تلسكوبات عملاقة لسبر الشموس والكواكب البعيدة

عين كبرى تنظر إلى السماء

تلسكوبات عملاقة لسبر الشموس والكواكب البعيدة
TT

تلسكوبات عملاقة لسبر الشموس والكواكب البعيدة

تلسكوبات عملاقة لسبر الشموس والكواكب البعيدة

غالبا ما يقال إن المستقبل هو ملك أولئك الذين يخططون له، وعلماء الفلك كانوا طوال الوقت مشغولين في تحقيق ذلك، ويبدو أن لديهم الآن ما يريدون لنا أن نراه. وبعد أكثر من عقد من الزمن من قيام مجموعات منهم بجمع المال لإنشاء تلسكوبات ضخمة بمقدورها دراسة الكواكب التي تدور حول الشموس البعيدة، وبالتالي محاولة فك لغز ولادة المجرات منذ بداية الزمن، يبدو أن الكثير من الأدوات والأجهزة باتت على وشك العمل على قمم الجبال في هاواي وتشيلي ضمن شبكة من المراصد والتلسكوبات التي ستسطر تاريخ الفلك.
وإذا سارت كل هذه الأمور على ما يرام، كما هو متوقع، سيكون الفلكيون في العشرينيات من هذا القرن يسبحون في بحر من البيانات والملايين من الغيغابايتات التي تأتي من الأرض والفضاء البعيد.

* عدسات كونية
في 20 يونيو (حزيران) الماضي، قام المسؤولون في المرصد الجنوبي الأوروبي بنسف قمة في جبل في شمال تشيلي يدعى «أمازونس» لتشييد أكبر وأقوى مرصد بصري عرف حتى الآن. وسيكون لهذا المرصد الذي سيعرف بـ«المرصد الأوروبي الكبير جدا» E - ELT وهو عدسة مقطعية مجزأة يبلغ قطرها 39 مترا، هي من القوة ما يمكن معها رؤية الكواكب حول الشموس البعيدة. وعلى سبيل المقارنة فإن أكبر المراصد العاملة الحالية يبلغ قطر عدستها 10 أمتار.
ومرصد جنوبي أوروبا هو اتحاد مكون من 14 دولة أوروبية مع البرازيل، التي ما تزال تنتظر موافقة برلمانها للمصادقة على هذه الخطوة. وإذا ما حصل ذلك تكون هذه المجموعة من الدول قد قطعت 90 في المائة من الطريق في جمع 1.5 مليار دولار، التي هي تكلفة إقامة المرصد. ومن المقرر الانتهاء من إقامة المرصد في 19 يونيو (حزيران) من عام 2024 وفقا إلى تيم دي زيوا مدير إدارة المجموعة، الذي صرح أثناء حفل حفر الأساسات في قمة الجبل، «سنعود إلى هنا في هذا التاريخ».
وهذا ليس المشروع العملاق الوحيد فقط، فقبل سنتين قامت مجموعة أخرى من الفلكيين، بحفر قمة جبل آخر في تشيلي، يخططون فيه لتشييد تلسكوب «جاينت ماغلان» العملاق. وسيكون في قلب مجموعة من سبع عدسات، كل منها بقطر ثمانية أمتار مترابطة معا، لتؤدي وظيفة عدسة بقطر 25 مترا. وقد جرى حتى الآن قطع ثلاث من هذه العدسات وصبها وصقلها وتلميعها وذلك في جامعة أريزونا في أميركا، أحد المؤسسات التسع التي تشكل منظمة «جاينت ماغلان». وقد جرى حتى الآن جمع نحو 500 مليون دولار من أصل 880 مليونا تكلفة التلسكوب، وفقا إلى ويندي فريدمان مديرة مراصد كارنيغي، إحدى ركائز المنظمة هذه. ومن المتوقع الشروع بعملية البناء والإنشاء أواخر العام الحالي.
وفي هاواي تقوم مجموعة أخرى من الفلكيين بالتخطيط لتشييد تلسكوب بقطر 30 مترا، مطلقين عليه اسم «تلسكوب الثلاثين مترا»، وذلك على هضبة تقع تحت قمة جبل «مونا كيه» البالغ ارتفاعها 14 ألف قدم، التي هي أعلى قمة مطلة على المحيط الهادئ التي هي سلفا مقر لـ12 تلسكوبا، بما في ذلك تلسكوبان بقطر 10 أمتار في مرصد «كيك»، فضلا عن زوج من التلسكوبات بقطر ثمانية أمتار، ما يجعله أكثر الجبال ازدحاما بالمراصد في عالم الفلك. ويعد هذا المكان مقدسا من قبل سكان جزر هاواي، لأن الكثير من أجدادهم دفنوا هناك، وبذلك من الصعب الحصول على ترخيص لإضافة تلسكوب جديد هناك، كما يقول مايكل بولتي من جامعة سانتا كروز في كاليفورنيا، والمدير المشارك للمشروع، الذي هو وليد تعاون تقوده «كالتيك» (جامعة كاليفورنيا للتقنيات) فضلا عن جامعة كاليفورنيا.
وسيكلف «تلسكوب الثلاثين مترا» 1.2 مليار دولار بقيمة دولارات عام 2012. وفي أوائل العام الحالي، عندما يتوقع أن تصبح الهند وكندا عضوين كاملين في مجموعة أو تحالف الدول هذه، يكون قد جرى جمع 85 في المائة من المال المطلوب، كما يقول بولتي، مما يجعلهم يبحثون عن المزيد من الشركاء.

* تلسكوبات عملاقة
ويقول الفلكيون إن المشاهد من هذه التلسكوبات الجديدة ستكون مدهشة، فقدرة التلسكوب على جمع الضوء تقرره مساحة العدسة الرئيسة. ولفترة طويلة كانت العدسة العاكسة «هال» بقطر خمسة أمتار المركبة على حبل بالومار في منطقة سان دييغو بالولايات المتحدة تعد الحد العملي الأقصى لتلسكوب أرضي. لكن في الثمانينيات صمم الفلكيون أساليب جديدة لتشييد عدسات كبيرة وأكثر رقة لا يمكنها أن تضعف، ما أدى إلى صنع عدسات أكبر بقياس ثمانية أمتار، فضلا عن زوج من عدسات تلسكوب «كيك» بقياس عشرة أمتار. وستكون تلسكوبات «ماغلان» الأصغر في الجيل الجديد في أي حال، أقوى بستة أضعاف من الأخيرة، أي «كيك»، في مراقبة أضواء النجوم البعيدة الخافتة، كما ستكون الأخرى، حتى أقوى من ذلك بكثير.
والمعلوم أن تلسكوب «هابل» الفضائي يبلغ قطره 94 بوصة فقط، أي 2.4 متر. لكنه يستمد قوته ليس من حجمه، بل لكونه فوق الغلاف الجوي الأرضي الذي يتداخل مع الضوء الصادر عن النجوم. ولزيادة قوتها أكثر فأكثر، فإنها ستزود هذه التلسكوبات الجديدة بتقنيات لم تكن موجودة، مما سيمكنها من مراقبة الأضواء الخافتة جدا للأجسام البعيدة، بشكل يتفوق على «هابل».
ولكن أين تقع النجوم في ذلك الفضاء السحيق؟ كان من بين العناوين الكبرى في أخبار الصحف قبل سنتين قيام مكتب الاستطلاع القومي الذي يدير أقمار التجسس الصناعية بإهداء «ناسا» تلسكوبين فضائيين بحجم وتصميم «هابل» كانا متروكين في أحد المستودعات. وأشار الفلكيون، ومنهم رائد الفضاء السابق جون إم. غرنسفيلد مدير الإدارة المشارك في «ناسا» للرحلات العلمية، إلى إمكانية استخدام أحد هذين التلسكوبين في مهمة لدراسة «ألطاقة السوداء».
وقامت لجنة من الأكاديمية الوطنية للعلوم أخيرا بإقرار الاقتراح هذا باستخدام تلسكوب التجسس بقطر 2.4 متر، بدلا من التلسكوب الأصلي بقطر متر واحد. واقتنعت الأكاديمية بأن التلسكوب الكبير من شأنه تعزيز العوائد العلمية للمهمة التي باتت تعرف حاليا بـ«وي فيرست - أفتا»، لكنا حذرت من زيادة النفقات والتكاليف والتعقيدات أيضا. وأشار الكونغرس الأميركي على «ناسا» إنفاق 56 مليون دولار على الرحلة هذه في السنة المالية الأخيرة، 2014، واقترح ميزانية للعام المقبل 2015 تشمل 14 مليون دولار. وقد تبدأ هذه المهمة في أوائل عام 2023، في الوقت الذي ستقوم فيه وكالة الفضاء الأوروبية بإرسال مسبارها لهذا الغرض أيضا المعروف باسم «إيوكلد».
ومن الإمكانات التي تدرسها «ناسا» إضافة «كورونوغراف» إلى التلسكوب هذا، وهو عبارة عن أقراص غير شفافة لحجب الضوء الشديد الصادر عن الشمس والنجوم البراقة، ليتمكن الفلكيون من مراقبة الأجسام الخافتة، مثل الكواكب وما يجاورها، وهذا ما يمكن من دراسة كواكب قد تشبه كوكب الأرض.
تبقى الإشارة إلى أكثر المشاريع تكلفة وأهمية، وهي عبارة عن عين كبرى تنظر إلى السماء. إنها تلسكوب «جيمس ويب» (على اسم المدير السابق لـ«ناسا») الفضائي الذي وصفته مجلة «نيتشر» بـ«التلسكوب الذي سيلتهم علم الفلك». وسيكون خليفة «هابل»، لكن بثلاثة أضعاف حجمه، وبعدسة يبلغ قطرها 6.5 متر، التي ستتفتح في مدارها الفضائي كالوردة. وكان من المقرر أن يبدأ العمل هذا العام، لكنه تأخر عن موعده بتكلفة خمسة مليارات دولار، وقد رصد له ميزانية إجمالية قدرها ثمانية مليارات دولار، لإنجازه وإطلاقه في عام 2018.

* خدمة «نيويورك تايمز».



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»