فالطابعات والليزرات تولد الحرارة التي يجب أن تبعد عن طريق الأشعة.

الدقة في الجاذبية الصغرية

كما أن التصنيع الإضافي على الأرض يعتمد على الجاذبية لمساعدة الطبقات على الاستقرار وإزالة مواد الدعم، وفي الجاذبية الصغرية، يمكن أن يكون نسيج طبقة مختلفة، وقد ترتفع المواد السائلة بدلا من الانتشار، ويحتاج تحقيق نفس التسامح (0.1 ملم أو أفضل) إلى تدقيق دقيق في البارامترات المطبوعة: درجة حرارة التصريف، وارتفاع الطبقة، والسرعة البصمة، ومعدلات التبريد.

التلقائية والاندماج

ويقتضي تعقيد نظام المنظمة الدولية للهجرة التشغيل الآلي القوي: فالاستخبارات الاستخبارية ذات الصبغة تؤدي دورين: أولا، في مراقبة العمليات في الوقت الحقيقي (تصحيح درجة الحرارة أو معدل التغذية استنادا إلى تعليقات أجهزة الاستشعار)؛ وثانيا، في عملية صنع القرار على مستوى عال (مثل الكشف عن مطبوعة فاشلة، أو اختيار مادة مختلفة، أو إعادة تخطيط سلسلة إصلاح) ويمكن للشبكات العصبية المدربة على قواعد البيانات المستضعفة أن تكتشف وجود أوجه نقص في التغذية بالكاميرا.

التكنولوجيات التمكينية في التصنيع في المدار

وقد ثبت بالفعل وجود عدة تكنولوجيات أو أنها على وشك الاستعداد التشغيلي.

الصناعة المضافة (3D Printing)

وتستعمل تكنولوجيا المنظمة الأكثر نضجاً، والطباعة 3D، ومواد مثل مركبات الحرارة (PEEK، ULTEM)، والفلزات (الطنيوم، والسبائك الألومنيوم)، وحتى السهرات، وقد استضافت محطة الفضاء الدولية طابعات متعددة منذ عام 2014، بما في ذلك مرفق التصنيع المضاف إلى الفضاء، وغالباً ما تعاد الأجزاء المطبوعة في المدار إلى الأرض لتحليلها وتظهر خصائص ميكانيكية.

الجمعية الآلية والخدمات

كما أن الأجهزة القادرة على استيعاب ونقل العناصر والانضمام إليها هي جزء لا يتجزأ من المنظمة الدولية للهجرة، كما أن بعثة " ناسا " (FLT:0) ذاتية () أظهرت إعادة وقود وإصلاح ساتل في المدار باستخدام ذراع آلي.

لازر ويلدغ وقطع

كما أن المصابون بالسلخ يقدمون وسيلة لالتحاق المعادن والثروة الحرارية في الفراغ دون المواد الكيميائية الاستهلاكية اللازمة للربط المكثف، كما أن اللحام في الفضاء قد درس منذ عقود، ولكن التقدم الذي تحقق مؤخرا في الليزر المدمجة ذات الكفاءة العالية (مثل وحدات الكيلوتيكية التي تصلح في صندوق الحذاء) يجعل من الممكن تشغيله في منصة للأشعة تحت الحمراء.

استخدام الموارد في الموقع

أما الاتحاد الدولي لجمعيات الكهرباء والكهرباء فهو مورد طويل الأجل للمنظمة الدولية للهجرة، إذ يمكن تجهيز إعادة تذبذب القمر إلى ألياف الباسلت أو استخراج الماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين أن يوفر كل من المواد الوسيطة والمولدة، أما اختبارات إنتاج النيتروجين في شمال أفريقيا () إلى المريخ (ربما تسليم لوحة قراءتها) فتتضمن " إيستروم " كعنصر رئيسي.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

إن الطريق إلى التصنيع الروتيني داخل المدار ليس بدون عقبات، إذ أن موثوقية المعدات وإدارة الحطام والاقتصاد كلها تتطلب الاهتمام.

عملية الموثوقية والطول

ويجب أن يعمل نظام المنظمة الدولية للهجرة لسنوات قليلة إلى عدم الصيانة، ويجب أن تستوفي الأجزاء المطبوعة أو المغلفة في الفضاء معايير دقيقة للجودة دون إمكانية إجراء عمليات تفتيش للمفتشين، وهذا يتطلب معدات وبرامج قوية ومتسامحة ذاتية التشخيص، كما أن العناصر الخفية - الرؤوس المطبوعة المتعددة، ومحولات الطاقة الاحتياطية - تصبح أساسية، وتظهر الدروس المستفادة من نظم دعم الحياة في محطة الفضاء الدولية أن نظم التصليح المصممة تصميما جيدا يجب أن تكون قادرة على إنتاج المعدات.

الحطام والسلامة

ولا بد أن تؤدي عمليات التصنيع إلى توليد النفايات: مواد الدعم، والقطع غير المقطعة، والأجزاء الفاشلة، والغبار غير المترنح، وفي غرفة نظيفة على الأرض، يمكن أن يصبح الحطام في المدار قذائف خطيرة، ويجب أن تدمج برامج المنظمة الدولية للهجرة نظم الاحتواء والتجميع، ربما تكون مدمجة في وظيفة نشطة لإزالة الحطام، وينبغي أيضا تصميم المنصة بأكملها للتقليل إلى أدنى حد من إنشاء الحطام غير المرفوع وأن تكون متوقفة بسهولة في نهاية المطاف.

ألف - الرؤية الاقتصادية

(ب) إن إطلاق طابعة من ثلاث دال وإمدادات من المواد الوسيطة باهظة الثمن حالياً، حتى وإن كانت توفر الكتلة الطويلة الأجل، ولكي تصبح هذه المواد جذابة اقتصادياً، يجب على المنظمة الدولية للهجرة أن تثبت عائداً واضحاً للاستثمار، وبالنسبة لسواتل الاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض، يمكن أن تبلغ قيمة الـ 10 ملايين دولار من الإيرادات، أما بالنسبة للمشاريع الكبيرة الحجم مثل ساتل الطاقة الشمسية المدارية، فإن التجميع في المدار قد يكون النهج الوحيد الممكن.

السياسات والتعاون الدولي

ولا تتحمل أي دولة أو شركة واحدة التكلفة الكاملة لإنشاء بنية تحتية شاملة للمنظمة الدولية للهجرة، كما أن التعاون بين الوكالات الفضائية (ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الفضاء اليابانية، وشركة نيسا) والشركاء التجاريين أمر حيوي، كما أن معايير الوصلات البينية والمواد وبروتوكولات الاتصالات ستساعد على ضمان قابلية التشغيل المتبادل، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأطر القانونية لامتلاك الأجسام المصنعة في الفضاء (مثلا، جزء مطبوع عن المواد الفضائية التي بدأت في الأرض).

خاتمة

إن تصميم نظم التصنيع في المدارات هو تحد معقد متعدد التخصصات يتطلب إعادة التفكير في كل جانب تقريبا من جوانب المعدات الفضائية، فالنظام الآلي، والنموذج، والقوة، والمرونة هي حجر الزاوية، ومن مناولة المواد في الجاذبية الصغرية إلى مراقبة العمليات التي يقودها المعهد، يُظهر المهندسون مشاكل اعتُبرت صعبة للغاية في وقت ما، وقد أثبتت التكنولوجيات مثل الطباعة 3D، والتجمع الآلي، واللحام الليزري، والهيدروكربونات الدولية في طور التطوير بالفعل في التنمية النشطة.

وبينما نتطلع إلى مستقبل محطات فضائية كبيرة، ومواقع مائية مائية، وبعثات المريخ، فإن التصنيع المكثف ليس ترفا - بل هو ضرورة، فالنظم التي نصممها اليوم ستمكن من إقامة البنية التحتية للزراعة الفضائية في الغد، وتحويل المدار من وجهة إلى حدود حقيقية للتصنيع، واستمرار الاستثمار، والشراكات بين القطاعين العام والخاص، والتظاهرات الدقيقة للرحلات ستعجل بهذا التحول، وستفتح كامل إمكانات النظام الإيكولوجي الصناعي الفضائي.