سباق محموم لإقامة سوق تجارية على القمر

تقدر بـ170 مليار دولار بحلول 2040

صورة تخيلية لرود فضاء وعربات جوالة على القمر
صورة تخيلية لرود فضاء وعربات جوالة على القمر
TT

سباق محموم لإقامة سوق تجارية على القمر

صورة تخيلية لرود فضاء وعربات جوالة على القمر
صورة تخيلية لرود فضاء وعربات جوالة على القمر

وأوروبا والصين مليارات الدولارات على خططٍ لعودة البشر إلى قمر الأرض المفضّل. ولكنّ الفارق هذه المرّة -حسب وكالة الطيران والفضاء الأميركية «ناسا»- هو أن الأشخاص الذين سيذهبون سيبقون، وسيحملون معهم الأدوات اللازمة لاستكشافات طويلة الأمد. والفارق البارز الآخر هو أن تلعب الشركات الخاصّة دوراً أكبر بكثير في هذه البعثات من دورها في عصر مركبة «أبولو».

سفن وبزّات وتأسيسات قمريةتستثمر الشركات الخاصة في الولايات المتّحدة أموالها إلى جانب وكالة «ناسا» لتطوير سفن هبوط قمرية («أستروبوتيك تكنولوجي» و«إنتويتف ماشينز»)، وسفن هبوط لروّاد الفضاء («سيبي إكس» و«بلو أوريجن»)، وبزات فضائية («أكسيوم سبيس»)، وبنى تحتية، كأقمار اصطناعية للاتصالات والملاحة، ومصادر للطاقة («كريسينت»).

وأيضاً، تدور أحاديث حول التنقيب عن المعادن أو الثلج، حيث قدّر مستشارون في «بي دبليو سي» أنّ الاقتصاد القمري قد يصبح سوقاً بقيمة 170 مليار دولار بحلول 2040.

ولكنّ هذه السوق مبنيّة على فكرة عثور الشركات المستثمرة على زبائن آخرين إلى جانب الوكالات الحكومية لبضائعها وخدماتها. يُعدّ التعاون بين «ناسا» و«سبيس إكس» لبناء صواريخ وسفن فضائية جديدة لصالح المحطّة الفضائية الدولية نموذجاً على هذا النوع من الأسواق، والذي تملك «ناسا» اليوم بفضله وصولاً جاداً إلى الفضاء، بينما تمكّنت «سبيس إكس» من بناء تجارة ناجحة تعتمد على إرسال أقمار اصطناعية تجارية وبعثات فضائية مأهولة خاصّة إلى الفضاء.

ولكنّ المشكلة هنا هي أنّ أسواق إطلاق الأقمار الاصطناعية والسياحة الفضائية كانت قائمة قبل «سبيس إكس»، بينما لا يزال مصدر الطلب من القطاع الخاص على القمر غير واضحٍ على الإطلاق.

وهنا يأتي دور «داربا»، وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدّمة التابعة للجيش الأميركي.

استغلال القمر اقتصادياًكيف يُجنى المال على القمر؟ يقول الدكتور مايكل ناياك، عالم كواكب وطيّار سابق في القوات البحرية الأميركية يدير أحد برامج «داربا» اليوم: «أسمع هذه الجملة، (اقتصاد أرضي- قمري بقيمة 97 مليار دولار)، ولكن كيف نحوّلها إلى أموال حقيقية في حسابٍ مصرفي؟ لا أعتقد أنّنا نعلم بعد».

وكان ناياك قد أطلق أخيراً دراسة ستمتدّ لمدّة 10 سنوات حول القدرات القمرية تحت عنوان «لونا- 10»، ستدفع الشركات الخاصة للعمل معاً على خطط لتأسيس اقتصاد خاص على القمر بحلول 2035. وتهدف الدراسة إلى تأسيس اقتصاد قابلٍ للقياس والتحليل التقني للحصول على «بنية تحتية قمرية ذاتية الاستدامة، ومنتِجة مالياً، بملكية وتشغيل تجاريين».

ما هو حجم الكتلة التي يجب نقلها إلى القمر؟ ما هو مقدار الطاقة الذي تحتاجه المساكن والروبوتات؟ أي نوعٍ من الروبوتات سنحتاج؟ والأهمّ من وجهة نظر ناياك، ماذا سيتطلّب الأمر لجعل الشركات الخاصة تبيع البضائع والخدمات بعضها لبعض بدل بيعها للوكالات الحكومية؟

الجواب ليس واضحاً بعد، ولكنّ ناياك يتفاوض مع 14 شركة قدّمت عروضاً للمشاركة في المجموعة البحثية، التي ستعمل لاحقاً وفقاً لأفكار الشركات نفسها، وتقدّم النتائج العام المقبل. سيقدّم هذا الإطار العملي لـ«ناسا» والشركات الخاصة فكرة أفضل عن فجوات التطوّر التقني التي قد تبطئ تقدّمها نحو القمر، وسيوضح لها الوجهة الصحيحة لمواردها وطاقتها، حتّى إنّه قد يكشف عن أنّ الاقتصاد القمري ليس جاهزاً للازدهار بعد.

يشكّل نقص المعلومات جزءاً من التحدّي. يعتقد العلماء أنّ المياه المجلّدة موجودة على القمر ويمكن استخدامها للحصول على المياه، والهيدروجين والأكسجين، وأنّ هذا الأمر قد يسهّل الوجود البشري الطويل الأمد، وإنتاج وقود الصواريخ، إلا أنّهم لا يعرفون بعدُ مدى سهولة هذا الأمر. ويأمل هؤلاء أيضاً باستخدام المعادن القمرية لصناعة مكوّنات للمعدّات الفضائية، دون أن ننسى العناصر النادرة التي قد يُعثر عليها. وهذا ما يدفع «ناسا» إلى إرسال سفن هبوط وعربات جوّالة آلية لاستكشاف القمر قبل إرسال البشر.

خدمات قمرية مجزيةفي الوقت الحالي، بدأ ناياك وفريقه العمل على الأسس، وسؤاله الأوّل هو: «ما هي الخدمات القمرية التي قد يدفع الناس للحصول عليها؟ الطاقة، والاتصالات، والقدرة على نقل الأشياء».

تخطّط معظم الشركات التي تراهن على الانضمام إلى المشروع لتقديم هذه الخدمات. ولكنّ ثلاث فئات إضافية برزت في العروض الأولى: تحليل في عمق السوق، وأموالٌ تركّز على الاستفادة من الموارد القمرية، والبناء والروبوتيات.

على خطٍّ موازٍ، يعمل ناياك على إطلاق مشروعٍ آخر اسمه «لوجيك» (اختصار لعبارة «إرشادات التشغيل القمرية لاتحاد البنية التحتية» باللغة الإنجليزية)، الذي يهدف إلى تطوير معايير تقنية تتشاركها الشركات المختلفة. على سبيل المثال، تخطّط منظّمات عدّة لبناء شبكة أقمار اصطناعية حول القمر للإرشاد والاتصالات، ما يعني توفّر بروتوكول مشترك للوصول إلى البيانات سيسهّل على المستخدمين التحضير لأدواتهم.

من المرجح أن تكون النتائج الأولى لهذا التخطيط بسيطة، مثل دفع أحد مقاولي «ناسا» مبلغاً مالياً لمقاول آخر لإنجاز مهمة ما.

يتشارك العاملون في صناعة الفضاء بعقلية تقوم على المبدأ التالي: «إذا بنيتَ... فسيحضرون». تعتزم شركة «إنتويتف ماشينز» من القطاع الخاص إرسال أولى بعثاتها الخاصة إلى القمر هذا العام، بدعم من «ناسا»، وهدف هذه البعثة الرئيسي هو نقل أجهزة استشعار علمية مقابل مكاسب مالية من شركات أخرى كـ«كولومبيا سبورتسوير» التي ساعدت في تطوير مادّة عازلة للمركبة الفضائية.

* «كوارتز» - خدمات «تريبيون ميديا»



صواريخ الدفع الحراري النووي لاستكشاف المريخ

رسم تصويري لصواريخ الدفع الحراري النووي
رسم تصويري لصواريخ الدفع الحراري النووي
TT

صواريخ الدفع الحراري النووي لاستكشاف المريخ

رسم تصويري لصواريخ الدفع الحراري النووي
رسم تصويري لصواريخ الدفع الحراري النووي

تطوّر وكالة «ناسا» الفضائية الأميركية تقنية بديلة للصواريخ ذات الدفع الكيميائي التي تستغرق وقتاً طويلاً للوصول إلى الكواكب الأخرى.

دفع حراري نووي

تُسمى هذه التقنية «الدفع الحراري النووي»، الذي يستخدم الانشطار النووي ويمكنه في يوم ما تزويد صاروخ بالطاقة من شأنه أن يقطع الرحلة في نصف الوقت الحالي فقط.

يشتمل الانشطار النووي على إنتاج كمية هائلة من الطاقة المنبعثة عند انقسام ذرة بواسطة نيوترون. يُعرف هذا التفاعل باسم التفاعل الانشطاري. وتقنية الانشطار معروفة في توليد الطاقة، وتسيير الغواصات النووية، وقد يؤدي تطبيقها في دفع أو تشغيل صاروخ إلى تزويد «ناسا» يوماً ما ببديل أسرع وأقوى للصواريخ التي تعمل بالطاقة الكيميائية.

وتُطور «ناسا» سوياً مع وكالة مشروعات أبحاث الدفاع المتقدمة تقنية الدفع الحراري النووي. وتُخطط الهيئتان لنشر وإثبات قدرات نظام نموذجي في الفضاء في عام 2027؛ ما يجعله من المحتمل أن يكون أحد أول النماذج التي يتم بناؤها وتشغيلها من قِبل الولايات المتحدة.

يمكن للدفع الحراري النووي يوماً ما تشغيل منصات فضائية قابلة للمناورة من شأنها حماية الأقمار الاصطناعية الأميركية في مدار الأرض وخارجها. لكن التكنولوجيا لا تزال قيد التطوير.

أنا أستاذ مشارك في الهندسة النووية في معهد جورجيا للتكنولوجيا، ومجموعة البحث خاصتي تبني نماذج ومحاكاة لتحسين وتحقيق الاستخدام الأمثل لأنظمة الدفع الحراري النووي. وأملي وشغفي المساعدة في تصميم محرك الدفع الحراري النووي الذي سينطلق في رحلة مأهولة إلى المريخ.

الدفع النووي مقابل الدفع الكيميائي

تستخدم أنظمة الدفع الكيميائي التقليدية تفاعلاً كيميائياً يتضمن وقوداً دافعاً خفيفاً، مثل الهيدروجين، مع العامل المؤكسد. وعند مزجهما معاً، يشتعل العنصران؛ ما يؤدي إلى خروج المادة الدافعة من الفوهة بسرعة كبيرة لدفع الصاروخ.

لا تتطلب هذه الأنظمة أي نوع من نظم الإشعال، وبالتالي فهي موثوقة. لكن يجب على الصواريخ حمل الأكسجين معها إلى الفضاء؛ مما قد يثقلها. وبالمقابل، تعتمد أنظمة الدفع الحراري النووي، على عكس أنظمة الدفع الكيميائي، على تفاعلات الانشطار النووي لتسخين المادة الدافعة التي تُطرد بعدها من الفوهة لإنشاء القوة الدافعة أو الدفع.

في الكثير من تفاعلات الانشطار، يرسل الباحثون نيوتروناً نحو نظير أخف من اليورانيوم، وهو «اليورانيوم - 235». يمتص اليورانيوم النيوترون؛ مما يخلق «اليورانيوم - 236». ثم ينقسم «اليورانيوم - 236» شظيتين - منتجاً الانشطار - ويُطلق التفاعل بعض الجسيمات المتنوعة.

الانشطار النووي لتوليد الطاقة

تستخدم أكثر من 400 محطة للطاقة النووية قيد التشغيل حول العالم حالياً تكنولوجيا الانشطار النووي. وأغلب هذه المفاعلات النووية العاملة هي مفاعلات الماء الخفيف. تستخدم هذه المفاعلات الانشطارية الماء لإبطاء النيوترونات ولامتصاص ونقل الحرارة. يمكن للماء توليد البخار مباشرة في قلب المفاعل أو في مولد البخار، والذي يحرك توربيناً لإنتاج الكهرباء.

تعمل أنظمة الدفع الحراري النووي بطريقة مماثلة، لكنها تستخدم وقوداً نووياً مختلفاً يحتوي على المزيد من «اليورانيوم - 235». كما أنها تعمل في درجة حرارة أعلى بكثير؛ ما يجعلها قوية للغاية ومكثفة. وتتمتع أنظمة الدفع الحراري النووي بكثافة طاقة تزيد بنحو 10 مرات على مفاعل المياه الخفيفة التقليدي.

قد يكون الدفع النووي متقدماً عن الدفع الكيميائي لأسباب عدة. إذ يطرد الدفع النووي المادة الدافعة من فوهة المحرك بسرعة كبيرة؛ ما يولد قوة دفع عالية. ويسمح هذا الدفع العالي للصاروخ بالتسارع بشكل أسرع.

كما تتميز هذه الأنظمة أيضاً بدفع نوعي عالٍ. يقيس الدفع النوعي مدى كفاءة استخدام الوقود الدافع لتوليد الدفع. وتتمتع أنظمة الدفع الحراري النووي بدفع نوعي يبلغ نحو ضعف الدفع النوعي للصواريخ الكيميائية؛ مما يعني أنها يمكن أن تقلل وقت السفر إلى النصف.

تاريخ الدفع الحراري النووي

لمدة عقود، موّلت الحكومة الأميركية تطوير تقنية الدفع الحراري النووي. بين عامي 1955 و1973، أنتجت برامج في وكالة «ناسا» وشركة «جنرال إلكتريك» ومختبرات «أرغون» الوطنية، واختبرت 20 محرك دفع حراري نووي على الأرض.

لكن هذه التصاميم التي سبقت عام 1973 اعتمدت على وقود اليورانيوم عالي التخصيب. ولم يعد هذا الوقود مُستخدماً بسبب مخاطر الانتشار النووي، أو المخاطر المتعلقة بانتشار المواد والتكنولوجيا النووية.

تهدف مبادرة الحد من التهديدات العالمية، التي أطلقتها وزارة الطاقة وإدارة الأمن النووي، إلى تحويل الكثير من المفاعلات البحثية التي تستخدم وقود اليورانيوم عالي التخصيب إلى وقود اليورانيوم عالي الكثافة منخفض التخصيب، أو وقود «الهاليو».

يحتوي وقود اليورانيوم عالي الكثافة منخفض التخصيب HALEU على كمية أقل من المواد القادرة على الخضوع لتفاعل الانشطار، مقارنة بوقود اليورانيوم عالي التخصيب. لذلك؛ يحتاج الصاروخ إلى تحميل المزيد من وقود HALEU هذا؛ ما يجعل المحرك أثقل. ولحل هذه المشكلة، يبحث الباحثون عن مواد خاصة من شأنها استخدام الوقود بشكل أكثر كفاءة في هذه المفاعلات.

يهدف «برنامج الصواريخ التجريبية للعمليات الأرض - قمرية الخفيفة» أو «دراكو» DRACO التابع لوكالة «ناسا» ووكالة مشروعات أبحاث الدفاع المتقدمة «داربا»، إلى استخدام وقود اليورانيوم عالي الكثافة منخفض التخصيب في محرك الدفع الحراري النووي الخاص به. ويخطط البرنامج لإطلاق صاروخه في عام 2027.

وكجزء من برنامج «دراكو»، تعاونت شركة «لوكهيد مارتن» للفضاء مع شركة «بي دبليو إكس تكنولوجيز» لتطوير تصميمات المفاعل والوقود.

سيتعين على محركات الدفع الحراري النووي التي تطورها هذه المجموعات الامتثال لمعايير الأداء والسلامة المحددة. كما سيتعين عليها أن يكون لديها قلب قادر على العمل طوال مدة المهمة وأداء المناورات اللازمة للرحلة السريعة إلى المريخ.

ومن الناحية المثالية، يجب أن يكون المحرك قادراً على إنتاج دفع نوعي عالٍ، مع استيفاء متطلبات الدفع العالي وكتلة المحرك المنخفضة.

بحوث متواصلة

قبل أن يتمكن المهندسون من تصميم محرك يلبي جميع هذه المعايير، يجب عليهم البدء بالنماذج والمحاكاة. وتساعد هذه النماذج الباحثين، مثل أولئك الموجودين في مجموعتي، على فهم كيفية تشغيل وإيقاف المحرك. هذه عمليات تتطلب تغييرات سريعة وهائلة في درجة الحرارة والضغط.

سيختلف محرك الدفع الحراري النووي عن جميع أنظمة الطاقة الانشطارية الحالية؛ لذلك سيحتاج المهندسون إلى إنشاء أدوات برمجية تعمل مع هذا المحرك الجديد.

يعمل فريقي على تصميم وتحليل مفاعلات الدفع الحراري النووي باستخدام النماذج. نعمل على نمذجة ومحاكاة الأنظمة المعقدة للمفاعل لمعرفة كيف يمكن لأمور مثل التغيرات في درجة الحرارة على المفاعل وسلامة الصاروخ. لكن محاكاة هذه التأثيرات يمكن أن يستغرق الكثير من قوة الحوسبة المكلفة.

لقد عملنا على تطوير أدوات حوسبة جديدة تحاكي كيفية عمل هذه المفاعلات أثناء بدء التشغيل ومباشرة التشغيل من دون استخدام الكثير من قوة الحوسبة. ونأمل أن يساعد هذا البحث يوماً ما في تطوير نماذج يمكنها التحكم في الصاروخ بشكل مستقل.

* أستاذ مشارك في الهندسة النووية والإشعاعية بمعهد جورجيا للتكنولوجيا - مجلة «فاست كومباني»

- خدمات «تريبيون ميديا»