عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.
القمر المحيطي الجليدي لكوكب المشتري أوروبا، كما تراه مركبة غاليليو الفضائية التابعة لناسا. | الائتمان: ناسا
يمكن لمفهوم جديد لليزر أن يحدث ثورة في كيفية استكشاف العوالم المتجمدة لنظامنا الشمسي.
عندما يحلم العلماء باستكشاف المحيطات الخفية تحت القشور الجليدية للأقمار مثل كوكب المشتري أوروبا أو زحل إنسيلادوس – أو المناطق الجليدية الأخرى، مثل الفوهات القمرية المظللة بشكل دائم، أو التربة الحاملة للجليد بالقرب من قطبي المريخ – هناك مشكلة رئيسية تقف في الطريق: الحفر عبر الجليد.
تعتبر المثاقب التقليدية ومسابير الصهر ثقيلة ومعقدة وتستهلك كميات هائلة من الطاقة. الآن، طور الباحثون في معهد هندسة الفضاء الجوي في جامعة دريسدن التقنية في ألمانيا حلاً جديدًا واعدًا – وهو حفر الجليد المعتمد على الليزر والذي يمكنه حفر قنوات عميقة وضيقة في الجليد. الجليد مع الحفاظ على متطلبات الكتلة والطاقة منخفضة.
قال مارتن كوساجك، المؤلف الرئيسي للدراسة، لموقع Space.com في رسالة بالبريد الإلكتروني: “لقد أنشأنا مثقابًا ليزر يتيح الوصول العميق والضيق والموفر للطاقة إلى الجليد دون زيادة كتلة الأداة – وهو أمر لا تستطيع المثاقب الميكانيكية ومسبارات الذوبان تحقيقه”.
تصبح المثاقب الميكانيكية أثقل مع العمق لأنها تمد القضبان إلى الأسفل، وتعتمد مجسات الصهر على كابلات طويلة متعطشة للطاقة. يتجنب المثقاب الليزري كلتا المشكلتين عن طريق إبقاء جميع الأدوات على السطح. ترسل هذه التقنية شعاعًا مركزًا إلى الجليد، مما يؤدي إلى تبخيره بدلاً من إذابته، وهي عملية تُعرف باسم التسامي.
يتسرب البخار الناتج إلى أعلى من خلال حفرة ضيقة واسعة بما يكفي لجمع عينات الغاز والغبار. يمكن للأدوات الموجودة على السطح بعد ذلك تحليل هذه العينات لمعرفة التركيب الكيميائي والكثافة، مما يوفر أدلة قيمة حول الخصائص الحرارية وتاريخ تكوين الجسم الكوني الذي يتم استكشافه.
في حين أن الليزر ليس أكثر الأدوات كفاءة في استخدام الطاقة، إلا أن شعاع الليزر يبخر مجرد ثقب صغير من الجليد، مما يعني أن المثقاب يستخدم طاقة إجمالية أقل بكثير من السخانات الكهربائية. كما أنه يعمل بشكل أسرع في الطبقات الغنية بالغبار، مما يؤدي إلى إبطاء مجسات الذوبان التقليدية، مما يسمح له بالحفر بشكل أعمق دون إضافة كتلة أو طاقة.
لذلك، فإن الأداة المعتمدة على الليزر “تجعل الاستكشاف تحت السطح للأقمار الجليدية أكثر واقعية، مما يسمح بتحليل عالي الدقة لتكوين الجليد وكثافته، وتحسين نماذج النقل الحراري وعمق المحيط على أجسام مثل يوروبا وإنسيلادوس، ودعم دراسات تكوين القشرة الأرضية”، كما قال كوساك. “على القمر أو المريخويمكن للحفر الليزري أيضًا استخراج المواد تحت السطح مثل الغبار من الحفر أو التربة الحاملة للجليد، مما يتيح إعادة البناء الجيولوجي خارج الطبقات السطحية.
يعمل مفهوم الحفر بالليزر الخاص بالفريق بقوة 150 واط تقريبًا، مع كتلة متوقعة تبلغ حوالي 9 أرطال (4 كجم)، وتبقى ثابتة بغض النظر عن العمق، سواء كان 33 قدمًا (10 أمتار) أو 6 أميال (10 كيلومترات). ومع ذلك، أشار Koßagk إلى أن استخدام مطياف الكتلة لتحليل الغاز وأدوات فصل الغبار وتحليله من شأنه أن يزيد من متطلبات الطاقة والكتلة.
الاختبارات المبكرة تظهر الوعد. تم حفر النموذج الأولي في عينات من الجليد يبلغ طولها حوالي 8 بوصات (20 سم) في ظل ظروف الفراغ والتبريد أثناء التجارب المعملية، وعلى أعماق أكبر في الاختبارات الميدانية في جبال الألب و القطب الشماليحيث وصل عمق الثلوج إلى أكثر من متر. وفي الاختبارات باستخدام قوة ليزر تبلغ 20 واطًا، وصل النظام إلى سرعات حفر تقترب من متر واحد في الساعة، وما يصل إلى 3 أمتار في الساعة في الجليد السائب أو المغبر.
المفهوم القائم على الليزر لا يخلو من القيود. وفي الحجر أو طبقات الغبار التي لا يوجد فيها جليد يمكن أن يتبخر، تتوقف عملية الحفر. وفي تلك الحالات، يجب حفر بئر جديد من السطح الذي يتجاوز العائق.
وقال Koßagk لموقع Space.com: “لذلك من المهم تشغيل المثقاب الليزري جنبًا إلى جنب مع أدوات القياس الأخرى”. “يمكن لأجهزة الرادار أن تنظر إلى الجليد وتحدد العوائق الأكبر، والتي يمكن للحفر الليزري أن يحفرها بعد ذلك.”
كما أن الشقوق المملوءة بالمياه ستشكل تحديًا أيضًا. عندما يتم الحفر في أحد الحفر، يجب على جهاز الحفر بالليزر ضخ الماء أثناء تدفقه قبل أن يتمكن من الاستمرار في الحفر بشكل أعمق. ومع ذلك، فإن الحفر في هذه المناطق يمكن أن يساعد في تحديد كيمياء الموائل المحتملة في الماضي أو الحاضر الحياة الميكروبية. إذا كانت البكتيريا موجودة بالفعل، فقد يكون من الممكن اكتشاف بقاياها في العينات المجمعة من بئر محفور بالليزر.
ولجعل هذا النوع من الحفر بالليزر ممكنًا، ستكون الخطوات التالية هي تصغير النظام، وتطوير وحدة فصل الغبار، واستكمال اختبارات التأهيل الفضائي. يمكن لنسخة الحمولة المدمجة أن تركب يومًا ما على متن مركبة هبوط إلى مركبة فضائية القمر الجليديوقال كوساك إن هذا يجعل العلماء أقرب إلى فك رموز الأسرار المجمدة تحت الأسطح الفضائية.
وفي الوقت نفسه، مرة أخرى أرض، يمكن للأداة نفسها أن تساعد في التنبؤ الانهيارات الثلجية. أظهرت الاختبارات الميدانية التي أجريت بالتعاون مع مركز الأبحاث النمساوي للغابات وإدارة المخاطر الطبيعية في جبال الألب والقطب الشمالي أن المثقاب الليزري يمكنه قياس كثافة الثلوج دون حفر حفرة – ويمكنه، عند تركيبه على طائرة بدون طيار، جمع البيانات من المنحدرات الخطرة حيث لا يمكن للبشر الذهاب إليها بأمان، كما قال Koßagk.
سواء على الأرض أو في الفضاء السحيق، الهدف هو نفسه: النظر تحت السطح وفهم ما هو مخفي في الجليد.
وكانت النتائج الأولية للفريق نشرت في 8 سبتمبر في مجلة اكتا أسترونوتيكا.
يمكن لمفهوم جديد لليزر أن يحدث ثورة في كيفية استكشاف العوالم المتجمدة لنظامنا الشمسي.
عندما يحلم العلماء باستكشاف المحيطات الخفية تحت القشور الجليدية للأقمار مثل كوكب المشتري أوروبا أو زحل إنسيلادوس – أو المناطق الجليدية الأخرى، مثل الفوهات القمرية المظللة بشكل دائم، أو التربة الحاملة للجليد بالقرب من قطبي المريخ – هناك مشكلة رئيسية تقف في الطريق: الحفر عبر الجليد.
تعتبر المثاقب التقليدية ومسابير الصهر ثقيلة ومعقدة وتستهلك كميات هائلة من الطاقة. الآن، طور الباحثون في معهد هندسة الفضاء الجوي في جامعة دريسدن التقنية في ألمانيا حلاً جديدًا واعدًا – وهو حفر الجليد المعتمد على الليزر والذي يمكنه حفر قنوات عميقة وضيقة في الجليد. الجليد مع الحفاظ على متطلبات الكتلة والطاقة منخفضة.
قال مارتن كوساجك، المؤلف الرئيسي للدراسة، لموقع Space.com في رسالة بالبريد الإلكتروني: “لقد أنشأنا مثقابًا ليزر يتيح الوصول العميق والضيق والموفر للطاقة إلى الجليد دون زيادة كتلة الأداة – وهو أمر لا تستطيع المثاقب الميكانيكية ومسبارات الذوبان تحقيقه”.
تصبح المثاقب الميكانيكية أثقل مع العمق لأنها تمد القضبان إلى الأسفل، وتعتمد مجسات الصهر على كابلات طويلة متعطشة للطاقة. يتجنب المثقاب الليزري كلتا المشكلتين عن طريق إبقاء جميع الأدوات على السطح. ترسل هذه التقنية شعاعًا مركزًا إلى الجليد، مما يؤدي إلى تبخيره بدلاً من إذابته، وهي عملية تُعرف باسم التسامي.
يتسرب البخار الناتج إلى أعلى من خلال حفرة ضيقة واسعة بما يكفي لجمع عينات الغاز والغبار. يمكن للأدوات الموجودة على السطح بعد ذلك تحليل هذه العينات لمعرفة التركيب الكيميائي والكثافة، مما يوفر أدلة قيمة حول الخصائص الحرارية وتاريخ تكوين الجسم الكوني الذي يتم استكشافه.
في حين أن الليزر ليس أكثر الأدوات كفاءة في استخدام الطاقة، إلا أن شعاع الليزر يبخر مجرد ثقب صغير من الجليد، مما يعني أن المثقاب يستخدم طاقة إجمالية أقل بكثير من السخانات الكهربائية. كما أنه يعمل بشكل أسرع في الطبقات الغنية بالغبار، مما يؤدي إلى إبطاء مجسات الذوبان التقليدية، مما يسمح له بالحفر بشكل أعمق دون إضافة كتلة أو طاقة.
لذلك، فإن الأداة المعتمدة على الليزر “تجعل الاستكشاف تحت السطح للأقمار الجليدية أكثر واقعية، مما يسمح بتحليل عالي الدقة لتكوين الجليد وكثافته، وتحسين نماذج النقل الحراري وعمق المحيط على أجسام مثل يوروبا وإنسيلادوس، ودعم دراسات تكوين القشرة الأرضية”، كما قال كوساك. “على القمر أو المريخويمكن للحفر الليزري أيضًا استخراج المواد تحت السطح مثل الغبار من الحفر أو التربة الحاملة للجليد، مما يتيح إعادة البناء الجيولوجي خارج الطبقات السطحية.
يعمل مفهوم الحفر بالليزر الخاص بالفريق بقوة 150 واط تقريبًا، مع كتلة متوقعة تبلغ حوالي 9 أرطال (4 كجم)، وتبقى ثابتة بغض النظر عن العمق، سواء كان 33 قدمًا (10 أمتار) أو 6 أميال (10 كيلومترات). ومع ذلك، أشار Koßagk إلى أن استخدام مطياف الكتلة لتحليل الغاز وأدوات فصل الغبار وتحليله من شأنه أن يزيد من متطلبات الطاقة والكتلة.
الاختبارات المبكرة تظهر الوعد. تم حفر النموذج الأولي في عينات من الجليد يبلغ طولها حوالي 8 بوصات (20 سم) في ظل ظروف الفراغ والتبريد أثناء التجارب المعملية، وعلى أعماق أكبر في الاختبارات الميدانية في جبال الألب و القطب الشماليحيث وصل عمق الثلوج إلى أكثر من متر. وفي الاختبارات باستخدام قوة ليزر تبلغ 20 واطًا، وصل النظام إلى سرعات حفر تقترب من متر واحد في الساعة، وما يصل إلى 3 أمتار في الساعة في الجليد السائب أو المغبر.
المفهوم القائم على الليزر لا يخلو من القيود. وفي الحجر أو طبقات الغبار التي لا يوجد فيها جليد يمكن أن يتبخر، تتوقف عملية الحفر. وفي تلك الحالات، يجب حفر بئر جديد من السطح الذي يتجاوز العائق.
وقال Koßagk لموقع Space.com: “لذلك من المهم تشغيل المثقاب الليزري جنبًا إلى جنب مع أدوات القياس الأخرى”. “يمكن لأجهزة الرادار أن تنظر إلى الجليد وتحدد العوائق الأكبر، والتي يمكن للحفر الليزري أن يحفرها بعد ذلك.”
كما أن الشقوق المملوءة بالمياه ستشكل تحديًا أيضًا. عندما يتم الحفر في أحد الحفر، يجب على جهاز الحفر بالليزر ضخ الماء أثناء تدفقه قبل أن يتمكن من الاستمرار في الحفر بشكل أعمق. ومع ذلك، فإن الحفر في هذه المناطق يمكن أن يساعد في تحديد كيمياء الموائل المحتملة في الماضي أو الحاضر الحياة الميكروبية. إذا كانت البكتيريا موجودة بالفعل، فقد يكون من الممكن اكتشاف بقاياها في العينات المجمعة من بئر محفور بالليزر.
ولجعل هذا النوع من الحفر بالليزر ممكنًا، ستكون الخطوات التالية هي تصغير النظام، وتطوير وحدة فصل الغبار، واستكمال اختبارات التأهيل الفضائي. يمكن لنسخة الحمولة المدمجة أن تركب يومًا ما على متن مركبة هبوط إلى مركبة فضائية القمر الجليديوقال كوساك إن هذا يجعل العلماء أقرب إلى فك رموز الأسرار المجمدة تحت الأسطح الفضائية.
وفي الوقت نفسه، مرة أخرى أرض، يمكن للأداة نفسها أن تساعد في التنبؤ الانهيارات الثلجية. أظهرت الاختبارات الميدانية التي أجريت بالتعاون مع مركز الأبحاث النمساوي للغابات وإدارة المخاطر الطبيعية في جبال الألب والقطب الشمالي أن المثقاب الليزري يمكنه قياس كثافة الثلوج دون حفر حفرة – ويمكنه، عند تركيبه على طائرة بدون طيار، جمع البيانات من المنحدرات الخطرة حيث لا يمكن للبشر الذهاب إليها بأمان، كما قال Koßagk.
سواء على الأرض أو في الفضاء السحيق، الهدف هو نفسه: النظر تحت السطح وفهم ما هو مخفي في الجليد.
وكانت النتائج الأولية للفريق نشرت في 8 سبتمبر في مجلة اكتا أسترونوتيكا.