نُهج مبتكرة لاختبار المياه في البعثات الفضائية والبيئة الخارجية

فالمياه هي أهم مورد للحفاظ على الحياة البشرية خارج الأرض، إذ أن كل قطرة تستخدم في الشرب والنظافة، وإعداد الأغذية، وتوليد الأوكسجين، والتحكم الحراري يجب أن تستوفي معايير النقاء الصارمة، حيث أن وكالات الفضاء تخطط للبعثات إلى القمر والمريخ وما بعده، والقدرة على اختبار نوعية المياه بسرعة وبصورة موثوقة في الجاذبية الصغرية، والضغط المنخفض، والبيئات الإشعاعية الشديدة قد أصبحت متطلبا تقنيا غير قابل للتداول.

Unique Challenges of Water Testing in Extraterrestrial Environments

وتنشأ صعوبات اختبار المياه في الفضاء من مزيج من العوامل المادية والتشغيلية والبيولوجية، وتعطل الجاذبية الصغرى سلوك السوائل: فالفقاعات لا ترتفع، ولا تستقر الجسيمات، وتهيمن قوات الكبسولة على حركة السوائل، مما يجعل الأساليب الأرضية الموحدة مثل التليف المزود بالجاذبية، والرواسب، ومعظم التحليلات الكيميائية الرطبة غير موثوقة.

وتفرض المركبات الفضائية قيودا شديدة على الكتلة والحجم والطاقة، كما أن المطياف الكتلي أو مقياس التدفق المستخدم في المختبرات، وإن كان فعالا على الأرض، هو كبير جدا بالنسبة لكابس فضائي، كما أن الحاجة إلى قطع الغيار والمواد الاستهلاكية والمشغلات الماهرات تزيد من تعقيد عملية التبني، وبالإضافة إلى ذلك، فإن البيئة الإشعاعية في الأشعة الكونية المجرية الفضائية والظواهر الجسيمية الشمسية - يمكن أن تتدهور المكونات والمواد الاصطناعية المتكرر بمرور الوقت.

تحدٍّ حرج آخر هو التحكم في التلوث، قد لا تحتوي مصادر المياه على مجهّرات أرضية يحملها رواد فضائيون فحسب، بل أيضاً مركبات فضائية مجهولة، بل إن بروتوكولات الحماية الكوكبية () تتطلب عدم وجود بيئات حساسة كافية من المركبات الفضائية مثل المريخ أو اليوروبية ذات الكائنات الحية الأرضية.

كما أن المسافات القصوى للمواقف تؤدي دوراً، فالماء على أعمدة القمر يمكن أن يكون جليداً عند - 200 درجة مئوية، بينما بالقرب من كوخ مكثف قد يكون سائلاً عند 20 درجة مئوية.

نظم مصغرة للتشب والميكروفيليك

تمثل أجهزة التليفزيون على الشيب أحد أكثر الحلول واعدة لاختبار المياه الفضائية، وذلك بإدماج العينات، ومناولة السوائل، وغرف الرد، والكشف على رقاقة من حجم البطاقة الائتمانية، وتخفض نظم التكتل المحتوية على حرارة بدرجة كبيرة تكلفة الحمولة مع الحفاظ على الأداء التحليلي. Microfluidics - تلاعب المئات من المؤثرات في القنوات

In-Flight Bacterial Detection with Microfluidic Chips

وقد استضافت محطة الفضاء الدولية عدة تجارب مصغرة، حيث يمكن أن يُعد مشروع Microbial Monitoring Array) في مركز الفضاء التابع لوكالة ناسا جونسون، على سبيل المثال، رقائق تُعدُّ البطاقات البيرفلورية تلقائياً، وتُكبِّد حمضها النووي عن طريق تفاعل سلسلة البوليميراس (PCR)، وتكشف عن تسلسلات جينية محددة تستخدم بروفيروسات(22).

تحليل المحتوى الكيميائي باللوقود المصغرة المزودة بالورق

وهناك بديل واعد آخر هو جهاز تحليلي مصغر يستند إلى استخدام الورق (ميكروبا دي) وهذه الأجهزة تستخدم الورق المصمم كوسيلة مائلة، مما يزيل الحاجة إلى المضخات أو الطاقة الخارجية، كما أن العينة التي تطبق على التدفقات الورقية من خلال القنوات الهيدروفيلية إلى مناطق التفاعل التي تم رصدها مسبقا بواسطة أجهزة قياسية ذاتية اللون، وتقرأ التغييرات اللوغاريتمية بواسطة آلة تصويرية ذكية أو صفيفة صغيرة للصور الفوتوديوئية.

إدماج أجهزة الاستشعار الكيميائي الكهربي

وقد اشتمل العديد من أجهزة الترجيح على أجهزة استشعار Eelectrochemical impedance spectroscopy (EIS) ، وعندما تمر المياه على صفيفة الكهروديو، تكشف التغيرات في الإمراض عن وجود الملوثات المتوهجة، أو الجزيئات العضوية، أو الخلايا الحية.() وعلى غير ذلك، فإن أساليب الافتراض، تعمل في عينة أو ماء السحاب، وتستلزم في نفس الوقت.

أجهزة الاستشعار ذاتية الاصطناعية ونظم أخذ العينات الآلية

وستتعرض البعثات البشرية في نهاية المطاف لتجاوز المدار الأرضي المنخفض، حيث يستحيل التحكم في الوقت الحقيقي من الأرض، ويمكن أن تتخذ نظم اختبار المياه المستقلة، التي تستمد طاقتها من الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلاتي، قرارات منقسمة إلى ثانية بشأن قابلية المياه للشرب، وشذوذات العلم، بل أن تؤدي إلى اتخاذ خطوات علاجية دون انتظار التعليمات الأرضية.

شبكة الاستشعار الذكية لرصد الزمن الحقيقي

On the iSS today, the Portable Water Quality Monitor (PWQM), developed by the European Space Agency, uses a suite of sensors (pH, conductivity, turbidity, free chlorine, total organic carbon) to assess water quality every few minutes.

Rover-Based Water Analysis on Mars

(العملية) (العملية)

تقنيات جمع العينات وحفظها

وحتى مع الاستشعار المتطور، فإن سلامة العينات هي الأهم، فالماء الذي يتعرض له هواء المركبة الفضائية يمكن أن يستوعب بسرعة ثاني أكسيد الكربون أو الملوثات المستخرجة، ويغير كيميائيته، ولمنع هذه النظم، يجب أن تستخدم الحاويات المختومة والعقيمة. بروتوكولات الحماية الخلوية

Remote Spectroscopy and Non-Contact Analysis

بالنسبة للبيئات التي يكون فيها جمع العينات المباشرة مستحيلاً مثل المحيط تحت سطح القمري لـ(جوبيتر أوروبا) أو السباكات الجليدية للمياه من قمر (ساتر)

شبه بالأشعة تحت الحمراء ورامان سبيكتروسكوب

(الإطارات)

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

وتستخدم شركة " ليبس " نبضاً عالي الطاقة من الليزر لحرق كمية صغيرة من المواد وتحليل خطوط الانبعاثات الذرية المنبعثة، وهي ممتازة لاكتشاف الملوثات المعدنية وأملاح الجليد أو السوائل، ويمكن أن تستخدم أجهزة الترميز ذات الصلة بشبكة المياه المنخفضة، حتى أجهزة الصخور، في اختبارات الصخور.

Terahertz and Microwave Remote Sensing

ويمكن لمثل هذه المضارب المُستَنَعية أن تخترق السحابات وطبقات سطحية رقيقة لكشف المياه السائلة تحت سطح الأرض. يمكن أن تجمع بين أجهزة الرادار المتقدمة لسطح الأرض وأجهزة الرادار في الغلاف الجوي السفلي (MMARSIS Express)

تقنيات كشف المعلومات عن مسارات التحليل

وإلى جانب الأساليب المعروفة جيدا، يستكشف الباحثون النهج المتقطعة التي تحفز الحساسية والانتقائية على متطرفين جدد.

Microbial Fuel Cell Biosensors

(ب) تستخدم خلية وقود ميكروبي البكتيريا التي تستهلك المادة العضوية وتولد تياراً كهربائياً صغيراً، وبهندسة البكتيريا للرد على الملوثات المحددة، يمكن أن تكون ميغاواط بمثابة جهاز استشعار حي، وعندما يكون هناك جزيئات مستهدفة، فإن التحلل التراكمي التراكمي للأشعة المميتة يغيّنة، مما يغيّر في الوقت الراهن.

المدافعون عن النفس وكشفها عن طريق أبتامر - بسباق

يمكن ربط عناصر الاعتراف البيولوجي مثل الأجسام المضادة أو المبتذلة (الحمض النووي ذي الدهون الوحيدة أو جزيئات التلقيح النووي المضغي) بالكهرباء أو الأسطح البصرية، وعندما يكون الملوث المستهدف (مثلاً، مادة سمية محددة أو مسببة للأمراض) [مركبة كيميائية عالية الجودة]، فإنه يؤدي إلى حدوث تغيرات مميتة أو متفائلة أو ميكانيكية.

مباشرة في الموقع

(أ) في حين أن المطيافات الجماعية كبيرة تقليدياً، فإن التقدم في [المدارك العضوية الثابتة] والتي توفر مطيافاً عضوياً في أجهزة التحلل المائي (Me-S)

توجيهات المستقبل: الإدارة المتكاملة لنوعية المياه للبعثات الطويلة الأجل

والهدف النهائي هو إنشاء نظام لإدارة نوعية المياه غير متماسكة ومغلقة يقوم باستمرار برصد المياه ومعاملةها والتصديق عليها من أجل استخدامها في البشر، وستجمع المركبات والموائل الفضائية في المستقبل بين التكنولوجيات الموصوفة أعلاه في شبكة متكاملة للمشعرين.

دعم الحياة في إطار نظام " لوب " (Loop Life) مع إعادة التغذية الجيدة في الوقت الحقيقي

وفي بوابة القمر وقواعد المريخ المقبلة، سيعاد تدوير المياه من البول، وثدياد الرطوبة، وتجهيز الدقيق، ويجب اختبار كل حلقة مياه قبل دخول المياه إلى إمدادات الطاقة، وسيقيس جهاز الاستشعار المستقل الاضطرابات، والسلوك، والكربون العضوي الكلي، وأجهزة طلاء الجرثوم، وملوثات الهواء المضغوطة، وملوثات محددة في مراحل متعددة.

في الموقع، استخدام الموارد، وتوثيق المياه

عندما يتم قطع الثلج أو المريخي يجب أن يكون آمناً لاستخدام الطاقم، مصنع تجهيز المياه التابع للشركة سيوصل المياه الخام التي تحتوي على جسيمات غبارية جيدة، وأملاح مذوفة، وربما ملوثات ذات تركيزات عالية، ويجب أن يميز نظام اختبار المياه بين المعادن الناعمة والملوثات الضارة أثناء العمل باستمرار.

نقل التكنولوجيا إلى الأرض وتطبيقات الكوارث

فالابتكارات التي استحدثت لاختبار المياه الفضائية لها موازية مباشرة للأرض، إذ يمكن تكييف أجهزة الاستشعار المحمولة ذات الفلوريد العاملة في العيادات الميدانية النائية من التصميمات الفضائية، وكثيرا ما تحتاج أفرقة الإغاثة في حالات الكوارث إلى اختبار مصادر المياه بعد الزلازل أو الفيضانات، حيث يكون من المستحيل حمل مختبر تقليدي، كما أن نفس أجهزة قياس الماء الميكرومائية وأجهزة الاستشعار التي تعمل في بيئة مجهرية من السفن الفضائية يمكن استخدامها في مكثفات.

خاتمة

إن البحث عن مياه مأمونة خارج الأرض سيقود بعض أكثر هندسة الاستشعار غذائية التي تم تصورها على الإطلاق، ومن رقائق الفلوريك الورقية التي تكلف أقلامنا لإنتاجها، إلى المطياف الذري الذي يتم على متن طائرة عمودية، فإن تنوع النُهج يكتشف بضرورة مشتركة، وهي السرعة والحساسية والاستقلالية، ومع قيام الوكالات الفضائية بالمضي قدما نحو الوجود البشري الدائم في القمر والمريخ، فإن اختبار المياه سيُعِدُدُدُلَدُ من خلال عملية الانتقال

For further reading, visit the NASA ISS Water Quality Investigation], the ]ESA Water Monitoring page, and the JPL Europa Clipper mission for the latest developments in remote water characterization.