Table of Contents
الحاجة العاجلة إلى الإبراء الأخضر
ومن المتوقع أن يتجاوز اقتصاد الفضاء العالمي تريليون دولار بحلول عام 2040، مع ارتفاع معدلات الإطلاق بشكل كبير بفضل الصواريخ القابلة للاستعمال والقنابل الساتلية الصغيرة، ومع ذلك يترك كل إطلاق صاروخ تقليدي أثرا بيئيا معقدا، كما أن الوقود السائل التقليدي - مثل الهيدروجين، والدايميلهيدرازين غير المتناظر، والمركبات ذات السمية العالية الكلورية (RP-1) - تكاليف متطورة في الغلاف الجوي السائل المحتوية على مثبتة.
واستجابة لذلك، تمر صناعة الفضاء بتحول مماثل للانتقال من الوقود المحتوي على الرصاص إلى مضيق الكهرباء، كما أن تطوير محركات الدفع المستدامة بيئياً لمحركات الصواريخ في المستقبل لم يعد من الأهداف الأكاديمية، بل هو أولوية استراتيجية لوكالات مثل ناسا، ووكالة الفضاء الأوروبية، ووكالة الفضاء اليابانية، وكذلك لأطراف تجارية مثل الفضاء، وشركة روكيت لاب، وشركة أزوبيل للأورجين.
لماذا المجندون التقليديون تحت التدقيق
التراث السمي: الهيدروزين ومشتقاته
وكانت متغيرات هدرازين (N2H4) ومتغيراتها المثيلة هي محركات أحادية بثور العمل لمحركات الصواريخ الساتلية والمحركات ذات المراحل العليا لعدة عقود، وهي محرك محرك محرك للرأس الفائقة التكلفة على اتصال بأوكسيدي - وهو ما يزيل الحاجة إلى نظام للقذف، ولكن الهيدروجين هو أيضاً مسبب للسخرية ومسبب للتآكل(19).
انبعاثات الغلاف الجوي العلوي من الكيروسين
RP-1، وهو جهاز متطور جداً يستخدم في المرحلتين الأولى من الفالكون 9 وأطلس الخامس، ينتج ثاني أكسيد الكربون (الكربون الأسود)، وأكسيد النيتروجين أثناء الاحتراق، وبينما يبلغ إجمالي كمية الإطلاق لكل ساتل صغير مقارنة بالطيران العالمي، يُطلق السباك على ارتفاعات حيث يُضخّم التأثير الإشعاعي للكربون الأسود البالغ 000 100 طن متر.
تعزيزات صلبة واستنفاد الأوزون
وعلى الرغم من أن محركات الصواريخ الصلبة تحرق مسحوق الأمونيوم المشبع بالفلور ومطاطي، تنتج جزيئات الألمنيا، وHCl، وغاز الكلور، وحتى في المناطق المنخفضة التركيز، تحفز تدمير الأوزون في الغلاف الجوي، وقد أشار تقرير ناسا لعام 2020 إلى أن الأسطول العالمي من أجهزة الدفع الصلبة يمكن أن يسهم في ما يصل إلى 0.1 في المائة من التأثيرات السنوية المتركزة على فقدان الأوزون.
الضغط الاقتصادي والتنظيمي
وفيما عدا الأخلاقيات البيئية، فإن اللوائح تشدد، وينتقل الاتحاد الأوروبي إلى تقييد الهيدرازين بموجب برنامجه الخاص بالتسجيل والتقييم والترخيص والحد من المواد الكيميائية، وفي الولايات المتحدة، يقوم برنامج حماية البيئة بتقييم عمليات تصريف الكلورة من اختبارات الصواريخ الصلبة، وقد يواجه مقدمو الإطلاق الذين لا يستطيعون إثبات وجود سمية أقل تصاريح باهظة الثمن، أو أقساط تأمين، أو حظر إطلاق في المناطق الحساسة بيئياً.
المرشحات الرئيسيات للمتجرين
المحاورون الأخضر: ن.
أما الاستبدال الأكثر نضجاً للهيدرازين في أجهزة الدفع الساتلية والعالية فيوجد في الدي نترامايد الأمونيوم، أما المروجين الأحاديين الذين يوجدون في الدي إن دي إن - ناولين - مثل LMP -103S (المستخدمة في بعثة لونار السويدية) والسيولة الأيونية ذات الكمود السائلة التي تزيل السائلة الجلدية المفرطة في وجود أعلى من الحافز.
(هـ) نيترات الهيدروكسيلامونيوم (هان) هي مرشحة أخرى من السائل الأيون، وغالبا ما تختلط بالماء والوقود مثل الميثانول، وقد أظهرت القوات الجوية الأمريكية وناسا وجود مدافع غير مقوى على السواتل الصغيرة، وتحقيق الإشعال السلس والكفاءة العالية في الاحتراق، وما زالت التحديات الرئيسية تتمثل في الإدارة الحرارية (تغيير المخلفات الحرارية عند درجات الحرارة فوق 150 درجة مئوية) والتدهور المسبب في الاحتراق الموسع.
الاحتراق النظيف الكيميائي: الهيدروجين السائل والأكسجين
إن إنتاج الطاقة الكهربائية ذات الطاقة الفلورية السائلة والمتجددة في نهاية المطاف، والهيدروجين السائل (LH2) والأكسجين السائل لا ينتج سوى بخار الماء، وكل محرك الهيدروجين الرئيسي الذي يُدفع به، من المكوك الفضائي الرئيسي إلى الطائرة RL -10، يدل على أن الأداء العالي يمكن تحقيقه (السادس - 450 في الفراغ).
الوقود المزود بالطاقة الحيوية والمنزل
ويعرض الوقود الأحيائي حلاً قريباً الأجل لنظم الإطلاق القائمة على الكيروسين، ويمكن صقل الأيزومرات الاصطناعية من زيوت الهدر بحيث تلبي مواصفات RP - 1، كما أن الفضاء اللامتوج قد اختبر محركاً مركباً مجهزاً بمقياس 3D باستخدام وقود متطور، والميزة هي أن المحركات القائمة من طراز RP - 1 تحتاج إلى الحد الأدنى من التعديل؛ وقد انخفضت آثار الكربون على دورة الحياة إذا ما كان
الميثان السائل: جسر بين الكيروسين والهيدروجين
وقد برزت ميثان السائلة كمنطقة متوسطة ملحة، وهي أكثر كثافة من الهيدروجين، وأقل سوداً من الكيروسين، ويمكن إنتاجها من ثاني أكسيد الكربون والطاقة المتجددة (أي ميثان) المشغل الرئيسي للمركب الفضائي، والكايين الأزرق النيو4، والقابلية للاحتراق في أيون رشاشات ثاني أكسيد الكربون المتوسطة، وهو ما يتطلب أساساً وجود تحدٍ أدنى من ثاني أكسيد الكربون.
الحواجز التقنية والاختبارات
حفز الحياة وتآكل الغرف
كما أن المروجين الأخضر مثل الـ (ADN) و(HAN) يعملون في درجات حرارة الاحتراق العالية (500-100) مئوية) من الهيدروجين (800-900 درجة مئوية)، مما يضع مطالب شديدة على مواد الحفاز والمحاقن، كما أن الحفازات التقليدية التي تستخدم في تحلل الهيدرازين تتسارع في بيئة ساخنة وموثوقة، ويعيش الباحثون في مركز الفضاء الجوي الألماني (DLXIartssov) في اختبار
البنية التحتية للخزن والمناولة
فالانتقال إلى المدافع الخضراء يتطلب في كثير من الأحيان معدات دعم أرضية جديدة، ولا تكون الـ (ADN) و(HAN) فائقة الفول (يتطلبان سريرا حفازا أو إشعال كهربائي)، وبالتالي يجب إعادة تصميم سلسلة الإشعال بأكملها، وتتطلب الهيدروجين تخزينا مبردا، وخطوط نقل، ونظم تهوية لا تتوفر حاليا إلا في حفنة من أبراج الإطلاق.
مقايضة الأداء
ولا يوجد بديل خضراء يطابق كل متر من مقاييس شاغل الوظيفة، إذ أن الهدرازين لديها نبض محدد يبلغ حوالي 230 قدما في مدفع نموذجي من طراز أحادي المصدر؛ ووقود مبني على مادة الدي إن - 260 درجة. وبالنسبة للمراحل العليا، حيث يُرحب بالتحسينات الصغيرة، ولكن بالنسبة للمراحل الأولى، كثيرا ما تكون نسبة الوزن بين الفلز والوزن أعلى من الهيدروجين، وذلك بسبب أن الكبريتات الكهربائية قد تُدرُن.
التنفيذ الحالي والتراث الجوي
أوروبا تقود مع شركة ADN
وقد قامت وكالة الفضاء الأوروبية بتدفق طائرة LMP -103S على متن بعثة تشكيل بريزما، ومنصة الساتل الصغيرة لتوقعات البيئة العالمية، وبعثة الكويكبات الهيرا، وفي عام 2023، قامت طائرة تجريبية من طراز FLP - 106، وهي تعمل على شركة كوبيسات، بتوثيق التكنولوجيا اللازمة للسواتل الصغيرة المنخفضة التكلفة، ويهدف برنامج GRASP التابع للوكالة الدولية للطاقة الذرية إلى إنتاج موجات فضائية متقدمة من طراز ND200.
NASA and the Green Propellant Infusion Mission (GPIM)
وقد أطلق ناسا نظام GPIM في عام 2019 على متن طائرة من طراز SpaceX Falcon Heavy، وكان الساتل يحمل مجموعة من محركات الـ ADN التي طورها إيرجيت روكيتدين، وقد أدّى المدافعون، على مدى 18 شهرا، 38 حرقا، مما يدل على استقرار العمليات، وضغوط عالية، ولا يُحدث تدهورا في الحفازات، وقد أثبت النظام العالمي لتحديد المواقع أن المفرد الأخضر هو محرّة من أجل بعثات الإصلاحية الأرضية ويمكن أن يستخدمها.
محركات الميثان في الرحلة
أما مركبة الفضاء/الهيبة العليا فهي أكثر المركبات قدرة من الميثان طموحا، حيث توجد ٣٣ محركات رباطية في المرحلة الأولى و ٦ في المرحلة العليا، وقد أكملت المركبة أول رحلة متكاملة لإجراء الاختبار المداري في نيسان/أبريل ٢٠٢٣، وستؤدي هذه المركبات إلى تحسين موثوقية المحركات الجديدة لمؤسسة أوريغين ومؤسسة الإطلاق المتحدة في فولكان )مع محركات B-4( إلى التحليق في الفترة ٢٠٢٤-٢٠٥.
الطرق التنظيمية والاقتصادية والتعاونية
دور المعايير البيئية
وبدأت الهيئات الوطنية والدولية في تدوين القياسات الخضراء للدفع، وتقوم المنظمة الدولية للتوحيد القياسي بوضع معيار " كثافة غازات الدفيئة لعمليات الإطلاق " . ويقيّم مكتب النقل الفضائي التجاري التابع لوكالة الفضاء الأوروبية نظاماً طوعياً لتقييم الاستدامة، ومن المرجح أن يُحفز النبلاء الذين تقل سميتهم وتُحدّد آثارهم في الغلاف الجوي عبر خفض رسوم الترخيص وتفضيل تخصيص نافذة الإطلاق بالقرب من مناطق أخرى.
القدرة التنافسية للتكاليف
وفي الوقت الراهن، فإن المروجين الأخضرين مثل الـ (ADN) يكلفون نحو خمسة أضعاف كل كيلوغرام من الهيدرازين، غير أنه عندما تكون التكلفة الإجمالية للملكية (البدلات المنسَّقة، والتحلل، والتأمين، والتخلص) مُعاملة في ذلك، فإن الفجوة تضيق إلى 30 إلى 50 في المائة، مع زيادة حجم الإنتاج إلى الارتفاع مع ارتفاع أسعار السوق الساتلية الصغيرة - يتوقع أن يقل السعر عن السعر المخفض بمقدار 20 في المائة.
التعاون الدولي
ولا يمكن لأي منظمة بمفردها أن تحل كل تحد تقني، فقد أنشأ المؤتمر الدولي للملاحة الفضائية فريقا عاملا معنيا بالدفع الأخضر لتبادل البيانات الحفازة ونتائج الاختبارات وبروتوكولات الأمان، وتقوم وكالة ناسا والوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء الجوي بتمويل مشترك لدراسة عن إعادة الوقود في الفضاء مع ميثان والهيدروجين، مما سيزيد من تحفيز استخدام السوائل المستدامة.
التوقعات المستقبلية: ما بعد عام 2030
المراحل الأولى من الهيدروجين - أكسيد ال الهيدروجين
وإذا استمر نمو قابلية إعادة الاستخدام وإنتاج الهيدروجين الأخضر، فإن أجهزة الإطلاق ذات الطاقة الكهرمائية المتجددة بالكامل يمكن أن تصبح قادرة على البقاء اقتصاديا، فمفهوم شركة فوينكس التابعة للإيسا (مرحلة أولى قابلة لإعادة الاستخدام) وتاريخ 9 آذار/مارس (المصممة الآن بمتغيرات الميثان والهيدروجين) يستهدفان معا 2030 من الرحلات الجوية الأولى، ويتيح الاندفاع الكبير في ملامح الهيدروجين إعادة استخدام المراحل العليا الأصغر وأكثر عدائية.
الدفع الهجين والكهربائي
وبالنسبة للدفع في الفضاء الخارجي، فإن المروجين الأحاديين الخضراء سيقترن على نحو متزايد بمحركات كهربائية، وقد يستخدم نظام هجينات للحمض النووي العالي الحرق (الإضافة إلى المدار، وتجنب الاصطدام) ومحركات القاذورات ذات التأثيرات الهالوية في عمليات حفظ المحطة، مما يقلل من البصمة البيئية الإجمالية.
تقييم دورة الحياة كمعيار تصميمي معياري
ويتجه هذا القطاع نحو نماذج دورة الحياة الكاملة، إذ لن يطلب مهندسو الدفع في المستقبل " هل هذا الحرق الدافع نظيفاً " فحسب، بل أيضاً " كم من الطاقة التي تحتاجها لإنتاجه؟ من أين يأتي الكربون؟ وما يحدث لنفايات التصنيع؟ " ومن المرجح أن يتطلب الاتفاق الأخضر الأوروبي والسياسات المماثلة قيام مقدمي الإطلاق بنشر التكلفة البيئية لكل كيلو غرام من الكيلوغرامات التي يتم تسليمها للمدار.
الاستنتاج: تقاسم المسؤولية
إن تطوير مدافع مستدامة بيئيا ليس مجرد مشكلة هندسية - بل هو تحد محدد لصناعة تتطلع إلى فتح الحدود الفضائية مع حماية الكوكب الوحيد الذي نملكه - ومن الحظر على الهيدرازين في أوروبا إلى ارتفاع محركات الميثان وتراث الطيران المتزايد للملوثات الأحادية التابعة للشبكة، فإن المسار واضح وسيشهد العقد القادم انخفاضا كبيرا في استخدام أطر الإنتاج الكيماويات السمية والملوثة.
ومع تقلص تكاليف الإطلاق واتساع إمكانية الوصول إلى الفضاء بشكل روتيني، تصبح البصمة البيئية لكل بعثة مفرق استراتيجياً، فالشركات والوكالات التي تستثمر الآن في الدفع النظيف لن تفي بالمتطلبات التنظيمية فحسب، بل ستكسب ثقة الجمهور الذي يزداد قلقاً بشأن صحة الغلاف الجوي والمحيطات، والانتقال إلى الوقود الأخضر ليس أمراً ممكناً فحسب، بل هو أمر لا مفر منه، والسؤال هو مدى سرعة اختيارنا لتسريع هذا الوضع.
For further reading on the chemistry of green monopropellants, see the DLR Institute of Space Propulsion]. Data on the atmospheric effects of rocket exhaustple can be found in the 2021 Earth’s future study[FLfut:4]