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

هناك حوالي 15000 قمر صناعي يدور حول الأرض. معظمها، مثل محطة الفضاء الدولية وتلسكوب هابل، يقع في مدار أرضي منخفض، أو LEO، والذي يبلغ ارتفاعه حوالي 1200 ميل (2000 كيلومتر) فوق سطح الأرض.

ولكن مع إطلاق المزيد والمزيد من الأقمار الصناعية إلى المدار الأرضي المنخفض – كوكبة الإنترنت Starlink التابعة لشركة SpaceX وحدها سترسل في النهاية عدة آلاف أخرى إلى هناك – أصبحت المنطقة مزدحمة بعض الشيء.

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

باعتباري مهندسًا وأستاذًا يعمل على تطوير تقنيات لتوسيع الوجود البشري إلى ما هو أبعد من الأرض، يمكنني أن أخبرك أن الأقمار الصناعية الموجودة في مدار أرضي منخفض جدًا، أو VLEO، توفر مزايا مقارنة بالأقمار الصناعية ذات الارتفاعات الأعلى. ومن بين المزايا الأخرى، يمكن للأقمار الصناعية VLEO توفير 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 ترى الأرض بشكل أكثر وضوحًا من الأقمار الصناعية الموجودة في الأعلى، نوعًا ما يشبه كيف يساعدك الاقتراب من اللوحة على رؤيتها بشكل أفضل. وهذا يُترجم إلى صور عالية الدقة لأغراض الزراعة وعلوم المناخ والاستجابة 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.

يعتمد الكثير من التنبؤات الجوية على صور السحب فوق الأرض، لذا فإن التقاط هذه الصور بشكل أقرب يعني دقة أعلى ومزيدًا من البيانات للتنبؤ بها.

وبسبب هذه الفوائد، تعمل الوكالات الحكومية والصناعة 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. إنه لسبب رئيسي واحد: السحب الجوي.

غالبًا ما يُنظر إلى الفضاء على أنه فراغ. إذن، أين يبدأ الفضاء بالضبط؟ على الرغم من أن ارتفاع حوالي 62 ميلاً (100 كيلومتر) – المعروف بخط فون كارمان – يعتبر على نطاق واسع نقطة البداية، إلا أنه لا يوجد انتقال صعب حيث يبدأ الفضاء فجأة. وبدلاً من ذلك، كلما ابتعدت عن الأرض، أصبح الغلاف الجوي أقل سمكًا.

داخل وتحت مدار الأرض المنخفض جدًا، لا يزال الغلاف الجوي للأرض سميكًا بدرجة كافية لإبطاء الأقمار الصناعية، مما يتسبب في خروج الأقمار الصناعية الموجودة على أدنى ارتفاعات من مدارها خلال أسابيع أو حتى أيام، وتحترق بشكل أساسي عند سقوطها مرة أخرى على 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، تستخدم الأقمار الصناعية أنواعًا مختلفة من أجهزة الدفع، والتي توفر الدفع اللازم 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 معهد جورجيا للتكنولوجيا وبتمويل من وزارة الدفاع الأمريكية، يقوم فريقنا بتطوير نظام دفع جديد مصمم للعمل على ارتفاع يتراوح بين 43 إلى 55 ميلاً (70 إلى 90 كيلومترًا). 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 محرك 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 الدفاع Red Wire لتطوير Otter، 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 لمهمات نظام الأقمار الصناعية الحبلية التي تم إطلاقها في التسعينيات كانت تتمثل في إسقاط قمر صناعي في 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 يؤدي بسرعة إلى تآكل معظم المواد، حتى البلاستيك.

يجب 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 تعود جميع المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي من المدار.

إن إمكانات هذه الأقمار الصناعية هي الدافع وراء البحث والاستثمار، وقد أصبحت المهام المقترحة حقيقة واقعة. وتقدر أبحاث جونيبر 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.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: سفين بيلين، ولاية بنسلفانيا

اقرأ المزيد:

سفين بيلين هو مؤسس ومالك مشارك لشركة Victoria Defense، التي تسعى إلى تسويق VLEO وتقنيات الفضاء الأخرى. يتلقى تمويلًا من DARPA و NASA فيما يتعلق بتقنيات VLEO.