علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
New concept for rocket thruster exploits the mechanism behind solar flares
(Raphael Rosen – بواسطة: رافائيل روزن)
اقترحت الدكتورة فاطمة ابراهيمي، عالمة الفيزياء في مختبر “برينستون لفيزياء البلازما” ، نوعًا جديدًا من الصواريخ الدافعة تجعل الكواكب ما وراء كوكب المريخ في متناول رواد الفضاء. هذا النوع من الصواريخ يعتمد على مفهوم علمي جديد مبني على أوجه التشابه بين عادم السيارة وجزيئات العادم عالية السرعة التي تم إنشاؤها بواسطة تجربة الحلقة الكروية الوطنية، في منشأة الاندماج الرائدة لمختبر برينستون لفيزياء البلازما. ويستعمل الجهاز مجالات مغناطيسية لتقوم جزيئات من البلازما بإطلاق الجزء الخلفي من الصاروخ ودفع المركبة إلى الأمام بواسطة الحفاظ على الزخم. وسوف يُسَرِّع المفهومُ العلمي الجديد الجسيمات باستخدام إعادة الربط المغناطيسي، وهي عملية موجودة في جميع أنحاء الكون – بما في ذلك سطح الشمس – حيث تتلاقى خطوط المجال المغناطيسي، وتنفصل فجأة، ثم تتحد معًا مرة أخرى، منتجة الكثير من الطاقة. وأظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن مفهوم دافع البلازما الجديد يمكن أن يولد عادمًا بسرعات تصل إلى مئات الكيلومترات في الثانية، وهذه السرعة الأسرع في بداية رحلة المركبة الفضائية تُمَكِّن الوصول الى الكواكب البعيدة في فترة زمنية أقصر.
المقالة
اقترحت عالمة فيزياء في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (Princeton Plasma Physics Laboratory – PPPL) ، التابع لوزارة الطاقة الامريكية، نوعًا جديدًا من الصواريخ الدافعة التي يمكن أن تنقل البشرية إلى كوكب المريخ وما وراءه.
وسيستعمل الجهاز مجالات مغناطيسية لتقوم جزيئات من البلازما [٣] ، وهي غاز مشحون كهربائيًا يُعرف أيضًا باسم الحالة الرابعة للمادة، بإطلاق الجزء الخلفي من الصاروخ؛ وبسبب الحفاظ على الزخم، دفع المركبة إلى الأمام. وتستخدم دافعاتُ البلازما الحالية، التي أثبتت كفاءتها في الفضاء، المجالات الكهربائية لدفع الجسيمات.
وسوف يُسَرِّع المفهومُ العلمي الجديد الجسيمات باستخدام إعادة الربط المغناطيسي، وهي عملية موجودة في جميع أنحاء الكون، بما في ذلك سطح الشمس، حيث تتلاقى خطوط المجال المغناطيسي، وتنفصل فجأة، ثم تتحد معًا مرة أخرى، منتجة الكثير من الطاقة. وتحدث إعادة الربط أيضًا داخل أجهزة اندماج على شكل كعكة دائرية تُعرف باسم توكاماك.
الرابط المغناطيسي – المصدر: https://www.wikiwand.com/en/Magnetic_reconnection
وقالت فاطمة ابراهيمي، عالمة فيزياء الأبحاث الرئيسية في مختبر برينستون لفيزياء البلازما، ومخترعة المفهوم العلمي ومؤلفة ورقة بحثية تشرح بالتفصيل الفكرة في مجلة فيزياء البلازما (Journal of Plasma Physics): “لقد كنت أطهو هذا المفهوم لفترة من الوقت”؛ وتابعت: “خطرت لي الفكرة في عام 2017 عندما كنت جالسةً على سطح السفينة وأفكر في أوجه التشابه بين عادم السيارة وجزيئات العادم عالية السرعة التي تم إنشاؤها بواسطة تجربة الحلقة الكروية الوطنية، في منشأة الاندماج الحالية الرائدة لمختبر برينستون لفيزياء البلازما”. وأضافت: “أثناء تشغيله، ينتج هذا التوكاماك فقاعات مغناطيسية تسمى البلازمويدات تتحرك بسرعة حوالي 20 كيلومترًا في الثانية، والتي بدت لي كثيرًا مثل الدفع”.
يجمع الاندماج، القوة التي تحرك الشمس والنجوم، عناصر الضوء في شكل بلازما – الحالة الساخنة المشحونة للمادة المكونة من الإلكترونات الحرة والنواة الذرية التي تمثل 99٪ من الكون المرئي – لتوليد كميات هائلة من الطاقة. ويسعى العلماء إلى تكرار الاندماج على الأرض للحصول على مصدر طاقة لا ينضب افتراضيًا لتوليد الكهرباء.
ويمكن لدوافع البلازما الحالية التي تستخدم المجالات الكهربائية لدفع الجسيمات إنتاج نبضة أو سرعة محددة. لكن عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجريت على حواسيب مختبر برينستون لفيزياء البلازما ومركز الحوسبة العلمي الوطني لأبحاث الطاقة، وهو مكتب تابع لوزارة الطاقة بمنشأة مستخدمي العلوم في مختبر لورانس بيركلي الوطني في بيركلي بولاية كاليفورنيا، أظهرت أن مفهوم دافع البلازما الجديد يمكن أن يولد عادمًا بسرعات تصل إلى مئات الكيلومترات في ثانية، أسرع بعشر مرات من محركات الدفع الأخرى.
وذكرت الدكتورة إبراهيمي إن هذه السرعة الأسرع في بداية رحلة المركبة الفضائية يمكن أن تجعل الكواكب الخارجية في متناول رواد الفضاء، وقالت: “السفر لمسافات طويلة يستغرق شهورًا أو سنوات، لأن الدافع المحدد لمحركات الصواريخ الكيميائية منخفض جدًا، لذا فإن المركبة تستغرق بعض الوقت لتصل إلى السرعة، ولكن إذا صنعنا محركات دفع استنادًا إلى إعادة الربط المغناطيسي، فيمكننا عندها إكمال المهام بعيدة المدى في فترة زمنية أقصر”.
وهناك ثلاثة اختلافات رئيسية بين مفهوم محرك الدكتورة إبراهيمي والأجهزة الأخرى. الأول هو أن تغيير قوة الحقول المغناطيسية يمكن أن يزيد أو ينقص كمية الدفع. وقالت إبراهيمي: “باستخدام المزيد من المغناطيسات الكهربائية والمزيد من المجالات المغناطيسية، يمكنك في الواقع تشغيل مقبض لضبط السرعة”.
وثانيًا، ينتج الدافع الجديد حركةً عن طريق إخراج جسيمات البلازما والفقاعات المغناطيسية المعروفة باسم البلازمويدات التي تضيف قوة إلى الدفع ولا يشتمل أي مفهوم دافع آخر عليها.
وثالثًا، على عكس مفاهيم الدافع الحالية التي تعتمد على المجالات الكهربائية، فإن المجالات المغناطيسية في مفهوم الدكتورة إبراهيمي تسمح للبلازما داخل الدافع بأن تتكون إما من ذرات ثقيلة أو خفيفة. وتتيح هذه المرونة للعلماء تخصيص مقدار الدفع لمهمة معينة. وقالت إبراهيمي: ” في هذا المفهوم يمكنك استخدام أي نوع من الغاز تريده، بينما تتطلب المحركات الأخرى غازًا ثقيلًا مصنوعًا من ذرات مثل الزينون”. و قد يفضل العلماء الغاز الخفيف في بعض الحالات لأن الذرات الأصغر يمكن أن تتحرك بسرعة أكبر.
ويوسع هذا المفهوم محفظة مختبر برينستون لفيزياء البلازما لأبحاث الدفع الفضائي. وتشمل المشاريع الأخرى تجربة دافع هول (Hall Thruster Experiment) [٤] التي بدأت في 1999 من قبل الفيزيائيين في مختبر برينستون لفيزياء البلازما ييفغيني رايتيسيس (Yevgeny Raitses) وناثانيل فيستش (Nathaniel Fisch) للتحقيق في استخدام جزيئات البلازما لتحريك المركبات الفضائية. ويدرس رايتيسيس والطلاب أيضًا استخدام دافعات القاعة الصغيرة لإعطاء أقمار صناعية صغيرة تسمى كيوب ساتس (CubeSats) قدرة أكبر على المناورة أثناء دورانها حول الأرض.
وأكدت إبراهيمي أن مفهوم الدافع الذي اخترعته ينبع مباشرة من بحثها السابق في طاقة الاندماج، وقالت: “هذا العمل مستوحى من أعمال الاندماج السابقة، وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اقتراح البلازمويدات وإعادة الربط للدفع الفضائي، والخطوة التالية هي بناء نموذج أولي”.
*تمت الترجمة بتصرف
لمزيد من المعلومات: فاطمة إبراهيمي، An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster, Journal of Plasma Physics (2020). DOI: 10.1017/S0022377820001476
المصدر:
https://phys.org/news/2021-01-concept-rocket-thruster-exploits-mechanism.html
الهوامش:
[١] فاطمة ابراهيمي هي عالمة فيزياء وباحثة رئيسية في مختبر برينستون لفيزياء البلازما قسم النظرية وعالمة أبحاث منتسبة في قسم علوم الفيزياء الفلكية بجامعة برينستون. حصلت على درجة الدكتوراه في فيزياء البلازما من جامعة ويسكونسن في مدينة ماديسون عام 2003. المصدر: موقع جامعة برينستون. [٢] المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER) هو مشروع عالمي لبحوث الاندماج النووي والهندسة العملاقة، والذي سيكون أكبر تجربة فيزياء بلازما الحبس المغناطيسي في العالم. إنه مفاعل توكاماك التجريبي للاندماج النووي الذي يتم بناؤه بجوار منشأة كاداراش في سان بول ليس دورانس في بروفانس، جنوب فرنسا. والهدف من المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي اظهار الجدوى العلمية والتكنولوجية لطاقة الاندماج للاستخدام السلمي، وبالتالي تعزيز صناعة الاندماج النووي العالمية. ويكيبيديا [٣] البلازما هي واحدة من أربع حالات أساسية للمادة، وقد وصفها الكيميائي إيرفينغ لانجميور لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي، وتتكون من غاز الأيونات – الذرات التي تمت إزالة بعض إلكتروناتها المدارية – والإلكترونات الحرة، ويمكن توليدها بشكل مصطنع عن طريق تسخين غاز محايد أو تعريضه لمجال كهرومغناطيسي قوي إلى النقطة التي تصبح فيها المادة الغازية المتأينة موصلة للكهرباء بشكل متزايد. وتتأثر الأيونات والإلكترونات المشحونة الناتجة بالمجالات الكهرومغناطيسية بعيدة المدى، مما يجعل ديناميكيات البلازما أكثر حساسية لهذه الحقول من الغاز المحايد. ويكيبيديا [٤] دافع تأثير هول (Hall-effect Thruster – HET) في دفع المركبات الفضائية هو نوع من الدافع الأيوني الذي يتم فيه تسريع المادة الدافعة بواسطة مجال كهربائي. وتستخدم دافعات تأثير هول مجالًا مغناطيسيًا للحد من الحركة المحورية للإلكترونات ثم استخدامها لتأين المادة الدافعة، وتسريع الأيونات بكفاءة لإنتاج قوة الدفع، وتحييد الأيونات في العمود. ويُشار أحيانًا إلى دافعات تأثير هول (استنادًا إلى اكتشاف إدوين هول) بإسم دافعات هول أو محركات هول الحالية. ويُصنَّف محرك تأثير هول على أنه تقنية الدفع الفضائي ذات الدفع النوعي المعتدل (1600 ثانية) وقد استفاد من الأبحاث النظرية والتجريبية الكبيرة منذ الستينيات. وتعمل دافعات هول على مجموعة متنوعة من الدوافع، وأكثرها شيوعًا هي الزينون والكريبتون، وتشمل الدوافع الأخرى ذات الأهمية الأرجون والبزموت واليود والمغنيسيوم والزنك.