دور الدرع المغنطيسية في بعثات الفضاء العميق المقبلة

الحاجة المتزايدة إلى حماية الإشعاع الفضائي

فمع أن البشرية تضع مشاهدها على بعثات فضائية طموحة إلى المريخ والقمر وما بعده، فإن أحد أهم التحديات التي تواجه العالم الفضائي والكون هو التعرض للإشعاع، وفي مدار الأرض المنخفض، تستفيد محطة الفضاء الدولية من الحماية الجزئية للمجال المغناطيسي للأرض، ولكن عندما تختفي أطقمها، فإن شبكات الأمان، وبدون حماية فعالة، تواجه الظواهر المغنطية مخاطر صحية كبيرة من الظواهر الكونية المجردة.

ما هو الدرع المغنطيكي؟

يعمل الدرع المغنطيسي عن طريق توليد حقل مغناطيسي حول مركبة فضائية لكشف الجسيمات المحملة بعيدا عن مقصورة الطاقم هذا النهج يُعدّ حقل الأرض المغناطيسي الطبيعي الذي يعمل كدرع كوكبي ضد الرياح الشمسية والإشعاع الكوني بدلا من الاعتماد على حواجز بدنية سميكة تضيف الكتلة والتكلفة، يُستخدم الدرع المغناطيسي في استخدام النسيج المغناطيسي لإعادة توجيه الجسيمات الضارة

والمبدأ ليس جديدا، فقد درست مفاهيم الدرع النشط منذ الأيام الأولى لاستكشاف الفضاء، ولكن مؤخرا فقط حققت تقدما في مجال علوم المواد وتخزين الطاقة، مما جعلها أقرب إلى التطبيق العملي، والفكرة الأساسية هي تخطي المركبة الفضائية بمجال مغناطيسي قوي بما يكفي لكشف البروتونات ذات الطاقة العالية والكهرباء والأيون الثقيلة التي تهيمن على بيئات الإشعاع الفضائي العميقة.

تهديد الإشعاع في الفضاء العميق

ويختلف الإشعاع الفضائي العميق اختلافا جوهريا عن تجربة الفلكيين في المدار الأرضي المنخفض، ويطرح مصدران رئيسيان مخاطر، فالأشعة الكونية المجرية هي جسيمات عالية الطاقة ناشئة عن الزواحف وغيرها من الأحداث الفلكية، وقد تفجر كل شيء في النظام الشمسي ويصعب جدا منعه، كما أن أحداث الجسيمات الشمسية، من ناحية أخرى، هي انفجارات شديدة من البروتونات والمصابيحات الأرضية.

وبدون الغلاف الجوي للأرض لكشف هذه الجسيمات، فإن رواد الفضاء في رحلة إلى المريخ سيتراكم جرعات الإشعاع تتجاوز الحدود المهنية الحالية لرحلات الفضاء، و برنامج بحوث الإنسان التابع للناسا ] قد وثقت أن بعثة للكشف عن مخاطر الإصابة بالأشعة تزيد من مستوياتها.

كيف يعمل الدرع المغنطيك

فالدروع المغناطيسية تعمل على مبدأ قوة لورنتز، وعندما تنتقل الجسيمات المحملة عبر حقل مغناطيسي، فإنها تجتاز منظارا للقوة على كل من سرعة القوة وتوجهها الميداني، وبإدراج حقل مغناطيسي كبير حول المركبة الفضائية، يمكن لمصممي البعثات أن يعطوا مسارات الجسيمات القادمة بعيدا عن الموئل، وتتوقف فعالية الحماية على قوة الميدان المغناطيسي، أي الميدان.

تركيز البحث الحالي على تشكيلين رئيسيين: يستخدم نهج واحد كتلة مغناطيسية كبيرة أو وحيد يحيط بوحدة الطاقم، ويشمل مفهوم آخر زوجا من الفحم المحروق الذي ينشئ ميداناً للترويح أو الديبول، ويزيد من تماثل الغلاف المغنطيسي للأرض، ويؤثر اختيار التشكيل على متطلبات الطاقة والكتلة ودرجة الحماية. [FimT:1]

دور الموصلين الرئيسيين

إن إيجاد حقول مغناطيسية قوية في الفضاء يتطلب إما تيارات كبيرة من خلال الموصلات التقليدية أو استخدام الموصلات الخارقة، فالكهرباء التقليدية تتطلب طاقة هائلة وتنتج حرارة نفايات يصعب إدارتها في فراغ الفضاء، ويمكن أن يحمل التيارات الكبيرة، التي تعمل في درجات حرارة مبردة، دون مقاومة كهربائية وبحد أدنى من مدخلات الطاقة، وقد أدى التقدم الأخير في نظم التبريد العالية التعقيد، على الرغم من أن الموصلات الخارقة قد زاد من هذا النهج.

الهندسة الأرضية الميدانية وسلامة الكروات

ومن الجوانب الهامة للدروع المغناطيسية شكل الحقل المغناطيسي واحتواؤه، إذ يمكن أن يؤدي سوء التصميم إلى تعريض الطاقم إلى حماية غير متكافئة أو إنشاء مناطق محلية ذات تدفق مغناطيسي مرتفع قد تثير شواغل صحية، ويجب أن يشمل الميدان الموئل بالكامل دون التدخل في الأدوات العلمية الحساسة أو نظم الدفع، وقد أصبح نموذج الحاسوب أداة أساسية لتحقيق التكوينات الميدانية المثلى، مما يتيح للمهندسين تقدير الفعالية.

رسوم الدرع المغنطيسية على الدرع السلبي

ويستخدم الدرع السلبي مواد مادية مثل البوليثيلين أو الماء أو إعادة التحلل لاستيعاب الإشعاع أو إبطاءه، وبينما يعتبر التدفئة السلبي بسيطا من الناحية المفاهيمية وقد استخدم منذ عقود، فإنه ينطوي على عيوب كبيرة في بعثات الفضاء العميقة، ويلزم توفير كميات كبيرة من الكتلة لوقف الأشعة الكونية العالية الطاقة، وإضافة دروع ثقيلة إلى مركبة فضائية تزيد تكاليف الإطلاق بشكل كبير وتخفض قدرة الحمولة.

فالدرع المغنطيسي يوفر عدة مزايا قاهرة، أولا، يمكن أن يكون أخف بكثير من الدرع السلبي المكافئ، ويمكن أن يزن المولد الميداني المغنطيسي جزءا من الكتلة اللازمة لحاجز الألمنيوم أو البوليثيلين، وثانيا، يمكن تعديل النظم النشطة استجابة لمستويات الإشعاع المتغيرة، وتختلف أحداث الجسيمات الشمسية في كثافة، ويمكن أن يتحول الدرع المغناطيسي إلى عواصفة كهربائية أخرى تولدها المفاعل الثالث.

وثمة ميزة أخرى هي إعادة الاستخدام، فخلافاً للتدفئة الجسدية التي تتدهور بمرور الوقت بسبب آثار الجسيمات، لا يلبس الحقل المغناطيسي ويمزقه، كما أن نفس المعدات يمكن أن تحمي المركبة الفضائية طوال مدة البعثة، بما في ذلك الرحلات المتعددة، مما يجعل من الدرع المغناطيسي جذاباً بوجه خاص للبعثات التي تتطلب إقامة ممتدة في الفضاء العميق أو رحلات متكررة بين الأرض والمريخ.

التحديات التقنية التي تواجه التغلب

وعلى الرغم من وعده، فإن الدرع المغناطيسي يواجه عقبات تقنية كبيرة، يعمل الباحثون بنشاط على حلها، والتحدي الأكثر إلحاحا هو استهلاك الطاقة، وإنتاج الحقول المغناطيسية ذات المستوى الكيولوجي اللازمة للتدفئة الفعالة، يتطلب طاقة تفوق ما يمكن أن تقدمه المركبات الفضائية الحالية بسهولة، ويضع محرك القاذورات المميزة للهالكة المستخدمة في الدفع بضع كيلوتات، ولكن المغناطيسي الكبير الذي يستهلك

حقول الاحتواء والمصنوعات

إن احتواء الحقل المغناطيسي بحيث لا يتدخل في الإلكترونيات المتحركة مسألة هامة أخرى، ويمكن أن تؤدي الحقول المغناطيسية القوية إلى تحريض التيار في الأسلاك، وتؤثر على أجهزة الاستشعار الحساسة، وتعطل معدات الاتصالات، كما أن تحويل وحدة الطاقم يعني ضمان عدم تركيز الميدان حيث يعمل الفلك، ويمكن لأفراد الطاقم، من حيث الحقول المغناطيسية الثابتة، أن يختبروا عوامل التداخل الدوارة، والكهربية.

النضج التكنولوجي

In current magnetic shielding concepts remain at the experimental stage. Most tests have been conducted in laboratories using small-scale prototypes or computer simulations. no full-scale active shield has been tested in space, and the transition from concept to flight-ready equipment will require years of development. Materials that can operate reliably in the space environment, cryocoolers that can function for years without maintenance, and light weight support structures all need further engineering

مقايضة جماعية وفوليومية

وفي حين أن الدرع المغناطيسي أقصر من الحماية السلبية من حيث المبدأ، فإن النظام الكامل، بما في ذلك مصدر الطاقة، والمبردات، والمشعات، والدعم الهيكلي قد لا يكون الضوء كما هو مأمون، فالوفورات الجماعية تعتمد اعتمادا كبيرا على هيكل البعثة المحدد، وبالنسبة للمرور العابر بالقصير، فإن توفير درع أقل سمية وأرخص، وبالنسبة لبعثة المريخ المتعددة السنوات، يمكن أن تصبح المدخرات الجماعية من نظم الدروع المغناطيسية أمرا حاسما.

خريطة الطريق الحالية للبحث والتطوير

وقد تسارعت البحوث في مجال الدرع المغناطيسي خلال العقد الماضي، مدفوعة بالأهداف الاستراتيجية لوكالات الفضاء وتزايد الاهتمام من القطاع الخاص، وقد قامت عدة أفرقة بحث ببناء متظاهرين صغار الحجم، وفي مركز البحوث والتكنولوجيا الفضائية الأوروبية ، قام العلماء باختبار نماذج اختبارية متداخلة في مجال توفير المواد المكنسة.

كما تساهم الجامعات والمختبرات الوطنية في استكشاف المواد الجديدة التي تعمل في درجات حرارة أعلى، والتي تقلل من طلبات التبريد، وتقوم مجموعات أخرى بالتحقيق في المفاهيم الهجينة التي تجمع بين الحماية المغناطيسية النشطة والحماية السلبية المحلية للمناطق الحساسة مثل الأحياء الفقيرة، ويمكن لهذه النهج الهجينة أن توفر توازناً أمثل بين الحماية والكتل واستهلاك الطاقة.

وعلى طريق النشر، الخطوة المنطقية التالية هي عرض في الفضاء، وقد قدمت مقترحات لربط درع مغناطيسي نموذجي ببوابة قمرية أو ساتل اختباري حر في مدار أرضي مرتفع، ومن شأن هذه البعثة أن تقيس كثافة الإشعاع الحقيقية، وتحمل اختبار النظم المبردة في الجاذبية الصغرى، والتحقق من الاحتواء الميداني في بيئة واقعية، إذا نجح ذلك، يمكن إدماج مركبة نقل التكنولوجيا في تصميمات مرارة.

الطريق إلى المريخ وما بعده

فالدروع السحرية ليست المفهوم الوحيد لحماية الإشعاع الذي يجري النظر فيه، ولكنها واحدة من أكثر النهج تنوعا، وتشمل النهج البديلة توفير درع كهربائي نشط، يستخدم حقول كهربائية بدلا من الحقول المغناطيسية، وتوفير الحماية السلبية باستخدام مصادر الكترونية أو المياه المخزنة في جدران المركبات الفضائية، وكل طريقة لها مبادلات، وتشتغل الدروع الكهربائية بجسيمات عالية الطاقة ولكنها أقل فعالية.

وبالنسبة للرحلة إلى المريخ، التي تستغرق ما يقرب من ستة إلى تسعة أشهر، فإن الجرعة الإشعاعية تراكمت بصورة مطردة، وبدون توفير درع نشط، يمكن أن يتجاوز رواد الفضاء الحدود القصوى للإشعاع مدى الحياة في وقت مبكر من البعثة، مما يحد من قدرتهم على استكشاف سطح الأرض أو سير العلوم، ويمكن أن يؤدي توفير الدرعات البحرية، إذا ما تحقق بالكامل، إلى الحد الأقصى المقبول، مما يتيح إقامة أطول وبعثات متعددة، مما يترتب عليه آثار عميقة على استدامة الوجود البشري.

وفي ضوء المستقبل، يمكن أن يتيح الدرع المغناطيسي للبعثات المجهزة إلى حزام الكويكبات، أو قمر جوفيان، أو حتى رحلات سلائفية بين النجوم، وبما أن السفر عبر المركبات الفضائية بعيدا عن الشمس، فإن الحماية الطبيعية للغلاف الجليدي تزداد كثافة الأشعة الكونية، وأن الدرع النشط يصبح حاسماً للبقاء، علاوة على ذلك، فإن نفس الحقل المغناطيسي المستخدم لحماية الإشعاع يمكن أن يُستغل أيضاً من أجل الحصول على فوائد الأشعة.

أوجه التآزر مع الانطلاق النووي

كما أن نظم الدفع الحراري النووي أو النووي للكهرباء تنتج كميات كبيرة من الطاقة، يمكن تقاسمها مع درع مغناطيسي، كما أن المركبة الفضائية ذات الطاقة النووية ستكون بحاجة إلى ميزانية للطاقة للحفاظ على حقل مغناطيسي قوي باستمرار، بالإضافة إلى أن المفاعل النووي نفسه يولد إشعاعا يجب أن يُحمى من الطاقم، ويمكن للدروع المغناطيسية أن تؤدي واجبا مزدوجا بحماية كل من الجسيمات المفاعلة والإشعاع البيئي.

خاتمة

ويمثل التدريع المغنطييسي تكنولوجيا تحولية لاستكشاف الفضاء العميق، فهو عن طريق إنشاء طبقة مغناطيسية اصطناعية حول مركبة فضائية، يتناول أخطر وجه للملاحين الفضائيين في البيئة يتجاوز المدار الأرضي المنخفض، وفي حين أن متطلبات الطاقة واحتواء الحقل والنضج التكنولوجي لا تزال تشكل تحديات، فإن التقدم المحرز في جذب المغناطيسات ونظم الطاقة والنموذج المحوسب أمر مشجع.

ولن تحل أي تكنولوجيا بمفردها مشكلة الإشعاع، ومن المرجح أن يقترن التدريع المغناطيسي بتحسين المواد وتخطيط البعثات والتدابير الطبية، ولكن، كإستراتيجية حمائية أساسية، يتيح أفضل فرصة لإبقاء رواد الفضاء في مسافات طويلة أمامنا، وسيكون العقد القادم حاسماً مع انتقال النماذج الأولية من المختبرات إلى المدار، وصقل المهندسين التصميمات التي ستحمي في يوم من الأيام الأطقم الأولى للوصول إلى المريخ وما بعدها.