إن الحدود التالية في الفضاء أقرب مما تعتقد – مرحبا بكم في عالم الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض للغاية

عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.

تم نشر هذه المقالة أصلا في المحادثة. ساهم المنشور بالمقال في موقع Space.com أصوات الخبراء: افتتاحية ورؤى.

هناك حوالي 15000 قمر صناعي تدور حول الأرض. معظمهم، مثل محطة الفضاء الدولية و تلسكوب هابل، يقيم في مدار أرضي منخفض, أو LEO، الذي يصل ارتفاعه إلى حوالي 1200 ميل (2000 كيلومتر) فوق سطح الأرض.

ولكن مع إطلاق المزيد والمزيد من الأقمار الصناعية إلى المدار الأرضي المنخفض – SpaceX’s كوكبة الإنترنت ستارلينك وحدها سوف في نهاية المطاف أرسل عدة آلاف آخرين إلى هناك – المنطقة الحصول على مزدحمة بعض الشيء.

ولهذا السبب، من حسن الحظ أن هناك مدارًا آخر، أقرب إلى الأرض، والذي يعد بالمساعدة في تخفيف الازدحام. إنه يسمى VLEO، أو مدار أرضي منخفض جدًا، ويتراوح ارتفاعه بين 60 إلى 250 ميلاً (100 إلى 400 كيلومتر) فقط فوق سطح الأرض.

باعتباره مهندس وأستاذ الذي يقوم بتطوير تقنيات لتوسيع الوجود البشري إلى ما هو أبعد من الأرض، أستطيع أن أخبركم أن الأقمار الصناعية الموجودة في مدار أرضي منخفض جدًا، أو VLEO، توفر مزايا مقارنة بالأقمار الصناعية ذات الارتفاعات الأعلى. ومن بين المزايا الأخرى التي يمكن أن توفرها أقمار VLEO الصناعية صور عالية الدقة، واتصالات أسرع، وعلوم جوية أفضل. الإفصاح الكامل: أنا أيضًا مؤسس مشارك ومالك مشارك لشركة Victoria Defense، التي تسعى إلى تسويق VLEO وغيرها من تقنيات الطاقة الموجهة الفضائية.

مزايا VLEO

الصور الملتقطة من الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض جدًا تكون أكثر وضوحًا لأنها ببساطة رؤية الأرض بشكل أكثر وضوحا من الأقمار الصناعية التي تكون على ارتفاع أعلى، مثل كيف يساعدك الاقتراب من اللوحة على رؤيتها بشكل أفضل. وهذا يترجم إلى صور عالية الدقة للزراعة، علم المناخوالاستجابة للكوارث وأغراض المراقبة العسكرية.

يعد الاتصال من طرف إلى طرف أسرع، وهو مثالي للاتصالات في الوقت الفعلي، مثل خدمة الهاتف والإنترنت. على الرغم من أن الإشارات لا تزال تنتقل بنفس السرعة، إلا أنها لا تحتاج إلى قطع مسافة طويلة، لذلك يقل زمن الاستجابة وتتم المحادثات بسلاسة أكبر.

كثيراً التنبؤ بالطقس يعتمد على صور السحب فوق الأرض، لذا فإن التقاط تلك الصور بشكل أقرب يعني دقة أعلى ومزيدًا من البيانات للتنبؤ بها.

وبسبب هذه الفوائد، الوكالات الحكومية و صناعة تعمل على تطوير أقمار صناعية ذات مدار أرضي منخفض جدًا.

التعطيل: السحب الجوي

ربما تتساءل لماذا تم تجنب هذه المنطقة من الفضاء حتى الآن لعمليات الأقمار الصناعية المستمرة. وذلك لسبب رئيسي واحد: السحب الجوي.

غالبًا ما يُنظر إلى الفضاء على أنه فراغ. إذن، أين يبدأ الفضاء بالضبط؟ على الرغم من ارتفاعه حوالي 62 ميلاً (100 كيلومتر) – المعروف باسم خط فون كارمان – تعتبر على نطاق واسع نقطة البداية، فلا يوجد انتقال صعب حيث يبدأ الفضاء فجأة. بدلاً من ذلك، عندما تبتعد عن الأرض، فإن الجو يخفف.

في وتحت مدار الأرض المنخفض جدًا، يكون الغلاف الجوي للأرض لا يزال سميكًا بما يكفي لإبطاء حركة الأقمار الصناعية، مما يتسبب في تباطؤ الأقمار الصناعية الموجودة على أدنى ارتفاعات deorbit في أسابيع أو حتى أيام، يحترقون بشكل أساسي عندما يعودون إلى الأرض. ولمواجهة هذا السحب الجوي والبقاء في المدار، يجب على القمر الصناعي أن يدفع نفسه باستمرار إلى الأمام – مثلما يتطلب ركوب الدراجة في مهب الريح استخدام دواسة مستمرة.

للدفع في الفضاء، يتم استخدام الأقمار الصناعية أنواع مختلفة من الدافعات، والتي توفر الدفعة اللازمة لمنع التباطؤ. لكن في VLEO، يجب أن تكون أجهزة الدفع قيد التشغيل طوال الوقت، أو معظمه تقريبًا. على هذا النحو، سوف ينفد الوقود من أجهزة الدفع التقليدية بسرعة.

ولحسن الحظ، لا يزال الغلاف الجوي للأرض في VLEO سميكًا بدرجة كافية بحيث يمكن استخدام الغلاف الجوي نفسه كوقود.

تقنيات الدفع المبتكرة

وهنا يأتي دور بحثي. في ولاية بنسلفانيا، بالتعاون مع Georgia Tech وبتمويل من وزارة الدفاع الأمريكية، يقوم فريقنا بتطوير نظام دفع جديد مصممة للعمل على ارتفاع 43 إلى 55 ميلاً (70 إلى 90 كيلومترا). ومن الناحية الفنية، فإن هذه الارتفاعات أقل من مدار الأرض المنخفض جدًا، مما يجعل التحدي المتمثل في التغلب على السحب أكثر صعوبة.

يقوم نهجنا بجمع الغلاف الجوي باستخدام مغرفة، مثل فتح فمك على نطاق واسع أثناء قيادة الدراجة، ثم يستخدم أفران ميكروويف عالية الطاقة لتسخين الغلاف الجوي المجمع. يتم بعد ذلك طرد الغاز الساخن من خلال فوهة، مما يدفع القمر الصناعي إلى الأمام. يطلق فريقنا على هذا المفهوم اسم دافع بلازما الميكروويف الذي يتنفس الهواء. لقد تمكنا من عرض نموذج أولي للدافع في المختبر داخل غرفة مفرغة تحاكي الضغط الجوي الموجود على ارتفاع 50 ميلاً (80 كم).

وهذا النهج بسيط نسبيًا، لكنه يحمل إمكانات، خاصة على الارتفاعات المنخفضة حيث يكون الغلاف الجوي أكثر سمكًا. في الأعلى، حيث الغلاف الجوي أرق، يمكن للمركبات الفضائية استخدام أنواع مختلفة من محركات VLEO التي يطورها الآخرون لتغطية نطاقات ارتفاع كبيرة.

فريقنا ليس الوحيد الذي يعمل على تكنولوجيا الدفع. مثال واحد فقط: عقدت وزارة الدفاع الأمريكية شراكة مع مقاول دفاع السلك الأحمر لتطوير قضاعة، وهو قمر صناعي VLEO بنسخته من تقنية الدفع التي تتنفس الغلاف الجوي.

هناك خيار آخر للاحتفاظ بقمر صناعي في VLEO، والذي يستفيد من التكنولوجيا التي عملت عليها طوال مسيرتي المهنية، وهو ربط قمر صناعي ذو مدار منخفض بقمر صناعي ذو مدار أعلى بحبل طويل. على الرغم من أن وكالة ناسا لم تطلق مثل هذا النظام مطلقًا، إلا أن مهمة المتابعة المقترحة إلى القمر الصناعي ربط نظام الأقمار الصناعية كانت المهام التي تم إجراؤها في التسعينيات هي إسقاط قمر صناعي إلى مدار أقل بكثير من مكوك الفضاء، متصلاً بحبل طويل جدًا. نقوم حاليًا بإعادة النظر في هذا النظام لمعرفة ما إذا كان يمكن أن يعمل مع VLEO في شكل معدل.

مضاعفات أخرى

إن التغلب على السحب، رغم أنه الأكثر صعوبة، ليس هو التحدي الوحيد. تتعرض الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض جدًا لمستويات عالية جدًا من الأكسجين الذري، وهو شكل عالي التفاعل من الأكسجين الذي يؤدي إلى تآكل معظم المواد بسرعة، حتى البلاستيك.

ويجب أن تتحمل مواد القمر الصناعي أيضًا درجات حرارة عالية للغاية، تزيد عن 2732 درجة فهرنهايت (1500 درجة مئوية)، لأن الاحتكاك يؤدي إلى تسخينها أثناء تحركها عبر الغلاف الجوي، وهي ظاهرة تحدث عندما تقوم جميع المركبات الفضائية العودة إلى الغلاف الجوي من المدار.

إن إمكانات هذه الأقمار الصناعية هي الدافع وراء البحث والاستثمار، وقد أصبحت المهام المقترحة حقيقة واقعة. أبحاث العرعر وتشير التقديرات إلى أنه سيتم استثمار 220 مليار دولار في السنوات الثلاث المقبلة فقط. قريبًا، قد يصبح الإنترنت وتنبؤات الطقس والأمان لديك أفضل، وذلك بفضل أقمار VLEO الصناعية.