المصاعد الفضائية تقترب من الواقع
طقس العرب - عندما بدأ الناس في استكشاف الفضاء في الستينيات من القرن الماضي، كان يكلف أكثر من 80,000 دولار (معدل للتضخم) لوضع رطل واحد من الحمولة في مدار الأرض المنخفض.
كان أحد الأسباب الرئيسية وراء هذه التكلفة العالية هو الحاجة إلى بناء صاروخ جديد وكلف لكل عملية إطلاق، ولكن بدأت هذه الحالة تتغير عندما بدأت شركة Space X بتصنيع صواريخ رخيصة وقابلة لإعادة الاستخدام. واليوم تنقل الشركة حمولات العملاء إلى المدار الأرضي المنخفض بسعر 1300 دولار فقط للرطل الواحد.
هذا الأمر جعل الفضاء مُتاحًا للعلماء والشركات الناشئة والسياح الذين لم يكن بإمكانهم تحمل نفقته في الماضي، ولكن أرخص طريقة للوصول إلى المدار قد لا تكون صاروخًا على الإطلاق ، بل قد يكون مصعدًا فضائيًا
المصاعد الفضائية
زُرعت بذور فكرة المصعد الفضائي لأول مرة عند العالم الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي في عام 1895، حيث قام بزيارة برج إيفل الذي يبلغ ارتفاعه 1000 قدم، ونشر ورقة بحثية يتناول فيها فرضيات بناء هيكل يصل ارتفاعه إلى 22000 ميل.
سيوفر هذا النظام الوصول إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض ، وهو ارتفاع تظهر فيه الأجسام وكأنها تظل ثابتة فوق سطح الأرض ، لكن تسيولكوفسكي أقر بأنه لا توجد مادة يمكن أن تتحمل وزن مثل هذا البرج.
في عام 1959، بعد وقت قصير من إطلاق سبوتنيك، اقترح المهندس الروسي يوري ن. آرتسوتانوف طريقة لتجاوز هذه المشكلة: بدلاً من بناء مصعد فضائي من الأرض وصولاً إلى الفضاء، يمكن أن يتم البدء من الأعلى.
وتحديدًا؛ اقترح وضع قمر صناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض وإسقاط حبل منه وصولًا إلى خط الاستواء على سطح الأرض، عندما ينزل الحبل، سيصعد القمر الصناعي. بمجرد ربطه بسطح الأرض ، سيظل الحبل مشدودًا ، وذلك بفضل مجموعة من قوى الجاذبية وقوى الطرد المركزي.
بعد ذلك، يمكننا إرسال مركبات "التسلق" المدعومة بالكهرباء صعودًا وهبوطًا على الحبل لتوصيل الحمولات إلى أي مدار حول الأرض.
Credit: VectorMine / Adobe Stock
وفقًا للفيزيائي برادلي إدواردز، الذي بحث في هذه الفكرة لصالح وكالة ناسا قبل نحو 20 عامًا، سيكلف بناء مصعد فضائي حوالي 10 مليارات دولار وستستغرق 15 عامًا، ولكن بمجرد التشغيل، ستكون تكلفة إرسال حمولة إلى أي مدار حول الأرض حوالي 100 دولار للرطل الواحد.
قال إدواردز في مقابلة مع Space.com في عام 2005: "بمجرد خفض التكلفة إلى مستوى يقارب تكلفة شركة فيديكس، فإنه يفتح الأبواب أمام الكثير من الأشخاص والكثير من الدول والكثير من الشركات للانخراط في مجال الفضاء."
بالإضافة إلى المزايا الاقتصادية، فإن المصعد الفضائي سيكون أكثر نظافة من استخدام الصواريخ - لن يكون هناك احتراق للوقود، ولا انبعاثات ضارة للغازات الدفيئة - ولن يسهم النظام النقل الجديد بنفس درجة الصواريخ القابلة للاستهلاك في تفاقم مشكلة الحطام الفضائي.
لماذا لم نقم بصنع مصعد فضائي حتى الآن؟
مشاكل الحبل
كتب إدواردز في تقريره لناسا أن التكنولوجيا اللازمة لبناء مصعد فضائي موجودة باستثناء المادة المطلوبة لبناء الحبل، الذي يحتاج أن يكون خفيفاً ولكنه قوي بما يكفي لتحمل جميع القوى الهائلة التي تعمل عليه.
وبحسب التقرير، الخبر الجيد هو أن المادة المثالية - أنابيب "نانوتيوب" من الكربون قوية للغاية وصغيرة للغاية - ستكون متوفرة في غضون عامين فقط.
وكتب إدواردز: "القشرة ليست قوية بما فيه الكفاية ، ولا الكيفلار ، أو ألياف الكربون ، أو حرير العنكبوت ، أو أي مادة أخرى غير الأنابيب النانوية الكربونية". "لحسن الحظ بالنسبة لنا ، فإن أبحاث الأنابيب النانوية الكربونية نشطة للغاية في الوقت الحالي، وتتقدم بسرعة إلى الإنتاج التجاري."
ولكن لسوء الحظ ، أخطأ في تقدير مدى صعوبة تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية - فحتى الآن ، لم يتمكن أحد من إنتاج أنبوب أطول من 21 بوصة.
تبيَّن بمزيد من البحث في هذه المادة أنها تميل إلى التمزق تحت الإجهاد المفرط، مما يعني أنه حتى لو استطعنا تصنيع أنابيب الكربون النانوية بالأطوال المطلوبة، فإنها ستكون عرضة للتكسر، مما لا يؤدي فقط إلى تدمير المصعد الفضائي، بل يشكل تهديداً للأرواح على الأرض.
ربما كانت الأنابيب النانوية الكربونية هي المرشح الأول كمواد ربط للمصاعد الفضائية ، ولكن هناك خيارات أخرى ، بما في ذلك الجرافين ، وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون يسهل بالفعل توسيع نطاقه مقارنة بالأنابيب النانوية (على الرغم من أنه لا يزال غير سهل).
على عكس تقرير إدواردز، يقول الباحثون في جامعة جونز هوبكنز، شون سان ودان بوبيسكو، أن ألياف الكيفلار يمكن أن تعمل - فقط نحتاج إلى إصلاح الحبل باستمرار، بنفس الطريقة التي يقوم فيها جسم الإنسان بإصلاح أوتاره باستمرار.
"باستخدام الحساسات والبرمجيات الذكية، يكون من الممكن نمذجة الحبل بالكامل رياضيًا لتوقع متى وأين وكيف ستتكسر الألياف"، كتب الباحثون في مقالة نُشِرت في مجلة "أيون" في عام 2018.
"عندما تحدث أية تلفيات، ستقوم مركبات الصعود والهبوط السريعة المُراقبة بالتنقل على طول الحبل بدلاً منها، وستُعدل معدل الصيانة والإصلاح حسب الحاجة - محاكيةً حساسية العمليات البيولوجية"، أكمل الباحثون.
يعتقد علماء الفلك من جامعة كامبريدج وجامعة كولومبيا أيضًا أن ألياف الكيفلار قد تكون مناسبة لمصعد فضائي - إذا قمنا ببنائه من القمر بدلاً من الأرض.
هذا لن يقضي على الحاجة إلى الصواريخ للوصول إلى مدار الأرض، لكنه سيكون وسيلة أرخص للوصول إلى القمر. قد لا تكون القوة التي تعمل على مصعد فضائي قمري بنفس القوة التي تعمل على مصعد فضائي يمتد من سطح الأرض، وفقًا للباحثين، مما يفتح المجال لاختيار خيارات أكثر لمواد الحبل.
وفي الوقت نفسه، لا يتخلى بعض الباحثين الصينيين عن فكرة استخدام أنابيب الكربون النانوية لمصعد فضائي - ففي عام 2018، كشف فريق من جامعة تسينغهوا أنهم قاموا بتطوير أنابيب نانوية يقولون أنها قوية بما يكفي لتكون حبلًا.
الباحثون لا يزالون يعملون على مسألة توسيع إنتاج الأنابيب النانوية، ولكن في عام 2021، أصدرت وكالة أنباء مملوكة للدولة في الصين (Xinhua) فيديو يصور مفهومًا قيد التطوير يُسمى "سماء السُلّم" (Sky Ladder)، والذي سيتألف من مصاعد فضائية فوق الأرض والقمر.
بعد ركوب المصعد الفضائي الموجود على سطح الأرض، ستطير الكبسولة إلى محطة فضائية مرتبطة بحبل المصعد الفضائي القائم على سطح القمر. إذا تمكنوا من إنجاز هذا المشروع - وهو إنجاز ضخم - تتوقع الصين أن يمكن لـ "سماء السُلّم" أن تقلل من تكلفة إرسال البشر والبضائع إلى القمر بنسبة 96%.
في مدة 120 عامًا منذ أن نظر تسيولكوفسكي إلى برج إيفل وفكر في شيء أكبر بكثير، تم تحقيق تقدم كبير في تطوير المواد ذات الخصائص المطلوبة لمصعد فضائي. في هذه المرحلة، يبدو أنه من المحتمل أن يكون لدينا يومًا ما مادة يمكن تصنيعها على النطاق الذي يُطلبه الحبل - ولكن بحلول ذلك الحين، ربما يكون الحاجة لمصعد فضائي قد تلاشت.
العديد من شركات الفضاء تحقق تقدمًا في تطوير صواريخ قابلة لإعادة الاستخدام بنفسها، وعندما تنضم هذه الصواريخ إلى السوق مع شركة SpaceX، فإن التنافس يمكن أن يؤدي إلى انخفاض أسعار الإطلاق بشكل أكبر.
من ناحية أخرى، تعمل شركة "SpinLaunch" في ولاية كاليفورنيا على تطوير مركز اندفاع ضخم لإطلاق الحمولات إلى الفضاء، حيث يمكن لصواريخ أصغر بكثير دفعها إلى المدار. إذا نجحت الشركة (وهو أمر غير مؤكد أيضًا)، فإنها تقول إن النظام سيقلل من كمية الوقود المطلوبة للوصول إلى المدار بنسبة 70%.
حتى لو لم تتحقق خطة "SpinLaunch"، هناك العديد من الفرق التي تعمل على تطوير وقود صواريخ صديق للبيئة ينتج قليل جدًا (أو لا ينتج) انبعاثات ضارة. هناك حاجة للمزيد من العمل لتوسيع إنتاجها بشكل فعال، ولكن التغلب على هذا العقب سيكون أسهل بكثير من بناء مصعد بطول 22,000 ميل للوصول إلى الفضاء.
المصدر: freethink