إن التوسع المكثف للنشاط البشري في الفضاء - من البعثات العلمية الطموحة إلى قطاع تجاري متزايد وإلى المسكن المستمر لمحطة الفضاء الدولية - قد وضع مطالب غير مسبوقة على النظم التي تبقي المركبات الفضائية والسواتل والملاحين الفضائيين آمنة، وفي قلب هذه المطالب تكمن الحاجة الماسة إلى تطوير أجهزة الاستشعار الجسيمات القادمة لرصد البيئة الفضائية، وهذه الأدوات المتقدمة لم تعد ترفاً وإنما هي شرط أساسي لفهمها والتخفيف من مخاطرها.

أما أجهزة الاستشعار التقليدية في مجال البيئة الفضائية، فبينما تكون مرتكزة، في كثير من الأحيان، قصيرة في توفير الرعي، وعمر الحياة، والاستخبارات المستقلة اللازمة للبعثات الحديثة الطويلة الأجل، أو لنشر مجموعات كبيرة من السواتل الصغيرة، ويجب أن يتغلب الجيل الجديد من أجهزة الاستشعار على القيود التي تكتنف الحساسية، ومعدلات البيانات، ويجب أن تعمل بشكل موثوق به في ظل التقلب الحراري الشديد، والتعرض للعوامل المسببة في المستقبل، كما أن تكون عوامل مؤثرات في البيئة،

الحاجة الجامعة إلى رصد بيئة الفضاء المتقدمة

وتهيئ البيئة الفضائية مجموعة معقدة من الظروف، وغالبا ما تكون معادية، ويجب أن تجابه المركبات الفضائية ورواسب الفضاء بتدفق متغير للجسيمات الحية من الأشعة الكونية المجرية والأحداث الشمسية، والتفاعلات البلازمية، والإشعاع فوق البنفسجية، والمخاطر التي لا تزال قائمة حاليا بتأثيرات من الكويكبات الميكرومائية والحطام المداري، كما أن فهم الآثار الفعلية والتراكمية لهذه العوامل أمر أساسي في تخطيط البعثة،

حماية رواد الفضاء والبعثات

وبالنسبة للبعثات التي يقطنها طاقمها، ولا سيما تلك التي تهوية خارج المدار الأرضي المنخفض، مثل البعثات المخططة لارتميس إلى القمر واستكشاف المريخ في المستقبل، فإن البيئة الإشعاعية تشكل عاملاً رئيسياً يحد من ذلك، ويجب أن توفر أجهزة الاستشعار المتقدمة قياسات دقيقة ومحلة زمنياً ومطيافات جزيئية بحيث يمكن للملاحين الفضائيين تلقي إنذارات في الوقت المناسب، وأن يلجأوا خلال أحداث التصغشيع الشمسية.

تعزيز الكشف العلمي

فبعد الاحتياجات التشغيلية، تشكل أجهزة الاستشعار من الجيل القادم أدوات قوية للعلم الأساسي، فهي تتيح دراسة ديناميات طقس الفضاء، والارتباك بين الشمس والأرض، وتكوين الغلاف الجوي الكواكبي، وأصول الأشعة الكونية، وتحسن القياسات العالية الدقة للميادين المغناطيسية والكهربية، وموجات البلازما، وتوزيع الجسيمات المحايدة، الحدود الجديدة في نماذج الفيزياء الشمسية والفيزياء الفلكية.

التمكين من الاقتصاد الفضائي الجديد

وقد أدى النمو السريع للفضاء التجاري - بما في ذلك تشكيلات ساتلية كبيرة لأغراض الاتصالات ورصد الأرض، وكذلك السياحة الفضائية - إلى زيادة الطلب على أجهزة استشعار رخيصة ومدمجة وموثوق بها، وكثيرا ما تفتقر هذه المنصات الصغيرة إلى ميزانيات الكتلة والطاقة للصكوك التقليدية والكبيرة، ويجب التقليل إلى أدنى حد من أجهزة الاستشعار الجيل القادم، وقادرة على إنتاجها على نطاق واسع دون أن تؤدي إلى نتائج عكسية.

أهم المعالم التي تحدد الجيل القادم

ولا تُعرَّف أجهزة الاستشعار الجيل القادم للبيئة الفضائية بأي تكنولوجيا واحدة بل بمجموعة من القدرات على الأداء والتشغيل تفوق بكثير ما سبقها، وهذه السمات هي المعايير التي تقاس عليها التصميمات الجديدة.

عدم وجود وعي وزجاج ديناميكي

ويجب أن تكتشف أجهزة الاستشعار الحديثة إشارات شديدة الغموض - مثل التفاعلات الجسيمية الواحدة أو تغيرات الناموسيات في الحقول المغناطيسية - بينما تعمل أيضا على البقاء وقياس الأحداث ذات التدفق العالي مثل الذبابات الشمسية - وعلى سبيل المثال، يجب أن يُحل كاشف الجسيمات من أجل اختبارات شمسية، أو من خلال سلسلة من المواد الدينامية التي تشمل عدة أوامر من الحجم.

الاستقلالية والطول

وينبغي أن تقاوم أجهزة الاستشعار العاملة في الفضاء لمدة 10 أو 15 أو أكثر الضرر التراكمي الناجم عن التشريد الإشعاعي، والجرعة المؤينة، والتدوير الحراري، وتشتمل الجيل القادم على أجهزة إلكترونية مصحوبة بالإشعاع، ومواد للتدفئة الذاتية، وتركيبات زائدة.

التنويم الضار والتقليل من استهلاك الطاقة

فعهد الأدوات الكبيرة والشديدة يفسح المجال أمام النظم المتأصلة والمتكاملة ويمكن أن تستضيف أجهزة الاستشعار المتطورة حمولات متطورة إذا كانت أجهزة الاستشعار مدمجة وكفؤة، كما أن أجهزة الاستشعار القادمة تستخدم نظماً تعمل بالكهرباء الصغرية، وتغليفات متقدمة، وتصاميم على الشبكة لتقليل الحجم والوزن والطاقة (SWaP) مع الحفاظ على الأداء أو حتى

على متن الاستخبارات وتجهيز البيانات

وكثيرا ما تكون حركات نقل البيانات الخام ذات الاستبانة العالية إلى الأرض هي الاختناقات في البعثات الفضائية بسبب محدودية القدرة على إجراء القياسات عن بعد في نطاق الترددات الترددية، وتدمج أجهزة الاستشعار عن بعد قدرات قوية على تجهيز السفن - تستخدم في كثير من الأحيان صفائف البوابات المعدة في الميدان أو أجهزة الإنذار المصغرة التي تستخدم الإشعاع - لإجراء تصنيف للحدث في الوقت الحقيقي، وتحديد الجسيمات، والبدء في عملية التكييف.

التكنولوجيات التي تبث الابتكارات في مجال الاستشعار

وتشترك عدة تكنولوجيات متطورة لتمكين الجيل القادم من أجهزة الاستشعار في بيئة الفضاء، وتتراوح هذه التكنولوجيات بين مواد جديدة ومبادئ قياس جديدة تماما.

نانوماتوريات وموصلات متقدمة

(ب) يجري استكشاف نانووبات الكربون والغرافين والمواد الأخرى من 2 دال من أجل خصائصها الكهربائية والميكانيكية والحرارية الاستثنائية، ويمكن لهذه المواد، في أجهزة الكشف عن الإشعاع المؤين، أن توفر كفاءة عالية في جمع النفايات وصعوبة إشعاعية استثنائية، وعلى سبيل المثال، يجري تطوير أجهزة الكشف عن الماس كمواد صلبة أقوى من أجهزة الوصل التقليدية.

تكنولوجيات الاستشعار الكمي

وتدور أجهزة الاستشعار الكمي في اتجاه إحداث ثورة في قياسات عالية الدقة في الفضاء، وبإصدار الخواص الكمية للذرات - مثل الترميز أو التشابك أو التدخل - يمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تقيس الميادين المغناطيسية، والمجالات الكهربائية، والتناوب، وتتسارع مع الدقة والموثوقية غير المتطابقتين.

Detector Physics Innovations

وتحتاج أجهزة الاستشعار الجيل القادم إلى تكنولوجيات مثل أجهزة الكشف عن الحرارة العالية، وأجهزة الكشف عن المواد المشعة ذات القدرة العالية، وأجهزة القياسات العالية التي تستخدمها الدول في عمليات الأشعة السينية، وأجهزة القياس ذات القدرة العالية على إحداث الاحترار، وأجهزة القياسات العالية التي تستخدمها أجهزة الاستبانة ذات القدرة على إحداث الاحترار، وأجهزة القياسات العالية التي تستخدم أجهزة الاستبانة في أجهزة قياس القدرة على إحداث الاحتراق، وأجهزة القياسات المتقدمة ذات القدرة على أشعة السيليكوم.

المشاهد المصورة والمعارض الفيبرية المتكاملة

وتكتسب أجهزة الاستشعار البصرية الفيبرية مساراً لرصد الصحة الهيكلية للمركبات الفضائية (مثلاً، الإجهاد، درجة الحرارة) وكذلك لبعض تشخيصات البلازما، وهي محصنة من التدخل الكهرومغناطيسي ويمكن توزيعها على عدة ألياف واحدة. ) وتنسق الدوائر المتكاملة الصوتية

التغلب على التحديات في مجال التنمية والنشر

إن الطريق من نموذج مختبري إلى جهاز استشعار موثوق به لخط الطيران محفوفة بالصعوبات، وتتطلب هذه التحديات اتباع نهج هندسية وبرنامجية مكرسة.

المؤهلات الفضائية والاختبار البيئي

ويجب أن يتحمل أجهزة الاستشعار الاهتزاز والصدمة والمكنسة الحرارية والمستويات القصوى للإشعاع أثناء الإطلاق والعمليات، كما أن تحديد المواد الجديدة والتكنولوجيات الكمية اللازمة للوفاء بالمبادئ التوجيهية الموحدة لضمانات الفضاء عملية طويلة ومكلفة، وقد يؤدي العدد المحدود من الفرص المتاحة لبث أدوات جديدة إلى زيادة إبطاء ضخ التكنولوجيا المتقدمة، وتقوم الوكالات والشركات باستكشاف مسارات تكييفية متداخلة تستخدم فيها أجهزة السواتل :

التكامل وإدارة البيانات

وكثيرا ما تولد أجهزة الاستشعار من الجيل القادم كميات هائلة من البيانات الخام، وحتى مع التجهيز على متن المركبات، فإن إدماج هذه البيانات في نظم القياس عن بعد المركبة الفضائية ونظم القيادة يمكن أن يكون معقدا، فالمعايرة والمعايرة المتبادلة مع الصكوك الأخرى المتعلقة بنفس المركبة الفضائية أو المختلفة تتطلب بروتوكولات صارمة لإدارة البيانات، ويتطلب ارتفاع شبكات الاستشعار وقياسات النقاط المتعددة أشكالا موحدة للبيانات وبروتوكولات اتصال لا تزال تتطور في أوساط الفضاء.

دورات التكاليف والتنمية

تطوير جهاز استشعار جديد من مفهوم إلى رحلة يمكن أن يستغرق عقداً أو أكثر، يتنافس في كثير من الأحيان مع أهداف البعثات القصيرة الأجل، بينما استخدام المكونات التجارية خارج النطاقات والمنابر المرنة مثل كبسات يخفض التكاليف والجداول الزمنية، ويضم مستشعرات كمية جديدة حقاً أو نايومترات لا تزال تشكل استثماراً كبيراً في الأفق الطويل الأجل.

الاتجاهات المستقبلية والتطبيقات الناشئة

ومستقبل رصد البيئة الفضائية مشرق، حيث توجد عدة مناطق حدودية لتحقيق تقدم كبير.

شبكات الاستشعار الاستشارية المستقلة

تخيل حزام من السواتل الصغيرة، وكل منها يحمل جهاز استشعار ذكي واعٍ يمكنه أن يقرر بشكل مستقل زيادة معدل أخذ العينات عندما يكتشف انقطاعاً للرياح الشمسية، وهذه الشبكات المستقلة للاستشعار ستوفر حلاً غير مسبوق لظاهرات فضائية دينامية مثل العواصف المُعَدَّة أو العواصف المغنطية.

In-Situ Probes for Deep Space and Planetary Surfaces

ومع عودة البشرية إلى القمر والدفع نحو المريخ، يجب أن تعمل أجهزة الاستشعار على السطح، وداخل الموائل، وعلى الدوارات، وأجهزة رصد البيئة التي يمكن أن تقيس الغبار، والإشعاع بالأيون، والثلج تحت سطح الماء ستكون حيوية. رصد البيئة السطحية دون القطبية هو أولوية قصوى لفهم إمكانيات استخدام الموارد في الموقع.

الصكوك التجارية والمتعددة الأغراض

وتؤدي تخفيضات التكاليف والمرونة إلى أجهزة استشعار تخدم أغراضا علمية وتجارية على السواء، فعلى سبيل المثال، يمكن لجهاز كشف الجسيمات عالي الطاقة أن يُبلغ عملية التحقيق في الشذوذ بواسطة السواتل، مع توفير بيانات عن نماذج التنبؤات الجوية الفضائية التي تفيد متعهدي السواتل في جميع أنحاء العالم، وسيتيح تطوير وصلات الاستشعار الموحّدة ] دمج هذه الأدوات بسرعة في برامج خدمات متنوعة،

خاتمة

إن تطوير أجهزة الاستشعار من الجيل القادم لرصد البيئة الفضائية هو في مرحلة حرجة، بينما تظل متطلبات برامج الاستكشاف الطموحة، وانتشار السواتل التجارية، والحاجة الدائمة الى حماية الفلكيين في نهاية المطاف مترابطتين للتعجيل بالابتكار، ومن خلال زيادة القدرة على استكشاف المواد النانوية، والفيزياء الكميّة، والصور المتكاملة، والاستخبارات الحادة، والتصميمات الواعدة في مجال الطاقة الفضائية، تتغلب على القيود الواعدة في مجال الحساسية،

لمزيد من القراءة عن الحالة الراهنة لمستشعرات البيئة الفضائية وفرص التمويل، انظر NASA Heliophysics Division ] و ] برنامج العلوم التابع للإيسا . وبالإضافة إلى ذلك، فإن بوابة ] أجهزة الاستشعار والاختبارات القابلة للتطبيق