إن الدفع الكهربائي يُحوّل مسار استكشاف المريخ، ويُقدّم مساراً إلى بعثات مشتركة بين الكواكب تتسم بقدر أكبر من الكفاءة والاستدامة والطموح، وخلافاً للصواريخ الكيميائية التقليدية التي توفر طلقات سريعة من الدافع، فإن نظم الدفع الكهربائي تستخدم الطاقة الكهربائية لتسريع عملية استكشاف الوقود على مدى فترات طويلة، وهذا التحول الأساسي في وعود تكنولوجيا الدفع لخفض تكاليف البعثات، وزيادة القدرة على الدفع، وتمكين شركات السفر من القيام بمهام أسرع من أي وقت مضى إلى ما بعد.

فهم التكاثر الكهربائي

ويضم الدفع الكهربائي أسرة من التكنولوجيات التي تولد زخماً من خلال التعجيل الكهربائي بدافع الدفع، وهو عادة غاز نبيل مثل Xenon أو krypton، حيث أن أكثر الفخارين نضجاً هما محركات اليونيون ومدافع الهالون، وفي مدافع الأيون، تُؤون ذرات الدفع ثم تتسارع من خلال حقل كهربائي قوي، تنتج محركات دفعية عالية السرعة.

وبعملها في اتجاه أقل، ولكن لمدة أطول بكثير، يمكن للقوى الكهربائية أن تستحدث تغييرا تدريجيا في السرعة على مدى أشهر أو سنوات، وهذا التسارع المستمر يتراكم على نحو أكثر كفاءة (التغير في السرعة) من حروق قصيرة وقوية، ويعني ذلك بالنسبة للسفر بين الكواكب أن المركبات الفضائية يمكن أن تأخذ مسارات مباشرة أكثر، وأن تقلل الاعتماد على أدوات الجاذبية الكوكبية، بل أن تكون أكثر كثافة في الوجهة.

مهام المريخ

ويتيح تطبيق الوزع الكهربائي على بعثات المريخ عدة فوائد تحولية تعالج أكبر العقبات التي تعترض استكشاف الإنسان: التكلفة، والزمن، والقدرة على الحمولة.

الكفاءة العالية في الإنجاب

لأن محركات الكهرباء يمكنها أن تحقق الكثير من الدافعات المحددة، تستهلك أقل بكثير من الوقود لكل وحدة من وحدات الدفع، بعثة من المريخ تستخدم الدافع الكيميائي ستتطلب مركبة إطلاق ضخمة لنقل الوقود لكل من الرحلات الخارجية ورحلات العودة، مع الدفع الكهربائي، فإن الكسر الجماعي للوقود يخفض بدرجة كبيرة، مما يسمح إما بمركبات الإطلاق الأصغر أو حمولة أكبر.

قدرات البعثة الموسعة

فالدفع المتواصل من الدفع الكهربائي يتيح للمركبات الفضائية أن تزيد تدريجيا السرعة على مدى أسابيع أو أشهر، وهذا يعني أن المركبة الفضائية لا تحتاج إلى حمل كمية كبيرة من الوقود الدافع لحرق واحد؛ بل إنها تعجل الطريق إلى المريخ، مما قد يقلل من وقت السفر، وفي حين أن المسارات الكيميائية أمام المريخ الأرضية تستغرق نحو ٨-٩ أشهر )نقل هومان على نحو إضافي(، فإن الدفع الكهربائي يمكن أن يقلل من حجم الشحنات التي تصل إلى ٥ أشهر.

زيادة القدرة على تحمّل عبء العمل

ونظرا لأن الدفع الكهربائي يقلل من الكتلة الدافعة، يمكن تخصيص الكتلة الموفرة للحمولة، وبالنسبة لكتلة معينة من كتل الإطلاق، يمكن أن تحمل مركبة فضائية مجهزة بمحركات كهربائية أدوات علمية أو مكونات موائل أو رواسب أو إمدادات، مثلا يمكن لمدار للمريخ باستخدام دفعة إيونية أن يوصل حمولة علمية أكبر من مركبة تعتمد فقط على الدفع الكيميائي.

المرونة والمناورات

ويعطي الدفع الكهربائي القدرة على إجراء تعديلات صغيرة ودقيقة في جميع أنحاء البعثة، وهذا أمر قيّم بالنسبة لإدخال المدار حول المريخ، حيث يمكن للتعديل الدقيق أن يوفر الوقود ويتيح قياسات جغرافية أكثر تعقيدا، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للنشر الكهربائي أن يدعم جمع المدارات وحفظه بل وحتى المدارات التي تخفض من أجل بعثات إعادة العينات، كما أن القدرة على تغيير سرعة التحميل التدريجي تفتح أيضا هياكل البعثة القابلة للتداول

التحديات والحلول

وعلى الرغم من وعدها، يواجه الدفع الكهربائي عقبات كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن يصبح العمود الفقري لبعثات المريخ، ويعمل المهندسون والعلماء بنشاط على إيجاد حلول لكل من هذه التحديات.

حدود الإمداد بالطاقة

وتحتاج أجهزة الدفع الكهربائي إلى مصدر كهربائي ثابت وعالي الطاقة، ويمكن أن توفر الألواح الشمسية عشرات الكيلوات بالقرب من الأرض، ولكن انخفاض الطاقة الكهربائية في مربع المسافة من الشمس، وفي المريخ (1.52) فإن التدفق الشمسي يمثل نحو 43 في المائة من قيمة وحدة السحب الحرارية الأرضية، مما يحد من الدافع الكهربائي الشمسي إلى نحو 15-20 كيلو فولط.

أوقات السفر المنخفضة والطويلة

ويقصد بالتوجه المنخفض للدفع الكهربائي )من زهاء ١,١ إلى ٠١ مبتدئين( أن المركبة الفضائية تتسارع ببطء، أما بالنسبة لشاحنة شحن تابعة للمريخ تستخدم محطة SEP، فإن الرحلة التي تتجه إلى الخارج قد تستغرق ١٢ إلى ١٨ شهرا، ويمكن أن يكون ذلك مقبولا بالنسبة لطاقم الشحنات غير المأهولة، ولكنه أقل مثاليا بالنسبة للبعثات التي يكون فيها التعرض للإشعاع ومدة دعم الحياة من الشواغل، ولكن باستخدام مفاعل نووي وزيادة الطاقة الكهربائية يمكن زيادة قوة الدفع.

استحقاق التكنولوجيا والاعتماد عليها

وفي حين أن عمر القوى الكهربائية وكفاءتها قد تحسنت بشكل كبير، فإن الدافعات الكهربائية مؤهلة الآن لما يزيد على 000 50 ساعة من التشغيل في اختبارات الفراغ - فإن البيئة الفضائية تنطوي على تحديات إضافية، كما أن تآكل الثرادي، وفشل وحدات تجهيز الطاقة، وإدارة الوقود في الجاذبية الصغرى تتطلب تصميما قويا، وقد أثبت برنامج " الأشعة المتطورة " (Evolutionary Xenon Thruster) 7.5 سنوات من التشغيل المستمر عند 6.9 كيلوواط.

تخزين المواد الانشطارية ومعالجتها

(زينون) مكلف ويجب تخزينه كسائل خارق للطبيعة أو غاز عالي الضغط، وبالنسبة للبعثات الكبيرة، يصبح حجم خزانات الوقود كبيراً، أما البدائل مثل كريبتون فهي أرخص (الطاقم أقل تكلفة لكل كيلوغرام)، وهي تقدم أداء مماثلاً، وإن كان ذلك بأقل كفاءة، وعلاوة على ذلك، فإن استخدام اليود كعامل دفع صلب يمكن أن يبسط التخزين.

رفض الحرارة وإدارة الحرارة

أما نظم الدفع الكهربائي، ولا سيما في ارتفاع الطاقة، فتولد حرارة النفايات التي يجب رفضها، ويجب أن تُخَدم أجهزة التشخيص للحفاظ على درجة الحرارة التشغيلية، كما أن نظام الرفض الحراري هو عامل جماهيري كبير، كما أن المواد المشعة المتقدمة والمشعات القابلة للانتشار، وأنبوب الحرارة المتحركة لا تزال تتطور لتحسين الكفاءة الحرارية، كما يتعين على بعثات المريخ أن تدير البيئات الحرارية في الوجهة)٢(.

التطورات الحالية والتوقعات المستقبلية

وتستثمر وكالات الفضاء الرئيسية والشركات الخاصة استثمارا كبيرا في الدفع الكهربائي للمريخ وما بعده، وتتطور المشهد بسرعة.

جهود ناسا

مشروع "ناسا" للكهرباء الشمسية هو تطوير نظام الدفع بـ 50 كيلو فولط في القاعة كجزء من عنصر القوة والضغط في محطة لونار غيتوي

تعلم المزيد عن مشروع "ناسا" للكهرباء الشمسية

ESA and International Collaborations

وقد استخدمت وكالة الفضاء الأوروبية أجهزة الدفع بالهال في بعثات مثل بيكولومبو (ميركوي) وهي بصدد تطوير محركات عالية القوة من أجل خريطة طريق الاستكشاف الخاصة بها، وقد حدد الفريق الدولي لتنسيق استكشاف الفضاء أن الدفع الكهربائي هو قدرة رئيسية على استكشاف المريخ على الصعيد العالمي، ويمكن أن تؤدي الجهود المشتركة بين ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية وشركة JAXA وشركة روسكوموسومات إلى تحقيق التوافق بين الطاقة الكهربائية.

اقرأ عن مدافع ايون بيكولومبو

الابتكار القطاع الخاص

شركات مثل (سبيسكس) تعتمد تاريخياً على الدفع الكيميائي للسفن النجمية لكن بنية إعادة الوقود المُزمعة للسيارة قد تستفيد من الدفع الكهربائي للأورام المدارية أو البضائع الفضائية العميقة، وبدءات أخرى مثل (موموس) و(أكسيون) تقوم بتطوير محركات كهربائية أصغر لخدمة السواتل وصغيرات الكوكتيل

قاذفات الكهرباء النووية

وهناك عدة مفاهيم في مجال الطاقة النووية قيد النظر، ومن بين هذه التصميمات الواعدة " التحقق من صحة الأمفيتامين " (الصواريخ المغنطسية القصيرة الأجل) التي تستخدم الموجات المشعة في البلازما الحرارية والآلات المغناطيسية لتسريعها، ويمكن أن يتفاوت نظام الدفع والتوجه المحددين، مما يتيح المرونة لمراحل مختلفة من مراحل البعثة، ويمكن أن يؤدي تركيز التعبئة على حركة الدفع المغناطيسي إلى تخفيض طول العمر إلى 39 يوماً في أقصى حد ممكن.

For more on VASIMR, see the Ad Astra Rocket Company.

أوجه التآزر مع استخدام الموارد في الموقع

ويمكن أن يغذي الوقود الكهربائي المدفوع بالوقود المنتج على المريخ، فعلى سبيل المثال، يمكن أيضا استخدام الميثان والأكسجين المنتجين عن طريق هيئة التصنيع الصناعي للمحركات الكيميائية في بعض تصميمات محركات الكهرباء (مثلاً، مدفع الطاقة الكهربائية المحتوي على الماء) ويمكن، كبديل، جمع الزراعة التي تشكل 1.6 في المائة من الغلاف الجوي المريخي واستخدامها كعامل دفعي لليوران أو الهال.

خاتمة

إن الدفع الكهربائي ليس حلما بعيدا - بل هو بالفعل عملي في بعثات مثل داون، وبييكولومبو، وسواتل ستارلينك، وبالنسبة للمريخ، فإن التكنولوجيا توفر مسارا واضحا لتخفيض تكاليف البعثة، وزيادة القدرة على تحميلها، وتمكينها من الاستكشاف البشري المستدام، كما أن تحديات توليد الطاقة، والضغط، والموثوقية، يمكن معالجتها من خلال الهندسة والاختبارات المستمرة، حيث أن أجهزة الدفع الكهربائية ذات القوة النووية قد تكون جاهزة في الفضاء.