السرعة نحو الفضاء.. تكنولوجيا محفوفة بالمخاطر

الفضاء، ذلك المجهول الذي حيّر العلماء، كلما اكتشفوا منه سرا زاد عليهم غموضا، لكن الإنسان عنيد ومجبول على التحدي وحب الاستكشاف، وبالمواهب التي أودعها الله فيه، والموارد التي سخرّها الخالق له؛ فإنه ما زال يحثّ الخطى لسبر أغوار هذا الكون العميق.

وقد يكون عامل السرعة هو الأشد حسما في هذه الرحلة المحفوفة بالخطر، ولهذا سوف يصحبنا المخرج “شون رايلي” عاشق السرعة في رحلة شيقة عبر الزمن، ويقف فيها على أهم محطات علاقة الإنسان بالفضاء، والقدرات التي حققها والمعوقات التي واجهها، وقد عرضت الجزيرة الوثائقية هذه الرحلة في حلقة من سلسلة “تاريخ السرعة”، تحت عنوان: “الصعود إلى الفضاء”.

مقارعة الجاذبية.. قوة عظمى تكبح أحلام الإنسان الجامحة

إجمالا يعتبر الفضاء بيئة غير مواتية لنا نحن البشر، والتنقل فيه يحتاج لقطع مسافات غير مسبوقة، وهو أكبر تحدّ هندسي واجهته البشرية على الإطلاق، ولمعرفة أقصى ارتفاع يمكن أن نصله يجب أن ندرس السرعة التي يتحملها جسم الإنسان، ونبحث عن الرواد الذين حلموا بالوصول إلى عوالم أخرى، والتقنيات الثورية التي وسّعت حدود استكشاف الفضاء

يحتاج الابتعاد عن الأرض إلى هندسةٍ لمقارعة إحدى أهم القوى في الكون، وهي الجاذبية الأرضية، فإذا كنا بحاجة لطاقة حركية تتولد عن سرعة 60كم/ساعة من أجل الوصول إلى 18 مترا على لعبة الأفعوانية في مدينة الألعاب، فكم هي الطاقة اللازمة للبقاء في مدار حول الأرض على ارتفاع 400 كيلومتر؟

فالسرعة إذن ضرورية للخروج من الأرض، وهنالك سرعتان أساسيتان؛ أما الأولى فهي سرعة 28 ألف كم/ساعة للتحرر من الجاذبية والوصول إلى مدار الأرض، وأما الخروج التام من الأرض فيحتاج إلى 38 ألف كم/ساعة، والوسيلة الوحيدة التي نعرفها حتى اليوم هي توليد انفجار كبير ومتواصل، وهو الصاروخ.

في مطلع القرن العشرين حلم “روبرت غودارد” بمغادرة الأرض، فقد كان منذ طفولته مولعا بالسفر إلى الفضاء، مستوحيا حلمه من الخيال العلمي، كانت الصواريخ منذ القدم تعتمد ملح البارود كمفجر، لكنه قليل الكفاءة، ففكر بخلط الغازولين والأوكسجين كوقود سائل. وبفضل تصميمه استطاع إطلاق صواريخ أكبر وأقوى، وفي 1935 استطاع إنجاز أول صاروخ يكسر حاجز الصوت.

“خطوة صغيرة للإنسان، ووثبة عملاقة للبشرية”

كان صاروخ “غودارد” قفزة كبرى في مجال السرعة، لكن التسارع إلى الفضاء يحتاج كميات ضخمة من الوقود، مما يجعل الصاروخ ثقيلا، فتوصل “غودارد” إلى حل عبقري بوضع صاروخ فوق الآخر، ينفصل عنه عندما ينفد وقوده، فيقل وزنه كلما صعد للأعلى، وبهذا يكسب تسارعا أكبر. كان على يقين بأن حلمه سيتحقق يوما ما، فلم يستسلم رغم سخرية الصحافة منه، بيد أن الأجل وافاه عام 1945 قبل تحقيق حلمه، لكنه رسم للبشرية الطريق إلى الفضاء.

بادر الألمان باستخدام الوقود السائل، وكان V2 أول صاروخ باليستي في العالم أثناء الحرب العالمية الثانية، وهو يتحرك بثلاثة أضعاف سرعة الصوت. وفي 1957 صمم السوفيات صاروخ R7 ذي المرحلتين، وهو أول صاروخ يفلت من الجاذبية، ويضع “سبوتنك-1″ في مدار حول الأرض. وفي 1961 أضاف السوفيات مرحلة ثالثة لـ”فوستوك-1” الذي حمل أول إنسان إلى الفضاء، وهو “يوري غاغارين”.

تحقق حلم “غودارد” بالصاروخ الأمريكي “ساتورن-5” بمراحله الثلاث، فكان أول وأسرع صاروخ مأهول يغادر الأرض باتجاه القمر، وعند إطلاقه استهلكت محركاته الخمسة “F-1” 3 آلاف غالون/ثانية، وبعد 66 ثانية حطّم حاجز الصوت، وعلى ارتفاع 67 كيلومترا انتهت المرحلة الأولى وبدأت الثانية، وبعد 9 دقائق بدأت المرحلة الثالثة، ووضعت المركبة في مدار الأرض بسرعة 28 ألف كم/ساعة.

في دفعة تسارع أخيرة تجاوزت سرعة المركبة 38 ألف كم/ساعة، وأفلتت من الجاذبية لتغير مسار التاريخ البشري: “إنها خطوة صغيرة للإنسان، ووثبة عملاقة للبشرية، قطعنا طريقا طويلا ووصلنا. يا إلهي، يا له من منظر خلّاب”. كان هذا صوت” نيل آرمسترونغ” قادما من سطح القمر لدى مشاهدته الأرض من هناك. وبين عامَيْ 1969-1972 حمل صاروخ “ساتورن-5” 24 رجلا إلى الفضاء.

رحلة المريخ.. عصر جديد من السرعة يتحدى السماء

اليوم بعد 50 عاما من الهبوط على القمر، نقف على حافة عصر جديد في الاستكشاف، والهدف بناء جيل جديد من الصواريخ، لإعادة البشر إلى القمر، وإرسالهم إلى المريخ الذي يبعد عشرات الملايين من الكيلومترات، ويوفر لنا مجالا فريدا لكيفية العيش في عالم جديد، ولكن إيصال البشر إلى هناك يقتضي القيام بأخطر رحلة في التاريخ، وأهم عناصرها السرعة.

سيكون صاروخ ناسا العملاق “نظام الإقلاع الفضائي” -ومهمته إيصال الإنسان إلى المريخ بأقصى سرعة- أقوى صاروخ على وجه الأرض، وسيتفوق على ساتورن-5.

ستنقله إلى منصة الإقلاع عربة زاحفة عملاقة، وتعتبر أضخم آلة تتحرك ذاتيا على وجه الأرض، وتعمل منذ أكثر من 50 عاما على نقل صواريخ ناسا، وتسير بسرعة 1.5 كم/ساعة، وهي مزودة بأنظمة هيدروليكية، وأنظمة ليزر في غاية الدقة، للحفاظ على حمولتها الثمينة سليمة، فأي خطأ قد يتسبب في كارثة.

فور تثبيت الصاروخ في مكانه يزود بالوقود ويهيأ للإطلاق، وعند الإقلاع لا يمكن أن تتخيل الأثر الذي يحصل للمنصة نتيجة الاحتراق الهائل، وهو التحدي الذي تعالجه ناسا بطريقة بدائية، ولكنها شديدة الفاعلية. هنالك خزان ماء سعته 400 ألف غالون تتدفق في 25 ثانية فقط، لحماية المنصة المتحركة من الحرارة الهائلة، قبل الإطلاق وبعده.

يحمل “نظام الإقلاع الفضائي” على متنه جيلا جديدا من مركبات ناسا الفضائية، إنها مركبة “أوريون” المصممة للسفر إلى القمر والمريخ، وتفوق سعة مركبات “أبولو” بضعفين، وتنقل 4 روّاد إلى أعماق الفضاء، لكن الوصول للفضاء شيء والعودة إلى الأرض شيء آخر، ولذا تعتمد “أوريون” على درعها الحرارية.

“آفكوت”.. مادة صمغية تقهر حرارة الاحتكاك

العودة إلى الغلاف الجوي للأرض هو صراع مع السرعة، فأسرع رحلة للبشر على الإطلاق كانت عودة “أبولو” إلى الأرض، إذ بلغت سرعتها 40 ألف كم/ساعة، ودخول الغلاف الجوي بهذه السرعة ينتج حرارة مقدارها 5 آلاف درجة، وحتى تحوز “أوريون” على ثقة الطاقم، فيجب أن تجتاز درعُها الحرارية تجربةَ العودة إلى الغلاف الجوي للأرض.

تتمتع “أوريون” وطاقمها بحماية أكبر درع حرارية صممتها ناسا على الإطلاق، وتتكون الدرع وعرضها خمسة أمتار من 320 ألف خلية مملوءة يدويا بالمادة الصناعية “آفكوت”، وهي مادة صمغية مصممة لتستهلكها حرارة العودة إلى الأرض، وهي تحترق ببطء وتأخذ الحرارة معها، بحيث تحمي المركبة الفضائية.

اقتحمت “أوريون” الغلاف الجوي بسرعة 32 ألف كم/ساعة، وهي سرعة متناقصة، وقد صورت الكاميرا النيران المشتعلة، بينما تواجه الدرع حرارة تعادل نصف حرارة الشمس. نجت “أوريون” من هذه المعركة مع السرعة بفضل تلك المادة العجيبة، وهي محطة كبرى في الطريق إلى القمر والمريخ.

“فالكون هيفي”.. تجربة استرجاع أقوى صاروخ على وجه الأرض

لا يمكن أن نتخيل أن السفر إلى الفضاء سيصبح حدثا اعتياديا ما لم يحدث تغيير جذري في كيفية استخدام الصواريخ، تخيلوا كم ستكون رحلات الطائرات مكلفة لو تخلصنا من الطائرة بعد استخدامها لمرة واحدة. إن تكلفة إطلاق صاروخ مثل “ساتورن-5” تكلف 750 مليون دولار، لاستخدامه مرة واحدة.

وللمساعدة في تقليص تكاليف الوصول إلى الفضاء وتسهيل الرحلات المنتظمة تعاونت ناسا مع شركات من القطاع الخاص مثل “سبيس إكس”، ويعمل مهندسوها على تغيير طريقة عمل الصواريخ، وذلك بأن يعود صاروخ كل مرحلة إلى الأرض بسلام بعد انتهاء مهمته، لتعاد تعبئته بالوقود واستخدامه.

في فبراير/شباط 2018 أطلقت “سبيس إكس” أقوى صاروخ على وجه الأرض “فالكون هيفي”، وكان يحمل سيارة “تسلا رودستر”، لكن الاختبار الحقيقي كان عودة الصواريخ الثلاثة إلى الأرض، وعند سرعة 6500 كم/ساعة توقفت المحركات، وبدأت حركة الزعانف من أجل إبطاء السرعة وتأمين الهبوط بسلام، والنتيجة سقوط أحد الصواريخ ونجاح اثنين.

كان نجاح الرحلة الأولى لصاروخ “فالكون” إنجازا عظيما، فالصواريخ المعاد استخدامها ستخفض كلفة السفر إلى الفضاء مستقبلا، لكن الرحلة إلى المريخ طويلة ومحفوفة بالأخطار، فالوصول إلى هناك يستغرق تسعة أشهر، وخلال تلك المدة سيتعرض الرواد لأخطار الفضاء العميق، فقد واجه رواد “أبولو” في رحلاتهم إلى القمر وميضا غامضا، بالرغم من التغطية المحكمة لأعينهم.

أشعة “سوبر نوفا”.. شبح النجوم الميتة يهدد رواد الفضاء

لدى عودة رواد “أبولو” إلى الأرض فُحصت خوذاتهم بمجاهر بالغة القوة، وتبين وجود مسام متناهية في الصغر، كانت تنفذ منها جسيمات “تحت ذرية” فضائية ذات طاقة عالية، أو ما يسمى بظاهرة الأشعة الكونية، وهذه إحدى مظاهر الخطر في هذا الكون العميق، إذ تخترق المركبات والأجسام الحية، وتحدث أضرارا كبيرة منها الطفرات والسرطان وتلف الأنسجة.

يأتي بعض هذه الأشعة من الشمس، لكن الجزء الأكبر يأتي من خارج مجموعتنا الشمسية، فعندما تموت نجوم أضخم من شمسنا، فإنها تحدث انفجارات عظيمة تسمى “سوبر نوفا”، وترسل هذه الظاهرة جسيمات بسرعة الضوء في المجرة كلها، وتخترق كل ما بطريقها، والطريقة المثلى لتجنبها هو تقليص وجودنا في الفضاء.

لتحقيق ذلك يبحث العلماء عن تقنيات جديدة لأنظمة للدفع، أحدها ظل مخفيا لعقود خلف الستار الحديدي، ففي أواخر العشرينيات كان الشاب الروسي المفتون بالصواريخ “فالنتينو غلوشكو” يبحث في استخدام الشحنات الكهربائية “الأيونات” في توليد طاقة دفع للصواريخ، لكن بقيت هذه العبقرية حبيسة الأدراج بسبب تعرض “غلوشكو” للسجن على يد رفاق “ستالين”.

توليد الأيونات.. رحلة خاطفة إلى المريخ في ستة أسابيع

بعد سقوط الاتحاد السوفياتي عام 1991، تمكن علماء الغرب من الاطلاع على نظريات “غلوشكو”، ويمكن لتقنيته إرسالنا إلى ما رواء المريخ، ولبحث هذه التقنيات نلتقي “فرانكلين شانغ دياز”، وهو رائد فضاء زاره سبع مرات، ويعكف على تطوير جهاز دفع كهربائي ريادي.

تعتمد فكرة “فرانكلين” على إيجاد فراغ يشبه الفضاء أولا، وذلك من خلال أسطوانة عظيمة مغلقة، ومفرغة من الهواء وبداخلها المحرك الأيوني، وهو يعتمد على تحويل غاز الأرغون إلى بلازما، عن طريق تسخينه بدرجات حرارة هائلة تعادل حرارة مركز الشمس، بحيث يتحلل إلى مكوناته الأساسية من الأيونات.

عند هذه الدرجات تمتلك الأيونات طاقة حركية هائلة، وبواسطة مجال مغناطيسي كبير يمكن توجيه هذه الأيونات، من خلال فتحة ضيقة في مؤخرة الصاروخ تعمل على دفعه بسرعة هائلة. يهدف “فرانكلين” من وراء هذا البحث إلى إنتاج قوة دفع تصل بالصاروخ إلى عشرة أضعاف سرعة الصواريخ التقليدية. وبهذا يمكن الوصول إلى المريخ في 6 أسابيع بدلا من 9 أشهر.

تقنية الأشرعة.. سفينة في الفضاء تحركها أشعة الشمس

هنالك تقنية أخرى قديمة يمكن أن تساهم بدفعنا سريعا في الفضاء، إنها تقنية الأشرعة، ولكننا في هذه المرة لن نستخدم الأشرعة المعتادة التي نصنعها من القماش والجلود، ولن تقوم الرياح كذلك بدفعها، إنها أشرعة بلاستيكية رقيقة جدا بسُمك شعرة الإنسان، وخفيفة جدا ولكنها متينة، أما الرياح التي ستدفعها فهي الفوتونات التي تطلقها الشمس بلا توقف.

فكرة الفوتونات هذه اكتشفها العالِم “جيمس كلارك ماكسويل” في منتصف القرن الـ19، وبها أثبت أن الضوء له طبيعة جُسيمية بالإضافة إلى طبيعته الموجية، وهذا يعني أن الأشعة الضوئية يمكن أن تنتج طاقة حركية لدى اصطدامها بالأشياء، صحيح أن هذه الطاقة منخفضة، ولكنها متراكمة ويمكن أن تنتج تسارعا كبيرا باستمرارها.

ولكي يختبر علماء ناسا هذه الأشرعة الشمسية عليهم أن يطلقوا مركبة غير مأهولة إلى الفضاء، وذلك بالصواريخ التقليدية، وعند وصولها إلى مدارها ستفتح أشرعتها الشمسية التي تبلغ مساحتها 86 مترا مربعا، تاركة الفوتونات تصطدم بها وتدفعها بعيدا إلى كويكب قريب من الأرض، بسرعة تصل إلى 16 ألف كم/ساعة.

تقريب الأهداف.. تداخل الحسابات العلمية والجنوح الخيالي

يحلم العلماء بما هو أكثر من تقنية الأشرعة، فأشرعة عرضها مئات الأمتار ومركبات خفيفة الوزن، يمكنها أن تترجم طاقة الفوتونات الشمسية إلى سرعة تبلغ 108 ملايين كم/ساعة، أي ما يعادل عُشر سرعة الضوء، لكن هذه الأحلام قد تصطدم بواقع الخروج من المجموعة الشمسية، وعندها سنفقد المصدر الرئيسي للطاقة، وتبدأ المركبة بالتباطؤ.

ويحدُّ من هذه الأحلام أيضا أننا محكومون بقدراتنا البيولوجية والفيزيائية المحدودة، وكما نعلم فأقصى سرعة نعرفها هي سرعة الضوء البالغة 300 ألف كم/ثانية، ولو افترضنا جدلا أننا يمكن أن نبلغ نصف سرعة الضوء، فسنحتاج إلى ثماني سنوات على الأقل لنصل إلى أقرب نجم نعرفه.

خيال العلماء لا يحدّه حد، يقول بعضهم: إذاكنا لا نستطيع بسرعاتنا المحدودة أن نصل إلى أهداف بعيدة في الفضاء، فلماذا لا نقرِّب تلك الأهدافَ إلينا؟ ولكن كيف؟ نَثني الكون، ونُحدِث بين النقطتين نفقا دوديا مفرغا، وبهذا نعبر بين النقطتين بأقل وقت وأدنى طاقة. ولكن كيف تثني الكون؟ تلك قصة طويلة يختلط فيها الخيال بالعلم، ونظريات “نيوتن” مع “أينشتاين”.