مستقبل الهندسة المدنية في استكشاف الفضاء والإنشاءات خارج الأرض

مقدمة: الهندسة خارج الأرض

إن الإنسانية تقف على عتبة مستقبل متعدد الكواكب، وستشهد العقود القادمة مواقع دائمة على القمر، وتحشد البعثات إلى المريخ، وتزداد طموحا في الهياكل الأساسية المدارية، وفي قلب هذه المساعي تكمن الهندسة المدنية، وليس كما نعرف، ويقتضي البناء الخارجي إعادة التفكير جذريا في المواد، والتصميم الهيكلي، واللوجستيات، وإدارة المخاطر.

التحديات البيئية الوحيدة للإنشاءات الخارجية

فالبناء في الفضاء أو في الهيئات السماوية الأخرى يهيئ ظروفاً متطرفة لا مثيل لها على الأرض، فهم هذه التحديات هو الخطوة الأولى نحو إيجاد حلول هندسية قابلة للاستمرار.

الجاذبية الصغرية والجاذبية الجزئية

ففي المدار، يسقط كل شيء في الخريف الحر، فتقنيات البناء التي تعتمد على الجاذبية - أي الخرسانة أو الكتل أو المستوطنة - تصبح مستحيلة، وعلى سطح القمر (1/6 من جاذبية الأرض) أو المريخ (1/3 من جاذبية الأرض)، وتغير قوى الجاذبية الدنيا ميكانيكي التربة، والاستقرار الهيكلي، وسلوك السوائل، ويجب على المهندسين تصميمها لتقليل الحمولات الميتة، ولكن زيادة الحساسية للذبات البشرية والحمول الدينامية من المعدات.

درجة الحرارة القصوى

وعلى سطح القمر، تتراوح درجات الحرارة بين - 173 درجة مئوية ليلا و 127 درجة مئوية خلال النهار، مع سرعة التدوير عند شروق الشمس والغروب، ويجب أن تصمد المواد أمام التوسع والانكماش الحراريين دون كسر أو فقدان السلامة، كما أن المريخ يقدم بعض التأرجحات المبتسمة (من 125 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية) ولكنه أيضاً يختبر عواصف غبارية عالمية يمكن أن تحجب ضوء الشمس لأسابيع، وتؤثر على الطاقة والتنظيم الحراري.

الإشعاعات والستيرويدات الدقيقة

وبدون أجواء وقائية أو غلاف مغناطيسي، يتعرض رواد الفضاء والهياكل للأشعة الكونية المجرية والظواهر الجسيمية الشمسية، كما يلزم توفير طبقات حشرية أو مواد درعة متخصصة، بالإضافة إلى ذلك، فإن التأثيرات على الكائنات المجهرية - المشتركة على القمر والمريخ - تتطلب أجساما خارجية مرنة واستراتيجيات إصلاح.

الابتزاز والكيمياء

إن إعادة تأجير القمر والمريخ حادة ومفتوحة ومتفاعلة كيميائياً، وغبار القمر محمل بالكهرباء ويلصق بالأسطح، ومفاصل التنظيف والمعدات الضارة، ويحتوي إعادة الغبار المريخي على كلورات تشكل مخاطر سمية، ويجب على المهندسين المدنيين اختيار المواد والملابس التي تقاوم الإغراق والتلوث، وتطوير تقنيات الحد من الغبار لمفاصل البناء.

استخدام الموارد في الموقع: بناء ما تجد

إن مواد النقل من الأرض باهظة التكلفة - فالتقديرات الحالية تتجاوز ٠٠٠ ١٠ دولار للكيلوغرام الواحد للوصول إلى القمر و ٠٠٠ ١٠٠ دولار لكل كيلوغرام للمريخ، والطريق الوحيد المجدي اقتصاديا هو استخدام المواد الخام المحلية، وهي استراتيجية معروفة باستخدام الموارد في الموقع.

مواد البناء المعادية القاعدة

وقد استحدث باحثون في وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا " خرسانة من مادة اللوان " مصنوعة من مادة العيد والعامل الملزم، ويمكن تجهيز خرسانة الكبريت (تثبيت الكبريت مع الكبريت) عند درجات حرارة منخفضة ودرجات دقيقة، كما يجري استكشاف الموائل المهددة باستخدام المياه المستخرجة من الودائع الجليدية.

المياه بوصفها موارد أساسية

يوجد جليد المياه في أجهزة التهوية المظلة باستمرار وتحت سطح المريخ، حيث إن استخراج المياه وتنقيتها يدعم نظم دعم الحياة، والتدفئة الإشعاعية (المياه ممتصة ممتازة للإشعاع)، ويمكن تقسيمها بالكهرباء إلى الهيدروجين والأكسجين من أجل وقود الصواريخ، ويجب على المهندسين المدنيين تصميم شبكات استخراج وتخزين وتوزيع تعمل بصورة موثوقة في بيئة منخفضة الجاذبية.

استخراج المعادن وصنعها

(أ) توجد عمليات صهر نوافذ، مثل التلقيح المغناطيسي أو ردود الفعل الحرارية، يمكن أن تستخرج المعادن دون الحاجة إلى مصافي كبيرة من الطراز الأرضي ويمكن تغذية هذه المعادن مباشرة إلى 3D طابعة تعمل على إحداث مكونات هيكلية وأدوات وأجزاء من التصليح.

التصميم الهيكلي للموئلات الخارجية

ويجب أن تؤدي الهياكل الخارجية مهام متعددة: توفير الحماية من الإشعاعات والميكروميوريدات، وتنظيم الضغط الداخلي، وتوفير العزل الحراري، وضم الأنشطة البشرية - وكلها تُبنى بمعدات محدودة في بيئة عدائية.

الهيكل التنظيمي والمنفتح

والحل الأكثر إلحاحا هو اتباع نهج هجين باستخدام نماذج صلبة أطلقت من الأرض مقترنة بتلويثات قابلة للالتهاب، وتوفر المصابيح نسبة عالية من الحجم إلى الكتلة ويمكن توسيعها بعد الهبوط بالضغط الداخلي، وقد أثبتت نماذج الطاقة الكثيفة الواسعة النطاق في الفضاء الجوي في محطة الفضاء الدولية قدرة الهياكل المشتعلة على الاستمرار في المدار.

الجيوديسيات الدواسات والخياطة المغلقة

وبالنسبة للفضاءات الداخلية الكبيرة - المناطق الزراعية، والمناطق الترفيهية، أو المستوطنات الحضرية - التصاميم الجيوديسية أو الأرخية توزع حمولات بكفاءة تحت الضغط الداخلي وثقوب التربة الخارجية، ولأن الجاذبية أقل، يمكن أن تكون العواصف أكبر من الأرض، ولكن يلزم تحليل دقيق للخلايا المتشابكة لحصر التقلب الحراري والتفاضل في تركيب الأساس، وتعتمد هذه الهياكل عادة على ثلاث قذائف صلبة.

الموائل المدفنة لدروع الإشعاع

A fish layer of regolith (2-3 meters on the Moon, 1 -2 meters on Mars) provides equivalent protection to Earth’s atmosphere. The simplest approach is to dig a trench, place a habitat module, and cover it with excavated material. More advanced designs involve 3Dprinting vaulted arubches over a pre-placed capsule, then backfilling with regolith.

مؤسسة في مجال الحد من الجاذبية

إن إعادة تأجير القمر والمريخية غير مستقرة وجافة ومعقدة للغاية، وفي ظل انخفاض الجسامة، تخفض القدرات ذات الصلة، ولكنها أيضا حمولات، وقد يوفر الاقتران الديناميكي مع المشغلات المهتزة )المتطورة لتطبيقات القمر( أو الترسيب الكيميائي باستخدام أجهزة ربط البولمير، أسسا مستقرة للموائل وأرباب الهبوط، وقد توفر أكوام الهل الهلية - المخروطة الطويلة الملتوية في الأرض.

التشغيل الآلي والروبوت

وسيكون الوجود البشري على سطح القمر أو المريخ في البداية خطيرا جدا أو مكلفا بالنسبة للبناء اليدوي المباشر، وسيؤدي الجهاز الآلي إلى معظم عمليات إعداد المواقع وتجهيز المواد والتجمع وإنهاء العمل.

أجهزة آلية وتشييد تعاونية

ويمكن للآليات الصغيرة والبسيطة المتعددة التي تعمل في الأفرقة أن تحقق مهام معقدة مثل حفر الخنادق، أو تكديس أكياس إعادة التجميل، أو تركيبات الصخور المدمجة، وكل آلي يتواصل مع الآخرين ومع متحكم مركزي، ويتكيف مع الظروف المتغيرة. وقد أثبت مشروع البناء الذي وضعته الهيئة الدولية للمساحة () ، تجميعا روبوتيا منسقا للموائل المتوسطة الحجم.

الحفريات الذاتية وصناعة المواد المضافة

وسيحفر المفرزات الآلية الكبيرة، مثل تلك المستخدمة في التعدين ولكن مكيفة لتدني درجة الجاذبية والغبار البدائي، أسساً ويجمعون من جديد الخام، وستغذي هذه المحافر نظماً متنقلة للطباعة ذات الـ 3D تفجر الجدران والطابقات وأعمدة الدعم. وقد سبق اختبار الطباعة الصفرية على الرحلات الجوية المشابهة، وطباعة وكالة الفضاء الأوروبية

Telepresence and Teleoperation

وبالنسبة للمهام التي تتطلب حدساً بشرياً، فإن المشغلين على الأرض أو في المدار سيتحكمون في الروبوتات عن طريق التخاطرات في الوقت الحقيقي - مع تأخيرات كبيرة في حالات الطوارئ (1-2 ثانية للقمر، 4-24 دقيقة للمريخ) (حيث يتعامل الروبوت مع تجنب الاصطدام المحلي بينما يسترشد المشغل بالقرارات الرفيعة المستوى) هو مجال رئيسي من مجالات البحث.

نظم دعم المصانع البشرية والحياة

فالهندسة المدنية في الفضاء تمتد إلى ما وراء القذائف والمؤسسات، ويجب أن يدعم الموئل نظاما مغلقا لدعم الحياة يعيد تدوير الهواء والماء والنفايات، ويحافظ على بيئة مريحة لصحة الطاقم وإنتاجيته.

تكامل النظم الميكانيكية والهيكلية

ويجب أن توجه قنوات الزرع، والوحدات الكهربائية، وأنابيب المياه، وكابلات البيانات عبر الجدران والسقف دون المساس بالسلامة الهيكلية أو التدفئة الإشعاعية، ويجري تطوير الألواح المدمجة - شبيهة بالألواح الهيكلية المزروعة بالأرض - بمكونات دعم الحياة المدمجة، كما أن أجهزة الاستشعار التي تعمل بالكشف عن الكتائب وتكرار الخيط هي عوامل حاسمة لأن الفشل الوحيد يمكن أن يؤدي إلى حدوثه.

الاعتبارات الصوتية والنفسية

ويمكن أن تصبح الموائل المشتعلة والمعادن حجرات صدى، ويجب تخفيض عدد المعجبين والمضخات والآلات، وتوفير الأماكن الخاصة للحد من الإجهاد أثناء بعثات طويلة الأجل، كما أن محفزات الإضاءة الطبيعية والنباتات ونوافذ الواقع الافتراضية تشكل جزءا من موائل المهندس المدني من أجل خلق مناطق صحية نفسية.

دور المهندسين المدنيين في برامج الفضاء

وقد ركز المهندسون المدنيون عادة على الجسور والسدود والمباني، أما بالنسبة للفضاء، فيجب أن يصبحوا خبراء في البيئات القصوى، ووحدة الاستخبارات الدولية، والروبوتية، والتكامل بين النظم، وستشمل مسؤولياتهم ما يلي:

• Site selection and assessment:] Evaluating terrain stability, subsurface ice, and solar availability using remoteens and rovers.
• Material testing and certification:] Developing standards for regolith — concrete, composites, and inflatable fabrics under vacuum and radiation.
• Structural health monitoring:] Embedding sensors to detect cracks, leaks, or fatigue across the habitat lifecycle.
• ] Regulatory and risk management:] Ensuring compliance with developments international space treaties and safety protocols for crewed missions.
• Life —Life — cycle planning:] Designing for expansion, repair, and eventual decommissioning - all within the constraints of a closed —

وتقدم برامج الجامعة الآن دورات دراسية مكرسة في الهندسة المدنية الفضائية، كما تقوم وكالات مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية بتوظيف خريجين من ذوي الخلفيات في الهندسة الجيولوجية والتقنية، وعلوم المواد، والروبوتات.

دراسات الحالات: الموئل المخطط والتصوري

وهناك عدة مشاريع رئيسية تمثل خريطة الطريق للهياكل الأساسية الخارجية، وهي ليست خيال علمي - وهي قيد التطوير الفعلي.

معسكر قاعدة أرتيميس في ناسا

ويهدف برنامج آرتيميس إلى إعادة البشر إلى القمر وإنشاء قاعدة دائمة بالقرب من القطب الجنوبي، وستتألف القاعدة من وحدات سكنية، وغطاء مكثف، وبنية أساسية سطحية مثل قطع الأرض والطرق وشبكات الطاقة، ويركز البناء الأولي على استخدام وحدات جاهزة من الأرض، ولكن المراحل اللاحقة ستتضمن هياكل إعادة إزالتها بواسطة ثلاثية الأبعاد " أرض الأطقم " ومفهوم المفاعل النووي.

SpaceX Starship Habitat

أما سفينة الفضاء " ستارسي " فهي مصممة على أنها نظام إطلاق قابل لإعادة الاستخدام تماما قادر على نقل ما يصل إلى ١٠٠ شخص إلى المريخ، ويمكن تقسيم الحجم الداخلي الكبير للسيارة )حوالي ٠٠٠ ١ متر مكعب( إلى كوخ خاص، ومجالات مشتركة، ومختبرات، ومدافن، ولأن السفينة " ستار " نفسها ستهبط على المريخ، فإن أول موائل هي أساسا السفينة نفسها، وسيشمل التوسع فيما بعد مضافات متنقلة من النجمية مدفونة وديعة.

قرية قمر وكالة الفضاء الأوروبية

إن رؤية وكالة الفضاء الأوروبية بشأن " قرية مون " هي تسوية غير حكومية متعددة الأغراض يمكن أن تشمل مرافق علمية وتجارية وسياحية، وتشمل العناصر الرئيسية ثلاث دُفعات مطبعة تغطيها إعادة الهيكلة، ومحطات كبيرة في الموقع لتجهيز الموارد، وشبكة للطاقة موزعة تستخدم مصادر الطاقة الشمسية والنووية.

الاستدامة والعمليات الطويلة الأجل

إن بناء موئل لمرة واحدة هو البداية فقط، ولكي تزدهر التسوية، يجب أن تكون الهياكل الأساسية قابلة للاستمرار، وأن تكون قابلة للتوسع، وأن تكون مكتفية ذاتيا في نهاية المطاف.

كُلّمات مُغلقة

وستتم معالجة النفايات إلى مواد خام: النفايات العضوية المثبتة أو المستخدمة في المفاعلات الأحيائية، والمعاد تدويرها، واللدائن الموزعة، وسيصمم المهندسون المدنيون محطات لإعادة التدوير تكون مناسبة في نطاق الموئل وتعمل بأقل قدر من الطاقة والتدخل البشري، والهدف هو تناول النفايات القريبة من الزيرو - وهو ضرورة عندما تكلف البعثات المزودة بإمدادات بلايين الدولارات.

درب الاكتفاء الذاتي

ومع نمو المستوطنات، سيتناقص الاعتماد على الأرض، وسينتج التصنيع في الفضاء الخارجي مواد البناء، وقطع الغيار، بل وحتى الأغذية مباشرة من الموارد المحلية، وفي نهاية المطاف، يمكن بناء موائل جديدة بالكامل من مواد الاتحاد الدولي للإنشاء والتعمير - وهو أحذية حقيقية، ويتطلب ذلك من المهندسين المدنيين التخطيط للتوسع التدريجي، حيث يمكن إنشاء كل وحدة أو هيكل جديد من ناتج الوحدات السابقة.

وقف التشغيل واللجوء

وحتى في العوالم الأخرى، فإن الهياكل لها عمر محدد، ويجب أن تعالج الخطط كيفية إزالة الموائل البالية الصلاحية بأمان، وإغلاق المناطق الملوثة، والحفاظ على القطع الأثرية التاريخية لأجيال المستقبل من المستكشفين، وستكون الجهود الهندسية الرامية إلى " ترك أي أثر " على البيئات المعمارية مثل أعمدة القمر متطورة بقدر ما كان عليه البناء الأصلي.

الاستنتاج: الجبهة التالية للهندسة المدنية

وتشهد الهندسة المدنية ثورة هادئة، فالمهارات والمعارف اللازمة لدعم الحياة في كوكب آخر تؤدي إلى الابتكار في مجال علوم المواد، والتشغيل الآلي، وتصميم النظم التي ستحسن أيضا البناء على الأرض - من المباني المقاوم للكوارث إلى مواقع البناء المستقلة، ومستقبل الهندسة المدنية في مجال استكشاف الفضاء ليس خيالا بعيد المنال، ويجري تصميمه واختباره وتمويله اليوم، وسيساعد المهندسون الذين يحتضون هذه الحدود على كتابة الفصل التالي من حضارة الإنسان، وهو موئل واحد.