نظام الابتكارات في مجال دعم الحياة الهندسة اللازمة لمهام المريخ

The next Frontier: Engineering Life Support for Mars

بينما تُحدّد البشرية مشاهدها على إنشاء وجود دائم للمريخ، فإن التحديات الهندسية أصبحت واضحة بشكل متزايد، خلافاً لمحطة الفضاء الدولية التي تتلقى بعثات إعادة إمداد منتظمة، فإن مهمة المريخ ستتطلب نظماً لدعم الحياة تعمل بشكل مستقل لسنوات في وقت ما، مع الحد الأدنى أو عدم وجود موائل خارجية، ويجب تصميم النظام بأكمله من الأرض لإعادة تدوير جميع الموارد بينما يُبقي على بيئة (جونسوناس) الفضائية غير مُغتظّبة.

The Unique of Mars' Environmental Constraints

ولا يمكن للمريخ أن يقدم أي من هذه المزايا، فالجو يبلغ 95 في المائة من ثاني أكسيد الكربون عند ضغط لا يتجاوز 0.6 في المائة من مستوى سطح الأرض، ودرجة الحرارة السطحية تتراوح بين 125 درجة مئوية في القطب خلال الشتاء و20 درجة مئوية في خط الاستواء في الصيف، وتصل القيود على الإشعاعات الشمسية التي لا تُخفّض من خلال مجرى إشعاعي مغنطي، إلى درجة حرارة سطحية عالية.

المهام الأساسية لدعم الحياة والتحديات الهندسية

ويجب أن يوفر موئل المريخ خمس وظائف أساسية: الهواء الصالح للتنفس، والمياه الصالحة للشرب، والغذاء المغذي، وتجهيز النفايات، والتنظيم الحراري، وكل منها يشكل عقبات هندسية فريدة تتطلب حلولا مبتكرة.

إدارة الغلاف الجوي

ويستلزم الحفاظ على مناخ قابل للتنفس داخل موائل المريخ استمرار إزالة ثاني أكسيد الكربون، وتجديد الأكسجين، ومراقبة الملوثات التعقبية، وإدارة الرطوبة والضغط، ويستند النهج الأساسي إلى التكنولوجيات التي ثبتت على محطة الفضاء الدولية، مثل جمعية إعادة أكسيد الكربون ونظام توليد الأوكسجين، ولكن بعثات المريخ تتطلب كفاءة وموثوقية أكبر، ويجب أن تستعيد الغلاف الجوي درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون.

استعادة المياه وإعادة تدويرها

فالماء هو الأثقل الذي يمكن أن يُطلق من الأرض، مما يجعل إعادة التدوير أمراً أساسياً، إذ أن محطة الفضاء الدولية تسترد حوالي 90 في المائة من مياه الفضلات، ولكن يجب أن تقترب بعثة المريخ من 100 في المائة، وهذا يعني أن تُسرب كل خليط من الماء، بما في ذلك ثغرة الماء من الارتداد والرطوبة في هواء الكابينة، ومن الابتكارات الواعدة استخدام أجهزة الاكسجين الأمامية التي تعمل في انخفاض الضغط عن النفايات العكسية التقليدية.

الإنتاج الغذائي والتغذية

إن حمل جميع الأغذية لبعثة المريخ المتعددة السنوات أمر مُحظر بسبب القيود الكتلية والحجمية، كما أن نمو الأغذية على المريخ ليس مجرد ملاءمة بل ضرورة للبقاء على مدى فترة طويلة، كما أن البحوث الجارية تركز على نظم النمو الهيدروبوني والهوائي التي تستخدم حلولاً مغذية، وتُعتبر الإضاءة على المصانع ذات تأثير مُثبط للصور النباتية.

إدارة النفايات

إن النفايات البشرية، والكتلة الأحيائية النباتية غير القابلة للأكل، وغيرها من المنتجات الثانوية العضوية يجب تجهيزها لاستعادة المياه والمغذيات والطاقة، ويمكن لنظم الترسبات التي تستخدم المجتمعات المجهرية أن تكسر المادة العضوية في مواد شبيهة بالتربة لنمو النباتات، مع سد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وبدلاً من ذلك، يمكن أن يدمر الوصلات المسببة للإصابة بالمرضات وينتج الطاقة الحيوية.

نظم مغلقة: الطريق إلى الاكتفاء الذاتي

ويؤدي نظام دعم الحياة في مكان مغلق إلى التقليل إلى أدنى حد من الحاجة إلى مدخلات خارجية عن طريق إعادة تدوير جميع الموارد داخل الموئل، ويجري اتباع نهجين واسعين هما: الإبداع الأحيائي والفيزيائي، ومن المحتمل أن يكون النظام النهائي عملياً هجيناً يستخدم العمليات البيولوجية في مجال الطاقة المنخفضة، وإعادة تدوير المد الطويل، والنظم الفيزيائية في التجهيز العالي الجودة والموثوق به.

دعم الحياة المولدة للتنوع البيولوجي

إنتاج المواد الكيميائية و الأشعة المتطورة في المصانع و التخديرات المحتوية على ماء مُستمر و مُنتجات مُعدية مُعدية و مُعدية مُتَعَلَّمَة

النظم الكيميائية

وتعتمد النظم الفيزيائية على ردود الفعل الكيميائية والعمليات الفيزيائية بدلا من الكائنات الحية، وتشمل مفاعلات ساباتييه التي تحول ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين إلى الميثان والمياه، ووحدات توليد المياه التي تقسم المياه إلى الهيدروجين والأكسجين، ونظم الكهروليت الصلبة التي تستخرج الأوكسجين مباشرة من ثاني أكسيد الكربون، وتتمثل ميزة هذه النظم في أنها ذات طابع محدد تماما ويمكن تصميمها على أشكال محددة من قبل.

استخدام الموارد في الموقع كتغيير في لعبة

إن الإيسو آرو هي ممارسة استخدام الموارد المحلية لإنتاج المواد الاستهلاكية التي تحتاج إلى إطلاقها من الأرض، أما في المريخ، فإن الإيسو ثلاث تطبيقات أولية هي: استخراج المياه، وإنتاج الأكسجين، وتوليد الوقود، وقد قام مركز مارشال للطيران الفضائي باختبار نظام يستخرج المياه من إعادة غسيل المريخ بواسطة تدفئةه لإطلاق المواد المحتوية على أسطح معدنية، وقد حقق النظام معدلات لاسترداد المياه تزيد على 90 في المائة في المختبرات.

الحصول على المياه من المريخ

يحتوي التراب المريخي على ما بين 2 و60 في المائة من الماء حسب الكتلة، تبعاً للموقع والعمق، وقد وضع مختبر إنتاج المياه المهددة بالهواء الرئوي في ناسا نظاماً متطوراً من عمليات النظم السطحية المتطورة يمكن أن يحفر ويسخن ويجمع بخار الماء من التربة، ويُكدس الزهر ثم يُنقَى من خلال نظام تلفيق متعدد المراحل.

إنتاج الأوكسجين من الغلاف الجوي

(ب) إنَّ تصريفات المريخ تبلغ 95 في المائة من ثاني أكسيد الكربون، ويمكن أن تنتج منه وسيلة من هذه الوسائل، الأولى هي التحلل الكهرومغناطيسي الصلب، حيث يسخن ثاني أكسيد الكربون إلى 800-1000 درجة مئوية ويقسم إلى أول أكسيد الكربون والأكسجين، ويمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون كوقود أو أكثر تجهيزاً، حيث تُظهر طريقة إنتاج ثاني أكسيد الكربون في المار أوكسيدين في الموقع.

مواد البناء والوقود

ويمكن أن تنتج وحدة خفض الانبعاثات بعد دعم الحياة مواد البناء والوقود، ويمكن دمج إعادة التلويث المريخي في الطوب أو التقطع باستخدام الموجات الدقيقة لتكوين مواد بناء صلبة، ويمكن استخدام الميثان من تفاعل ساباتيير كوقود لبعثات العودة، بينما يمكن أن يكون الأكسجين بمثابة أكسيد، وقد أظهرت جامعة كاليفورنيا، سان دييغو عملية تستخدم أحادي أكسيد الكربون والهيدروجين البلاستيكية لإنتاج مواد بلاستيكية.

دمج الاستخبارات الفنية والتلقائية

وسيبتعد موائل المريخ عن التدخل البشري في الوقت الحقيقي، ويعني التأخير في الاتصالات الذي يتراوح بين 4 و 24 دقيقة أن أي فشل في النظام يتطلب استجابة فورية يجب أن يُعالج بصورة مستقلة، ويجري تطوير نظم معلومات استخباراتية وتعلم آلي لرصد جميع وظائف دعم الحياة، والتنبؤ بالفشل قبل حدوثها، وتنفيذ إجراءات تصحيحية بدون مدخلات بشرية، مثلاً يمكن لنظام " AI " أن يكشف عن انخفاض تدريجي في كفاءة توليد الأوكسجين، وبيانات التطهير.

وتقوم جامعة تكساس في أوستن بتطوير نماذج رقمية توأمة لنظم دعم الحياة تحفّز كل عنصر في الوقت الحقيقي، وتغذي هذه النماذج ببيانات الاستشعار ويمكنها التنبؤ بسلوك النظام قبل ساعات أو أيامه، مما يتيح الصيانة الاستباقية، وإذا أظهرت نقطة الضخ علامات ارتداء، يمكن للتوائم الرقمي أن يقدر مدى صلاحيته المتبقية، وأن يُحدّد بديلاً قبل حدوث الفشل، وهذه القدرة ضرورية للبعثات التي تكون فيها قطع الغيار محدودة، ويجب استخدام أقصى قدر ممكن من المكائن.

إعادة التوحيد، والوثوقية، وسلامة الكرو

ولا يمكن أن يؤدي أي نظام لدعم الحياة إلى نقطة فشل واحدة، إذ أن تصميم المهندسين بطبقات متعددة من التكرار: كل وظيفة حرجة مدعومة بنظمتين مستقلتين على الأقل، وغالبا ما تكون ثلاثة أو أكثر، فعلى سبيل المثال، يمكن توفير الأكسجين بواسطة وحدات الكهرباء الملوثة بالمياه، أو بواسطة خلايا الكهرموز الصلبة من ثاني أكسيد الكربون، أو عن طريق إطلاق صهاريج للأكسجين المخزن، أو عن طريق إنتاج بيولوجي من النباتات.

البحوث والاختبارات الحالية

العديد من المرافق في العالم هي اختبار نظم دعم الحياة المتكاملة تحت ظروف المريخ المحاكاة، ودليل أبحاث استكشاف الإنسان في (ناسا) في مركز (جونسون) الفضائي يُدير مهاماً تصل إلى سنة واحدة في موائل المريخ المحاكاة، ويختبر موثوقية معدات دعم الحياة وأداءها، ووكالة (هاواي) تُدير عمليات التخزين الطويلة في بيئة شبيهة بالمريخ الأوروبية،

الاتجاهات المستقبلية للبعثات الطويلة الأجل

وسيشهد العقد القادم نشر محطة الفضاء في البوابة في مدار القمر، التي ستشكل أرضاً بارزة لتكنولوجيات دعم الحياة في الجيل القادم، كما أن عودة برنامج آرتيميس إلى القمر ستتيح فرصة لاختبار نظم الطاقة الكهربائية على نطاق واسع، واستخلاص المياه من إعادة التدفئة، وإظهار إنتاج الأكسجين والوقود، كما أن هذه البعثات ستتقاعد وتثبت صحة النظم المطلوبة للمريخ المصممة فيما بعد،

خاتمة

إن هندسة نظم دعم الحياة للمريخ هي أحد أكثر التحديات تعقيداً ومكافأة في مجال الرحل الفضائي البشري، ويتطلب إدماج الكيمياء، والبيولوجيا، والفيزياء، وعلم المواد، والاستخبارات الاصطناعية، والعوامل الإنسانية في نظام واحد ومتماسك، كما أن التقدم المحرز خلال العقد الماضي لا يُذكر، كما أن إعادة تدوير الأجهزة المغلقة، وعملية إعادة التدوير الذاتي لم تعد مفاهيم نظرية وإنما يجري اختبارها في المختبرات والموائل الدوّنة.