تواجه الأقمار الصناعية في مدار الأرض المنخفض تهديدًا متزايدًا من الحطام، مما يستدعي تطوير تقنيات جديدة للحماية.
زيادة الحطام الفضائي وطرق حماية الأقمار الصناعية
الملخص: تواجه الأقمار الصناعية في مدار الأرض المنخفض تهديدًا متزايدًا من الحطام، وتعمل الشركات على تطوير طرق جديدة للكشف عن الضربات وتحملها. يمكن أن تساعد المستشعرات الجديدة المشغلين في معرفة المزيد عن الضربات التي تُلحق الأذى بالأقمار الصناعية أو تسبب أعطالًا غير مفسرة. في الوقت نفسه، تختبر الشركات والباحثون دروعًا أخف وزنًا يمكن أن توفر حماية أفضل دون إضافة وزن كبير.
تقنيات جديدة لمراقبة الضربات
بدأت شركة Odin Space، التي تتخذ من سانتا آنا، كاليفورنيا، مقرًا لها، في بيع شرائط لاصقة مزودة بمستشعرات اهتزاز للأقمار الصناعية. تم تصميم هذه الشرائط لتسجيل الضربات ومساعدة المشغلين في تقييم حجم وقوة الضربة.
يمكن أن تعالج البيانات الناتجة مشكلة مستمرة في سوق الأقمار الصناعية الصغيرة. وجدت دراسة أجريت في عام 2021 أن حوالي واحد من كل خمسة أقمار صناعية صغيرة يتوقف عن العمل خلال عام من الإطلاق. لا يعرف المشغلون سبب حوالي 60% من تلك الأعطال. تعتبر ضربات الحطام تفسيرًا محتملاً، لكن المركبات الفضائية غالبًا ما توفر أدلة قليلة حول ما حدث.
تزايد الحطام الفضائي
تزداد أهمية هذه الشكوك مع ارتفاع كمية الحطام في المدار. تقول وكالة الفضاء الأوروبية إن كمية المواد البشرية الصنع في المدار قد تضاعفت أكثر من مرتين منذ عام 2017. في مدار الأرض المنخفض، يمكن أن يسير الحطام بسرعة حوالي سبعة كيلومترات في الثانية. عند هذه السرعات، يمكن أن تتسبب حتى الشظايا الصغيرة في إلحاق الضرر بالإلكترونيات، أو ثقب المكونات الخارجية، أو تعطيل القمر الصناعي.
مواد الحماية التقليدية
يظل الألمنيوم هو المادة القياسية لحماية المركبات الفضائية. تستخدم العديد من الأقمار الصناعية ألواحًا من الألمنيوم مدعومة بهياكل من الألمنيوم على شكل خلية نحل. التصميم خفيف نسبيًا، لكنه يوفر حماية محدودة ضد الضربات عالية السرعة.
خيارات جديدة للحماية
خيار أكثر قوة هو درع Whipple. يستخدم واقيًا خارجيًا رقيقًا يوضع على بعد بضع سنتيمترات من الدرع الرئيسي. يكسر الطبقة الخارجية الجسم القادم قبل أن يصل إلى الجدار الرئيسي، مما يقلل من قوة الضربة. هذه الطريقة فعالة، لكنها تضيف وزنًا وتستغرق مساحة، وهما قيود رئيسية لبناة الأقمار الصناعية.
تقوم شركة Atomic-6، التي تقع بالقرب من أتلانتا، بتطوير بديل يسمى Space Armor. لم تكشف الشركة عن المواد المستخدمة في بلاطها المركب، الذي يبلغ حجمه حجم اليد، وسمكه 2.5 سنتيمتر، ويزن تقريبًا مثل هاتف آيفون.
في الاختبارات، أوقفت البلاطات المقذوفات الألمنيوم بحجم حبة البازلاء التي تسير بسرعة 7.2 كيلومترات في الثانية. قال تريفور سميث، الرئيس التنفيذي لشركة Atomic-6، لمجلة The Economist إن المادة لا تنتج شظايا بالطريقة التي يمكن أن يفعلها الدرع التقليدي. وأوضح أن الحطام المعدني يتبخر ويمتص بواسطة البلاطة.
البحث والتطوير في الحماية
تعمل مجموعات أخرى مع تركيبات من المواد الموجودة. يمكن دمج الكيفلار، المستخدم في المعدات المقاومة للرصاص وعلى محطة الفضاء الدولية، مع Nextel، وهو مادة سيراميكية منسوجة. يمكن أن توفر هذه التركيبة درعًا أخف وزنًا للمركبات الفضائية الصغيرة منخفضة التكلفة.
في جامعة بادوا في إيطاليا، يستخدم الباحثون الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء دروع تجريبية من الألمنيوم، الكيفلار، وراتنج مدعم بالألياف الكربونية. يسمح لهم عملية الطباعة ببناء تجاويف داخل الهيكل. يقول لورنزو أوليفييري وزملاؤه إن الفراغات يمكن أن تكسر الجسم القادم على مراحل، تمامًا مثل درع Whipple.
كما اختبرت ناسا رغوة الألمنيوم كمادة حماية. تحتوي الرغوة على شبكة من الفراغات الصغيرة داخل المعدن. في الاختبارات، قدم درع يحتوي على طبقة من رغوة الألمنيوم بسمك يزيد قليلاً عن 6 ملليمترات حماية مماثلة لتلك التي يوفرها درع Whipple التقليدي الذي يزن ضعف الوزن.
تحديد المواد المناسبة
ستعتمد الطريقة الصحيحة على المكان الذي يعمل فيه القمر الصناعي. يمكن أن يتضمن الحطام شظايا معدنية، بلاستيك، رقائق طلاء، وصخور طبيعية، ويختلف المزيج من مدار إلى آخر. قالت رانفايغ ماري فايرغستاد، مصممة الدروع في شركة Thales Alenia Space، إن المعلومات الأفضل حول تلك الظروف ستساعد المهندسين في اختيار المواد والتصاميم المناسبة للدروع.
يمكن أن تجعل مستشعرات التأثير هذه العملية أكثر دقة. من خلال جمع البيانات حول الاصطدامات الفعلية، قد تعطي مشغلي الأقمار الصناعية والمصنعين رؤية أوضح عن مخاطر الحطام التي تواجهها مركباتهم الفضائية.
مع تزايد الحطام الفضائي، يصبح من الضروري تحسين تقنيات الحماية لضمان سلامة الأقمار الصناعية في الفضاء.
