كيف يمكن لمهمة إرجاع عينة المريخ أن تصبح كهربائية

صعود عودة عينة المريخ

منظر فني لوحدة صعود عودة عينة المريخ (MSR) وهي تنطلق من سطح المريخ مع عينات تربة المريخ. (رصيد الصورة: ESA)





يتطلب حل لغز الحياة على المريخ أن تقوم الروبوتات بجمع عينات من المريخ للعودة إلى الأرض - وهي مهمة قد تأتي بتكلفة فلكية تتراوح بين 5 مليارات دولار و 10 مليارات دولار. يمكن أن تصبح تلك الرحلة ذهابًا وإيابًا إلى الكوكب الأحمر أرخص باستخدام الدفع الكهربائي.

تتطلب مهمة إرجاع عينة المريخ (MSR) محركات دفع كهربائية قوية وألواح شمسية فعالة قيد التطوير حاليًا في جميع أنحاء العالم أو حتى موجودة بالفعل. ستسمح هذه التكنولوجيا لمهمة المريخ بتخفيف عبء الوقود الكيميائي الذي تحمله الصواريخ والمركبات الفضائية التقليدية - ويمكن لمهمة محاولة استعادة صخور وتربة المريخ في العقد أو العقدين المقبلين.

قال ولفجانج سيبولت ، الفيزيائي في مركز الفضاء الألماني (DLR): 'تبدو فرص الحصول على تقنية موثوقة متاحة لـ MSR في الإطار الزمني لما بعد 2020 جيدة'.



يمكن أن يؤدي استخدام الدفع الكهربائي أيضًا إلى تسريع الرحلة ذهابًا وإيابًا إلى المريخ. يمكن أن يكون الوقت الإجمالي للمهمة مفيدًا بشكل خاص لأي بعثات بشرية في نهاية المطاف إلى المريخ بسبب الخطر الذي تشكله ، على سبيل المثال ، الأشعة الكونية عالية الطاقة لرواد الفضاء أثناء الرحلة. [أجرأ بعثات المريخ على الإطلاق]

تسخير قوة ضوء الشمس

تحرق معظم المهمات الفضائية وقودًا كيميائيًا للحصول على دفعة مقدمة كبيرة تدوم طوال فترة إمداد الوقود. سمح هذا الدفع الكيميائي لصواريخ أبولو الضخمة وأسطول مكوك الفضاء المتقاعد بالهروب من جاذبية الأرض والدخول في المدار ، وسيؤدي غرضًا مشابهًا لإطلاق أي مهمة إلى المريخ .



قال سيبولت إن مهمة المريخ يمكن أن تتحول إلى استخدام الدفع الكهربائي بمجرد وصولها إلى مدار الأرض وتبدأ الرحلة إلى المريخ. سيبدأ ذلك ببطء عن طريق تحويل وقود غاز الزينون إلى تيار جسيمات الأيونات المشحونة كهربائيًا ، ولكن بناء على سرعة عالية مع مرور الوقت مع إمدادات غير محدودة عمليا من الكهرباء من الألواح الشمسية.

يمكن للمركبة الفضائية المريخية أن تحلق في رحلة ذهابًا وإيابًا إلى المريخ أرخص وعلى الأقل بنفس سرعة بعثات الدفع الكيميائي التقليدية (إن لم تكن أسرع) ، حتى لو كان عليها أن تحمل الكتلة المضافة من الألواح الشمسية الكبيرة. أوضح سيبولت أن 'توفير الكتلة الدافعة يعوض زيادة الكتلة من المصفوفات الشمسية الكبيرة'. [ هبوط المريخ: ما مدى تحسننا؟ (فيديو) ]

هذه



يهدف برنامج Aurora التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ESA إلى إعداد أوروبا للعب دور رئيسي في استكشاف الإنسان للمريخ في المستقبل وفي استكشاف النظام الشمسي.(رصيد الصورة: ESA / P.Carril)

التخطيط لرحلة المريخ

يتضمن سيناريو المهمة التقليدية مركبتين فضائيتين أطلقتا بشكل منفصل عن الأرض - مركبة مدارية ومركبة هبوط. ينزل المسبار على الكوكب الأحمر إلى جمع العينات . ثم تقلع مركبة الصعود التي تحمل العينات من سطح المريخ باستخدام الوقود الكيميائي التقليدي ، حتى تتمكن من الانضمام إلى المركبة المدارية في رحلة العودة إلى الأرض.

قد تتضمن النسخة الهجينة من سيناريو المهمة التقليدية استخدام المركبة المدارية للدفع الكهربائي. في سيناريو متقدم ، يمكن لمركبة الهبوط ركوب المركبة المدارية الكهربائية ، بأسلوب ظهر الخنزير ، للوصول إلى الكوكب الأحمر.

قد يعني الحمل الأخف للوقود الدافع أن المركبة المدارية الكهربائية للمريخ في السيناريو التقليدي يمكن أن تنطلق من الأرض على متن صاروخ متوسط ​​مثل Soyuz-Fregat ، بدلاً من الصاروخ الثقيل Ariane 5 ECA. يمكن أن يستخدم سيناريو المهمة الأكثر مجردة أيضًا مصفوفة شمسية بقدرة 20 كيلو وات مع متطلبات طاقة مماثلة لتلك الخاصة بأقمار الاتصالات في مدار ثابت بالنسبة للأرض فوق الأرض.

مخاطر الكهرباء الشمسية

لكن سيبولت وزميله ، أوفي ديرز ، أشاروا أيضًا إلى بعض المخاطر والأمور المجهولة في اقتراحهم المفصل في عدد أغسطس - سبتمبر من مجلة Acta Astronautica. على سبيل المثال ، نظرت ورقتهم في عدد محدود فقط من نوافذ الإطلاق حول الإطار الزمني لعام 2020.

تعتمد تكلفة مهمة المريخ الكهربائية على تكلفة نظام الدفع وما إذا كانت أكثر تكلفة من التوفير المحتمل في تكاليف الإطلاق أم لا. يعتمد ذلك إلى حد كبير على ما إذا كان يمكن إعادة استخدام أجزاء من مركبات فضائية أخرى - مثل مهمة BepiColombo المماثلة في أوروبا إلى Mercury المخطط لها في عام 2015.

وفقًا لسيبولت ، فإن بعض مخططي المهام في وكالات الفضاء لديهم أيضًا مخاوف بشأن موثوقية تقنية الدفع الكهربائي وعمرها. بالإضافة إلى ذلك ، تواجه المصفوفات الشمسية أضرارًا محتملة من الأشعة الكونية الشمسية التي تهدد أيضًا الأقمار الصناعية المدارية ومحطة الفضاء الدولية.

المضي قدما

ومع ذلك ، اكتسبت تكنولوجيا الدفع الكهربائي بالطاقة الشمسية دفعة في السنوات الأخيرة. تخطط شركة بوينج الأمريكية العملاقة للفضاء لاستخدام مثل هذا الدفع في المزيد من أقمارها الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض - سواء للانتقال إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض والحفاظ على المدار - مما يفتح السوق ويدفع التطور التكنولوجي لجميع المركبات الفضائية والأقمار الصناعية.

تخطط وكالة الفضاء الأوروبية للحصول على مصفوفات شمسية توفر ما يصل إلى 30 كيلوواط من الطاقة وأنظمة الدفع تعمل في نطاق 20 كيلووات بعد الإطار الزمني لعام 2020. وفي الوقت نفسه ، يمكن أن تعزز الاختبارات على الأقمار الصناعية وعلى متن المحطة الفضائية الثقة في التكنولوجيا.

قال سيبولت: 'من المحتمل أن تكون محطة الفضاء الدولية مكانًا جيدًا لاختبار محركات الدفع المطورة حديثًا في ظل ظروف فضائية قاسية'. أيضًا ، يجب دراسة مصدر الطاقة المزود بمصفوفات شمسية كبيرة قابلة للنشر وخفيفة الوزن وفعالة.

دعا مؤتمر موسكو الأخير 'المؤتمر الروسي الألماني الرابع للدفع الكهربائي وتطبيقاتها 2012: الدفع الكهربائي'. سلطت تحديات جديدة الضوء على مهمة عودة عينة المريخ باستخدام الدفع الكهربائي الشمسي باعتبارها واعدة للغاية.

إذا ثبت صحة التفاؤل ، يمكن للدفع الكهربائي الشمسي أن يفعل أكثر من مجرد المساعدة في إلقاء الضوء على الحياة على المريخ - فقد يدفع أيضًا بعثات بشرية إلى الكوكب الأحمر أو ما بعده.

تم توفير هذه القصة من قبل مجلة علم الأحياء الفلكي ، وهو منشور على شبكة الإنترنت برعاية وكالة ناسا برنامج علم الأحياء الفلكي .