لسنوات عديدة، وُصِف الفضاء بأنه بيئة شاسعة وفارغة تقريبًا.
ولكن في الواقع، فإن مدار الأرض يروي قصة مختلفة تمامًا.
>لقد أصبح المكان مزدحمًا بشكل متزايد،-سريع الحركة، ولا يمكن التنبؤ به.
ووفقا لوكالة ناسا، هناك أكثر من 500 ألف قطعة من الحطام الفضائي تدور حاليا حول الأرض. وتشمل هذه الأقمار الصناعية البائدة، والشظايا الناتجة عن الاصطدامات، ومكونات الإطلاق المتبقية.
وتسافر جميعها بسرعة تصل إلى 28000 كيلومتر في الساعة، وهي سرعة كافية لإحداث أضرار جسيمة للمركبة الفضائية العاملة.
والقلق لم يعد نظريا.
لماذا أصبح الحطام الفضائي تحديًا هندسيًا بالغ الأهمية
الفضاء لم يعد "فارغاً".
بالنسبة لمشغلي الأقمار الصناعية ومهندسي الفضاء، فقد أصبحت هذه البيئة التشغيلية -شديدة الخطورة.
حتى الأجزاء الصغيرة يمكنها:
- إتلاف لوحات الأقمار الصناعية
- ثقب التدريع المركبة الفضائية
- تهدد محطة الفضاء الدولية
- فرض التعديلات المدارية الطارئة
لقد أكدت وكالة ناسا أن الخطر الأكبر يأتي من الحطام الذي لا يمكن تتبعه{{0}، والذي لا يمكن مراقبته بشكل مستمر ولكنه لا يزال يحمل طاقة مدمرة.
بعبارة أخرى:
>الخطر الأكبر هو ما لا نستطيع رؤيته في الوقت المناسب.
الأساليب الحالية: التتبع والتجنب
تعتمد وكالات الفضاء حاليًا على استراتيجيتين رئيسيتين.
1. أنظمة التتبع المداري
تحتفظ ناسا ووزارة الدفاع الأمريكية بكتالوجات مفصلة للغاية للأجسام المدارية المعروفة.
وهذا يسمح للمهندسين بالتنبؤ بمخاطر الاصطدام المحتملة.
2. مناورات تجنب الاصطدام
تم تجهيز الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية بأنظمة -مدمجة يمكنها ضبط مسارات المدار عند اكتشاف خطر الاصطدام.
ومع ذلك، فإن كلا النهجين يشتركان في القيود:
>إنهم يتجنبون الحطام-لكن لا يقومون بإزالته.
النهج الياباني المبتكر: مفهوم "شبكة صيد الأسماك" الفضائية
وتستكشف وكالة الفضاء اليابانية JAXA حلاً مختلفًا.
بدلاً من تتبع الحطام فقط، تتمثل الفكرة في إزالته بشكل فعال.
ولتطوير هذا المفهوم، تعاونت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية مع خبير غير متوقع في الصناعة:
>شركة تصنيع شباك صيد يابانية تتمتع بخبرة تزيد عن 100 عام في مجال هندسة الشباك.
أدى التعاون إلى تطوير نظام الحبل الكهروديناميكي.
ومن المثير للاهتمام، أنه في سلسلة توريد المواد الصناعية وراء هذه-مكونات الطيران عالية الأداء، تدعم شركات مثل Jiangsu Cunrui Metal Products Co., Ltd. أيضًا الصناعات الهندسية ذات الصلة عن طريق توفير مواد السبائك المتقدمة مثل Inconel، والفولاذ المقاوم للصدأ، والسبائك-النيكل- ذات القوة العالية، والتي تُستخدم بشكل شائع في بيئات الطيران الصعبة والبيئات ذات درجات الحرارة العالية-.
نظام الحبل الكهروديناميكي
يشبه الهيكل الذي طورته وكالة استكشاف الفضاء اليابانية شبكة طويلة ورفيعة خلف المركبة الفضائية.
على الرغم من أنها ليست شبكة تقليدية في الشكل، إلا أنها تشترك في مفهوم رئيسي:
>بنية شبكية مرنة وعالية القوة- مصممة للتفاعل مع الأجسام الخارجية الموجودة في المدار.
اختارت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية تصميمًا شبكيًا بدلًا من كابل واحد لسبب واحد مهم:
مقاومة أعلى للكسر
متانة أفضل في ظل ظروف التأثير
تحسين الموثوقية في البيئات الفضائية
وهنا أصبحت خبرة Nitto Seimo، الشركة المصنعة لشباك الصيد، ذات قيمة.
كيف يعمل النظام
ولا "يلتقط" النظام الحطام ماديًا بالمعنى التقليدي.
وبدلا من ذلك، فإنه يستخدم البيئة الكهرومغناطيسية للأرض.
الخطوة 1: النشر
تطلق المركبة الفضائية حبلًا طويلًا خلفها، يبلغ طوله في البداية حوالي 700 متر.
الخطوة 2: انبعاث الإلكترون
يطلق باعث الإلكترون الموجود على متن الطائرة جسيمات مشحونة في الفضاء.
الخطوة 3: التفاعل الكهربائي
يجمع الحبل هذه الإلكترونات ويصبح مشحونًا كهربائيًا.
الخطوة 4: السحب الكهرومغناطيسي
يتفاعل الحبل المشحون مع المجال المغناطيسي للأرض، مما يولد قوة الكبح.
الخطوة 5: الاضمحلال المداري
يتباطأ الحطام الفضائي تدريجياً ويتحرك إلى مدار أقل.
الخطوة 6: إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي-.
وفي نهاية المطاف، يدخل الحطام الغلاف الجوي للأرض ويحترق بأمان.
تحجيم التكنولوجيا
الإصدارات التجريبية الحالية لا تزال قيد التطوير.
وبحسب المهندسين المشاركين في المشروع:
طول الحبل الحالي: ~ 700 متر
المتطلبات المستقبلية: من 5000 إلى 10000 متر
ستؤدي الحبال الأطول إلى زيادة كفاءة الكبح والقدرة على إزالة الحطام بشكل كبير.
وقد أجرت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية بالفعل بعثات اختبارية متعددة، بما في ذلك:
نشر تجريبي عام 2014
اختبار عام 2016 مدمج مع مهمة إعادة إمداد محطة الفضاء الدولية
إن الهدف طويل الأمد-هو تشغيل نظام إزالة الحطام بكامل طاقته.
المنظور الهندسي: لماذا هذا مهم
أصبحت البنية التحتية الفضائية تعتمد بشكل متزايد على:
- أقمار الاتصالات
- أنظمة الملاحة
- منصات رصد الأرض
- الشبكات القائمة على الفضاء-.
ومع زيادة الازدحام المداري، يزداد خطر الاصطدامات المتسلسلة.
وهذا يخلق تحديًا هندسيًا-طويل الأمد:
>كيف نحافظ بنشاط على بيئة مدارية آمنة؟
وفي حالة نجاحها، يمكن أن تصبح أنظمة الحبل الكهروديناميكي جزءًا من البنية التحتية العالمية للصيانة المدارية.
هندسة المواد وراء أنظمة الفضاء
وفي حين تركز أنظمة إزالة الحطام المداري على هندسة الفضاء الجوي، فإن أدائها يعتمد أيضًا بشكل كبير على المواد المتقدمة.
يتم استخدام السبائك-عالية القوة والفولاذ-المقاوم للتآكل والمواد القائمة على النيكل-على نطاق واسع في:
- المكونات الهيكلية للمركبة الفضائية
- أنظمة دعم الأقمار الصناعية
- بيئات الطيران-ذات درجات الحرارة العالية
- التجميعات ذات الصلة-بالدفع
على سبيل المثال، توفر شركة Jiangsu Cunrui Metal Products Co., Ltd. مواد صناعية - مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، وInconel، وغيرها من السبائك القائمة على النيكل- والتي يتم استخدامها بشكل شائع في التطبيقات الهندسية الصعبة حيث تعد القوة والاستقرار والمقاومة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية.
الأفكار النهائية
يمثل مفهوم الشبكة الفضائية في اليابان تحولا في التفكير.
من التجنب السلبي:
>"كيف نتجنب الحطام الفضائي؟"
للتدخل الفعال:
>"كيف ننظف مدار الأرض؟"
على الرغم من أن النظام لا يزال في مراحل تجريبية، إلا أنه يوضح كيف يمكن للابتكار متعدد التخصصات-الذي يجمع بين هندسة الطيران والنظرية الكهرومغناطيسية وحتى تصنيع شباك الصيد التقليدية-أن يعالج إحدى مشكلات استكشاف الفضاء الأكثر إلحاحًا.
ومع استمرار نمو الحركة المدارية، قد تصبح مثل هذه الحلول بنية تحتية أساسية للحفاظ على بيئة فضائية آمنة للمهام المستقبلية.
