نحن في عصر الفضاء. تُطلق الصواريخ إلى الفضاء كل يوم تقريبًا. تؤوي المحطات الفضائية المدارية الآن البشر بشكل مستمر منذ عقود. السماء مليئة بالأقمار الصناعية والتلسكوبات الفضائية. لقد ذهب البشر إلى القمر، وسيعودون. وتنتشر الروبوتات عبر النظام الشمسي وتتجول على سطح المريخ.
كل هذا الابتكار المذهل يدين بتجربة متواضعة حدثت قبل 100 عام: في 16 مارس 1926، اكتشف فيزيائي ومهندس أمريكي (وأحيانًا) العلمية الأمريكية مساهم) أطلق روبرت جودارد نموذجًا أوليًا لصاروخ يبلغ طوله 11 قدمًا ووزنه 10 أرطال يُطلق عليه اسم “نيل” من رقعة ملفوف في أوبورن بولاية ماساشوستس. وقد حلق نيل في الجو لبضع ثوانٍ فقط، لكن رحلته كانت بمثابة علامة فارقة – أول إطلاق لصاروخ يعمل بالوقود السائل على الإطلاق.
قبل تلك اللحظة، كان الوقود الصلب يستخدم في جميع الصواريخ السابقة بين الكرنب، والتي يعود تاريخها إلى “السهام النارية” المملوءة بالبارود والتي تم استخدامها لمحاربة المغول الغزاة في الصين في القرن الثالث عشر. لقد زود الوقود السائل الصواريخ بقوة دفع أقوى، وبفضل تدفقها المتغير، أتاح لها المزيد من التحكم، وهو على وجه التحديد ما قد تكون هناك حاجة إليه في أي محاولة جادة لرحلات الفضاء. وقد أدرك أصحاب الرؤى الأوائل الآخرون – الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي والألماني هيرمان أوبرث – الإمكانات التحويلية للصواريخ التي تعمل بالوقود السائل، لكن جودارد كان أول من أثبت ذلك.
حول دعم الصحافة العلمية
إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.
والباقي، كما يقولون، هو التاريخ. لإحياء الذكرى المئوية لرحلة غودارد وفهم ما يخبئه المستقبل للصواريخ، العلمية الأمريكية تحدث مع اثنين من خبراء ناسا – كيرت بولزين، كبير مهندسي مشروع الدفع النووي الفضائي في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا، وديفيد مانزيلا، كبير تقنيي الدفع في الفضاء في مركز جلين للأبحاث التابع لناسا.
(وفيما يلي نسخة منقحة من المقابلة.)
بالنظر إلى مدى تواضع نموذج جودارد “نيل” مقارنة بصواريخ اليوم، هل تعتقد أنه من الدقة حقًا القول بأن رحلة نيل قبل قرن من الزمان تمثل بداية “الصواريخ الحديثة؟”
كيرت بولزين: كان روبرت جودارد شخصية رائدة نقلت صناعة الصواريخ إلى ما هو أبعد من جذورها المبكرة في أنظمة الوقود الصلب، مثل العبوات المعبأة بالبارود. وقد أنشأ منهجه العلمي والتحليلي إطارًا للهندسة المنهجية وتحسين مكونات الصواريخ، وهي منهجية لا تزال متبعة حتى اليوم.
وضعت رحلة غودارد التاريخية الأساس لتطوير أنظمة الدفع الفضائية المختلفة، بما في ذلك الصواريخ الكيميائية، والصواريخ النووية الحرارية، والدفع الشمسي والنووي الكهربائي. وعلى الرغم من الاختلافات بينها، فإن هذه الأنظمة تشترك في مبدأ مشترك: تحويل مصدر الطاقة – سواء كانت روابط كيميائية أو تفاعلات نووية أو طاقة شمسية – إلى تيار عالي السرعة من الغاز أو الجسيمات التي تنتج قوة الدفع.
ومن الجدير بالذكر أن رؤية جودارد امتدت إلى الدفع الكهربائي. وفي ملاحظاته، أدرك إمكانية تسريع الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات، للدفع، وهو المفهوم الذي تنبأ بالدوافع الأيونية المستخدمة الآن في المركبات الفضائية الحديثة.
أصبحت عمليات الإطلاق الفضائية الآن شائعة جدًا لدرجة أنه نادرًا ما يُنظر إليها على أنها تستحق النشر. قد يكون لدى المرء انطباع بأننا وصلنا إلى الحد الأقصى لما يمكن أن تفعله الصواريخ الكيميائية المستوحاة من جودارد. ما هي الحدود المتبقية في نظرك؟
بولزين: الصواريخ الكيميائية، التي غالبًا ما ترتبط بأعمال جودارد الرائدة ولكنها تشمل الآن قرنًا من الابتكار الجماعي، كانت بمثابة العمود الفقري لاستكشاف الفضاء. لقد تم تحسين مجموعات الوقود الدفعي التقليدية مثل الأكسجين السائل والهيدروجين السائل والأكسجين السائل والكيروسين ومختلف أنواع الوقود الدافع لمحركات الصواريخ الصلبة. وقد قدمت التطورات الأخيرة من شركات “الفضاء الجديد” بدائل مثل الميثان والوقود الهجين، والتي يمكن أن توفر المزيد من المزايا من حيث الموثوقية والتكلفة والمرونة التشغيلية.
أدت الأساليب المبتكرة مثل عمليات الهبوط الدافعة (التي تستخدمها صواريخ SpaceX's Falcon 9 وصواريخ New Glenn التابعة لشركة Blue Origin، على سبيل المثال) إلى خفض تكاليف الإطلاق وزيادة وتيرة الإطلاق، مما جعل الوصول إلى الفضاء أكثر سهولة من أي وقت مضى. من المرجح أن تظل الصواريخ الكيميائية هي الوسيلة الأساسية للوصول إلى المدار في المستقبل المنظور، ولكن من المهم أن نتذكر أنه لا يوجد صاروخ “نهائي” يمكن أن يوجد بالفعل، حيث تتطلب المهام المختلفة حلولاً مختلفة، ولا يمكن لأي تصميم صاروخي واحد أن يخدم جميع الأغراض.
وبالنظر إلى المستقبل، لا تزال هناك حدود عديدة أمام الصواريخ الكيميائية. إن التقدم في إدارة السوائل المبردة قد يتيح القيام بمهام طويلة الأمد باستخدام الوقود الكيميائي عن طريق منع الغليان، في حين أن العمل المستمر على الدفع النووي وانتشار أنظمة الدفع المصغرة لـ “CubeSats” و”SmallSats” يَعِد بتوسيع المشهد بشكل أكبر. ولم نبدأ حتى في خدش السطح في حالات الاستخدام مثل إطلاق الصواريخ على كواكب أخرى، إما لتغيير المواقع أو لتعزيز الحمولات أو رواد الفضاء بعيدًا عن السطح.
ديفيد، هذا السؤال لك. تختلف أنظمة الدفع في الفضاء إلى حد ما عن الصواريخ المستخدمة لإطلاق الحمولات من الكواكب. ما الذي يثيرك بشأن الاتجاه الذي تتجه إليه الصواريخ؟
ديفيد مانزيلا: حسنًا، أنا شخصيًا أعمل على أنظمة الدفع في الفضاء، وهي التقنيات المستخدمة لدفع المركبات الفضائية بمجرد وصولها إلى المدار. بالنسبة لهذه الأنظمة، فإن التحدي الأساسي لا يتمثل في أن تكون نسبة الدفع إلى الكتلة أكبر من 1؛ أي أنها تنتج عادةً قوة دفع أقل مما هو مطلوب لرفع حمولة إلى المدار. لكنك تحتاج إلى الدفع في الفضاء لأن الأشياء الموضوعة في المدار ذات قيمة، وعادةً ما ترغب في تشغيلها لسنوات عديدة.
ويعني هذا حاليًا أنه عند إطلاق شيء ما، منذ البداية، ستحتاج إلى أخذ كل الوقود الذي ستحتاجه واستخدامه طوال عمر تلك المركبة الفضائية. تحاول التقنيات التي نعمل عليها معالجة هذه المشكلة عن طريق صنع محركات صاروخية ذات كفاءة عالية في استهلاك الوقود – ما نطلق عليه عادةً أجهزة الدفع – وإحدى أفضل الطرق للقيام بذلك هي زيادة الوقود الدافع عن طريق إضافة الطاقة الكهربائية إليه. ويتم توليد تلك الطاقة في الفضاء.
ويتم ذلك اليوم باستخدام المصفوفات الشمسية الكهروضوئية. ومع ذلك، ضع في اعتبارك أنه كلما كانت تلك الأنظمة الكهربائية أقوى، زادت الجاذبية التي يمكن أن توفرها محركات الدفع الكهربائية هذه، وأصبحت الأشياء التي يمكننا دفعها في الفضاء أكبر.
الملصق المفضل لدي لهذا هو عنصر الطاقة والدفع قيد التطوير التابع لوكالة ناسا، والذي يحتوي على نظام طاقة بقدرة 60 كيلووات يمكن أن يستخدمه نظام الدفع الموجود على متنه لدفع مركبة فضائية تزن 18000 كجم إلى القمر باستخدام أقل من 3000 كجم من الوقود الدافع. على النقيض تمامًا من مركبات الإطلاق، حيث أن 90% من كتلتها عبارة عن وقود دافع، أليس كذلك؟
هذا مثير للإعجاب. وأنا أعلم أن عنصر القوة والدفع لم يطير بعد إلى الفضاء، أنت وزملائك تشغيله لأول مرة على الإطلاقفي الواقع، في اختبار العام الماضي. ما الذي أنت متحمس له أكثر في المستقبل؟
مانزيلا: الجزء المثير من المستقبل هو أنه من الممكن تطوير أنظمة طاقة أعلى، ويمكن استبدال الألواح الشمسية الكهروضوئية ذات يوم بأنظمة نووية تولد كميات أكبر من الكهرباء. تعمل وكالة ناسا على تطوير التكنولوجيا لتمكين ذلك من الأشياء التي تشمل الاستكشاف البشري للمريخ اليوم. هذا ما يثيرني!
بولزين: اسمحوا لي أن أتطرق إلى هذا أيضًا. أكثر ما يثيرني بشأن مستقبل الصواريخ هو الأفق المتسع لكل من الأداء والتطبيق. إن الصواريخ، في جوهرها، هي أدوات لا غنى عنها لتمكين استكشاف الفضاء واستخدامه، ولكنها ليست أدوات الاكتشاف نفسها. وتكمن قيمتها الحقيقية في قدرتها على تقديم التقنيات والحمولات التي تقود البحث العلمي والاستكشاف، وبشكل متزايد، إنشاء وجود بشري دائم خارج الأرض.
على صعيد الأداء، يستمر الابتكار في تجاوز الحدود. يعد التقدم في أنظمة الدفع بمزيد من الكفاءة والموثوقية والوصول. ويتحقق ذلك من خلال التحسينات الإضافية في الصواريخ الكيميائية، أو تجربة مجموعات الوقود الدافعة الجديدة مثل الميثان أو الهجين أو السعي وراء أنظمة مثل الدفع بالطاقة الشمسية والدفع النووي. تعتبر هذه التطورات حاسمة للتعامل مع المهام الطموحة، مثل الرحلات المأهولة إلى المريخ أو مهام العودة لعينات في الفضاء السحيق. وتعد مجموعة متنوعة من أنظمة الدفع ضرورية لتحقيق مجموعة واسعة من الأهداف العلمية والتجارية والاستكشافية.
ومن منظور التطبيق، فإن التطورات الأكثر إثارة تنطوي على الانتقال من مرحلة الاستكشاف إلى التوسع والاستخدام. لقد بدأنا نفكر بجرأة في أسئلة مثل: كيف يمكننا توصيل البشر وإعادتهم بأمان من المريخ؟ كيف يمكننا جمع وإرجاع العينات من الأجسام البعيدة في النظام الشمسي؟ ما هي البنية التحتية اللازمة للانتقال من الاستكشاف الأولي إلى تأسيس وجود دائم في الفضاء؟ وتمتد الرؤية إلى أبعد من ذلك وتتضمن الاستفادة من الموارد والقدرات المكتسبة من التوسع في الفضاء من خلال برنامج أرتميس التابع لناسا، مما يتيح عمليات مستدامة وفرص جديدة للعلوم والصناعة وحتى الحياة اليومية خارج كوكبنا.
في نهاية المطاف، مستقبل الصواريخ يدور حول تمكين الإمكانيات الجديدة. ومع حصول المستخدمين النهائيين على إمكانية الوصول إلى مجموعة متزايدة من خيارات الإطلاق، فإنهم مجهزون بشكل أفضل لمتابعة مهام متنوعة: تطوير المعرفة العلمية، أو تطوير المشاريع التجارية، أو بناء أسس حضارة دائمة ترتاد الفضاء. يزدهر هذا المجال بالتفكير الجريء والحلول المبتكرة، وأنا متحمس للغاية لرؤية كيف ستشكل هذه الحلول الحقبة القادمة من استكشاف الفضاء وتطويره.
مانزيلا: نحن ندخل بالفعل عصرًا جديدًا في تاريخ البشرية حيث يمكن أن يتأثر كل واحد منا بالأنظمة الفضائية يوميًا. أعتقد أن هذا الاتجاه سوف يتسارع في المستقبل. من الواضح أن الفضاء أصبح جزءًا متزايدًا من أسلوب حياتنا مع استمرار التقدم التكنولوجي. ونعم، يعود جزء كبير من هذا التقدم إلى رحلة روبرت جودارد الأولى قبل قرن من الزمان.
التعليقات