هل يستطيع الليزر إرسال مركبة فضائية إلى المريخ؟ هذه هي المهمة المقصودة للمجموعة من جامعة ماكجيل ، والمصممة لتلبية طلب ناسا. يعمل الليزر الذي يبلغ عرضه 10 أمتار على الأرض على تسخين بلازما الهيدروجين في غرفة خلف المركبة الفضائية ، مما يؤدي إلى دفع غاز الهيدروجين للمركبة الفضائية وإرساله إلى المريخ في 45 يومًا فقط. هناك سيتباطأ في الغلاف الجوي للمريخ ، مما يوفر الإمدادات للمستعمرين البشريين ، أو ربما في يوم من الأيام حتى تسليم البشر أنفسهم.
في عام 2018 ، حثت وكالة ناسا المهندسين على تطوير مهمة إلى المريخ من شأنها أن تنقل حمولة لا تقل عن 1000 كجم في أكثر من 45 يومًا ، بالإضافة إلى القيام برحلات أطول في أعماق النظام الشمسي وما بعده. تحفز أوقات التسليم القصيرة الرغبة في نقل الحمولات ، وفي يوم من الأيام ، رواد الفضاء إلى المريخ مع تقليل آثارهم الضارة من الأشعة الكونية المجرية والعواصف الشمسية. يقترح سبيس إكس من إيلون ماسك أن مهمة الإنسان إلى المريخ ستستغرق ستة أشهر بصواريخها الكيميائية.
يعتمد مفهوم McGill ، المسمى محرك الليزر الحراري ، على مجموعة من أشعة الليزر تحت الحمراء الموجودة على الأرض ، وقطرها 10 أمتار ، وتجمع بين العديد من حزم الأشعة تحت الحمراء غير المرئية ، كل منها بطول موجة يبلغ حوالي ميكرون واحد ، بطاقة إجمالية تبلغ 100 ميغاواط. الطاقة اللازمة لما يقرب من 80000 أسرة أمريكية. سوف يكون للحمولة ، التي تدور في مدار أرضي وسط بيضاوي الشكل ، عاكس يوجه شعاع الليزر القادم من الأرض إلى غرفة التدفئة التي تحتوي على بلازما الهيدروجين. بعد تسخين قلبه إلى 40000 درجة كلفن (72000 درجة فهرنهايت) ، سيصل غاز الهيدروجين المتدفق حول اللب إلى 10000 كلفن (18000 درجة فهرنهايت) وسيتم طرده من خلال فوهة ، مما يخلق قوة دفع لدفع السفينة من الأرض باستخدام فاصل زمني 58 دقيقة. (ستبقي الدفاعات الجانبية السفينة متماشية مع شعاع الليزر أثناء دوران الأرض).
عندما يتوقف الإشعاع ، تتطاير الحمولة بعيدًا بما يقرب من 17 كيلومترًا في الثانية بالنسبة إلى الأرض - بسرعة كافية لتغطية المسافة المدارية للقمر في ثماني ساعات فقط. عندما تصل إلى الغلاف الجوي للمريخ في غضون شهر ونصف ، ستظل تسير بسرعة 16 كم / ثانية ؛ ومع ذلك ، بمجرد الوصول إلى هناك ، سيكون وضع الحمولة في مدار 150 كم حول المريخ تحديًا للفريق الهندسي.
إنه أمر صعب لأن الحمولة لا يمكنها حمل المادة الكيميائية الدافعة لإطلاق الصاروخ لإبطاء نفسه - فالوقود اللازم سيقلل من كتلة الحمولة إلى أقل من 6 في المائة من الوزن الأصلي البالغ 1000 كجم. وإلى أن يتمكن الأشخاص على الكوكب الأحمر من بناء مصفوفة ليزر مكافئة لسفينة تقترب من استخدام عاكسها وغرفة البلازما لتوفير الدفع العكسي ، سيكون الالتقاط الجوي هو الطريقة الوحيدة لإبطاء الحمولة على المريخ.
ومع ذلك ، يمكن أن يكون الالتقاط الجوي أو الكبح الجوي في الغلاف الجوي للمريخ مناورة محفوفة بالمخاطر ، حيث تتعرض المركبة الفضائية لتباطؤ يصل إلى 8 جم (حيث g هي التسارع بسبب الجاذبية على سطح الأرض ، 9.8 م / ث 2) ، تقريبًا الحد البشري ، ببضع دقائق فقط ، منذ أن تم تصويره بتمريرة واحدة حول المريخ. التدفقات الحرارية الكبيرة على متن السفينة بسبب الاحتكاك مع الغلاف الجوي ستكون أعلى من المواد التقليدية لنظام الحماية الحرارية ، ولكن ليس تلك التي هي قيد التطوير النشط.
الدفع الحراري بالليزر للمركبة الفضائية إلى الفضاء السحيق - المريخ وما وراءه - يتناقض مع طرق النقل الأخرى المقترحة سابقًا ، مثل الدفع الكهربائي بالليزر ، حيث يضرب شعاع الليزر العناصر الكهروضوئية (PV) خلف الحمولة ؛ محرك كهربائي يعمل بالطاقة الشمسية حيث تولد أشعة الشمس على الخلايا الكهروضوئية قوة الجر ؛ محرك كهربائي نووي ، حيث يقوم المفاعل النووي بتوليد الكهرباء التي تنتج الأيونات المنبعثة من المحرك ؛ ونظام الدفع الحراري النووي ، حيث تقوم الحرارة من المفاعل النووي بتحويل السائل إلى غاز ، والذي يتم طرده من الفوهة لتوليد الدفع.
يقول إيمانويل دوبلاي ، المؤلف الرئيسي للدراسة ، والذي عمل على مشروع لمدة عامين. سنوات كجزء من برنامج البكالوريوس الصيفي في الدراسات الهندسية في جامعة ماكجيل. يدرس دوبلاي حاليًا في جامعة دلفت للتكنولوجيا في برنامج ماجستير العلوم في هندسة الفضاء مع تخصص في رحلات الفضاء.الميزة العظيمة لمفهوم الدفع الحراري بالليزر التي قدمها Duplay et al. هي نسبة الكتلة إلى الطاقة المنخفضة للغاية ، في حدود 0.001-0.010 كجم / كيلوواط - "غير مسبوق" ، كما كتبوا ، "أقل بكثير من تلك المعطاة لتكنولوجيا الدفع النووي المتقدمة ، بسبب حقيقة أن مصدر الطاقة لا يزال على الأرض ويمكن معالجة التيار المتدفق باستخدام عاكس قابل للنفخ منخفض الكتلة. "
تمت دراسة الحركة الحرارية بالليزر لأول مرة في السبعينيات باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بحجم 10.6 ميكرون ، وهو أقوى أنواع الليزر في ذلك الوقت. ليزر الألياف الضوئية الحديث أحادي الميكرون ، والذي يمكن دمجه في مصفوفات مرحلية متوازية بشكل كبير بأقطار فعالة كبيرة ، يعني أن الطول البؤري لنقل الطاقة أعلى بمرتين من حيث الحجم - 50000 كم في ليزر دوبلاي.
يوضح دوبلاي أن بنية الليزر ذات المصفوفة المرحلية يتم تطويرها من قبل مجموعة بقيادة الفيزيائي فيليب لوبين في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا. تستخدم مصفوفة مجموعة Lubin مضخمات ليزر فردية يبلغ كل منها حوالي 100 واط - كل مضخم عبارة عن حلقة بسيطة من الألياف ومصباح LED كمضخة ، ويمكن إنتاجه بكميات كبيرة غير مكلفة - لذا فإن مهمة المريخ المتصورة هنا تتطلب في حدود 1 مليون. مكبرات الصوت الفردية.
من المحتمل ألا يصل البشر الأوائل على المريخ إلى هناك باستخدام تقنية الليزر الحرارية. يقول دوبلاي: "مع ذلك ، مع قيام المزيد من الناس برحلة لدعم مستعمرة طويلة الأمد ، سنحتاج إلى أنظمة دفع توصلنا إلى هناك بشكل أسرع ، حتى لو كان ذلك فقط لتجنب خطر الإشعاع". وهو يعتقد أن مهمة الليزر الحرارية إلى المريخ يمكن أن تبدأ بعد 10 سنوات من الرحلات البشرية الأولى ، أي حوالي عام 2040.
bbabo.Net