استخدام الموارد المحلية لبناء منزل جديد في عالم آخر
قاعدة قمر المستقبل

رؤية لقاعدة قمرية مستقبلية يمكن إنتاجها والحفاظ عليها باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. الائتمان: RegoLight ، التصور: Liquifer Systems Group ، 2018

البشرية تتجه عائدة إلى القمر ، وهذه المرة ، نخطط للبقاء. ولكن بالنسبة لبعثات الفضاء طويلة المدى ، سيحتاج رواد الفضاء إلى بنية تحتية للعيش والعمل ، وللتحرك والتواصل مع الأرض ، وإنتاج الأكسجين والماء الضروريين للبقاء على قيد الحياة. من المحتمل أن يكون أخذ كل هذه البنية التحتية من الأرض باهظ التكلفة. بدلاً من ذلك ، نحتاج إلى معرفة كيفية صنعه في الموقع. دعمت ESA Discovery & Preparation العديد من الدراسات لاستكشاف كيف يمكننا القيام بذلك.

يُعرف استخدام المواد المحلية لبناء البنية التحتية وإنتاج المرافق باسم استخدام الموارد في الموقع (ISRU). استكشفت الأبحاث السابقة في هذا المجال وأظهرت مفاهيم ISRU الأساسية باستخدام مجموعة من الموارد الموجودة في موقع الاستكشاف والمواد التي تم إحضارها من الأرض.

استخدام الموارد في الموقع

من خلال اختبار السوق لخدمات النقل إلى القمر ، تهدف وكالة الفضاء الأوروبية إلى دفع حدود التكنولوجيا وإنشاء نماذج جديدة للأعمال الفضائية. الائتمان: ESA

هناك حاجة إلى ISRU لبناء موطن يحمي رواد الفضاء من البيئات القاسية بما في ذلك الغلاف الجوي الرقيق أو غير الموجود ، ودرجات الحرارة القصوى ، والإشعاع الشديد ، وحتى النيازك الدقيقة. سيمكننا ذلك من بناء الطرق للتحرك حول السطح ، ومنصات الإطلاق والهبوط للسفر من وإلى الأرض. يمكن استخدامه لإنتاج المعدات التي يمكن أن تولد وتخزن الطاقة لإنتاج الكهرباء ، وكذلك أبراج الهوائيات للاتصالات. ويمكن أن ينتج كميات هائلة من الماء والأكسجين لإبقاء رواد الفضاء على قيد الحياة وإنشاء دوافع للتنقل والعودة في النهاية إلى الأرض.

أنشطة الاكتشاف والتحضير

في عام 1999 ، ركزت إحدى أولى دراسات الاكتشاف والتحضير ذات الصلة بـ ISRU على أنظمة الدفع والطاقة ، وتقييم احتياجات الدفع المتقدم في القرن الحالي. وخلصت الدراسة إلى أن ISRU يمكن أن تقلل من تكاليف البعثات إلى المريخ مع زيادة قدراتنا ، ولكن يجب أن يبدأ البحث والتطوير في تقنيات ISRU على الفور.

وهكذا ، وبالتنسيق مع جميع برامج ESA ، استمر البحث. ركزت دراسة اكتملت في عام 2000 على أنظمة الطاقة المطلوبة لاستكشاف الفضاء في المستقبل ، بما في ذلك تصميم مصنع كيميائي ISRU لإنتاج الوقود والمواد الكيميائية لدعم الحياة والوقود للأنشطة السطحية.

جمعية الدفع الأيوني GOCE

نظرة عن قرب لمجموعة الدفع الأيوني الخاصة بـ GOCE. الائتمان: ESA / AOES Medialab

الدراسات الأخرى التي أجريت في نفس الوقت ألقت نظرة أوسع على استكشاف الفضاء على المدى الطويل ، مع دراسة واحدة للمباني والتقنيات المطلوبة لاستكشاف المريخ. بحثت الدراسة في إمكانية إنتاج مادة دافعة وسوائل ضرورية لبقاء الطاقم – بما في ذلك النيتروجين والأكسجين والهيدروجين والماء – من الغلاف الجوي للمريخ والتربة. وجدت دراسة أخرى حول قابلية بقاء البشر على البقاء على قيد الحياة وقدرتهم على التكيف مع البيئات الكوكبية والكواكب طويلة الأمد أن ISRU يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص لإنتاج الوقود الدافع والمواد الاستهلاكية الداعمة للحياة.

بعد 13 عامًا ، طورت التكنولوجيا بما يكفي لاستكشاف مفاهيم ISRU الأكثر تحديدًا ، بما في ذلك نظام لجمع وتخزين ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي للمريخ وتسليمه إلى نظام الدفع. اقترحت الدراسة ، التي أجرتها شركة إيرباص ، طرقًا يمكن من خلالها إزالة الغبار والماء من ثاني أكسيد الكربون ، بالإضافة إلى كيفية تسييله للتخزين.

على مدى السنوات القليلة الماضية ، دعمت شركة Discovery & Preparation المزيد من الأبحاث في مجال بناء البنية التحتية باستخدام التربة القمرية وطرق أكثر تحديدًا لتوليد الطاقة وتخزينها ؛ استكشفت دراسة حديثة كيف يمكن استخدام الثرى القمري لتخزين الحرارة وتوفير الكهرباء لرواد الفضاء والمركبات الجوالة ومركبات الهبوط.

طباعة ثلاثية الأبعاد لقاعدة القمر

يمكن جعل إنشاء قاعدة قمرية مستقبلية أكثر بساطة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد لبنائها من المواد المحلية. انضم شركاء صناعيون ، بما في ذلك المهندسين المعماريين المشهورين Foster + Partners ، إلى وكالة الفضاء الأوروبية لاختبار جدوى الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام التربة القمرية. الائتمان: ESA / Foster + Partners

استكشفت إحدى الدراسات كيف يمكن للمرافق التناظرية القمرية أن تدعم تطوير تقنيات ISRU ، بما في ذلك اختبار التنقيب عن المواد المحلية ومعالجتها ، وكذلك كيف يمكن استخدام هذه المواد لبناء الهياكل باستخدام عمليات مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد.

أكد آخر على ملاءمة التربة القمرية كمواد بناء ، واختار عملية مناسبة لطباعة الهياكل منها ، بل وصمم موطنًا قابلًا للطباعة. وذهب ثالث مؤخرًا خطوة أخرى إلى الأمام واستكشف كيف يمكن طباعة أي هياكل ومعدات وقطع غيار ضرورية باستخدام ثلاثي الأبعاد باستخدام الثرى القمري ، وحتى اختيار عمليات الطباعة المحددة التي ستعمل بشكل أفضل.

كبديل لتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الحالية ، نظرت دراسة أجريت عام 2019 في تحويل تربة القمر إلى ألياف لبناء هياكل قوية. أنتج الباحثون عينة من المواد لإثبات أنه من الممكن استخدام هذه العملية لإنشاء هياكل غير منفذة محليًا.

قامت مجموعة من دراسات الاكتشاف والتحضير مؤخرًا باستكشاف وتعريف مهمة IRSU التوضيحية القمرية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ، والتي تهدف إلى إثبات بحلول عام 2025 أن إنتاج الماء أو الأكسجين على القمر أمر ممكن. نظرت هذه الدراسات في النظام الذي ينتج بالفعل الماء والأكسجين ، مقترحة حزمة تستخرج الأكسجين من التربة وتستخدمه لإنتاج الماء ، باستخدام “مفاعل حراري كربوني”. اكتشف آخر كيف يمكن للنظام الاعتماد على المسبار كمصدر للطاقة ، وثالث حقق في كيفية التواصل مع الأرض.

ماذا تفعل ESA أيضًا؟

لتنفيذ المهمة التوضيحية القمرية ISRU ، تعتزم وكالة الفضاء الأوروبية شراء خدمات تمكين المهام من القطاع التجاري ، بما في ذلك تسليم الحمولة ، والاتصالات ، وخدمات العمليات. من خلال القيام بذلك ، ستعمل وكالة الفضاء الأوروبية على الاستفادة من المبادرات التجارية الحالية التي قد تجد تطبيقات واسعة النطاق في سيناريو استكشاف القمر في المستقبل وتعززها.

لونا 27

نموذج كمبيوتر من طراز Luna-27 ، والذي سوف يطير إلى القطب الجنوبي للقمر. الائتمان: روسكوزموس

تعمل وكالة الفضاء الأوروبية حاليًا أيضًا على مهمة PROSPECT ، والتي ستصل إلى الموارد المحتملة على القمر وتقييمها للتحضير للتقنيات التي يمكن استخدامها لاستخراج هذه الموارد في المستقبل. ستقوم PROSPECT بالحفر تحت سطح القمر بالقرب من القطب الجنوبي واستخراج عينات من المتوقع أن تحتوي على مياه مجمدة ومواد كيميائية أخرى يمكن أن تصبح محاصرة في درجات حرارة منخفضة للغاية. ثم يمرر المثقاب العينات إلى مختبر كيميائي حيث سيتم تسخينها لاستخراج هذه المواد الكيميائية. ستعمل البعثة كجزء من مهمة Luna-27 التي تقودها روسيا وستختبر العمليات التي يمكن تطبيقها على استخراج الموارد في المستقبل.

لدعم الطموح في وجود بشري على القمر مستدام بالموارد المحلية بحلول عام 2040 ، في مايو 2019 ، نشرت وكالة الفضاء الأوروبية إستراتيجيتها الخاصة بالموارد الفضائية. تراعي الاستراتيجية ما نحتاج إلى اكتشافه وتطويره لدعم استكشاف الفضاء المستدام. تغطي الإستراتيجية الفترة الممتدة حتى عام 2030 ، وهو الوقت الذي سيتم فيه إنشاء إمكانات الموارد القمرية من خلال القياسات على القمر ، وسيتم تطوير التقنيات الرئيسية وعرضها وسيتم تحديد خطة لإدخالها في هياكل المهام الدولية. بعد نشر الاستراتيجية ، استضافت وكالة الفضاء الأوروبية ورشة عمل لتحديد الخطوات التالية اللازمة لجعل استخدام الموارد الفضائية حقيقة واقعة.

إخراج الأكسجين من القمر الصناعي

إنتاج الأكسجين والمعادن من غبار القمر المحاكى داخل مختبر المواد والمكونات الكهربائية التابع لوكالة الفضاء الأوروبية. الائتمان: ESA-A. كونيجيلي

في عام 2020 ، أنشأت وكالة الفضاء الأوروبية مصنعًا نموذجيًا لإنتاج الأكسجين من محاكاة غبار القمر. إزالة الأكسجين من تربة القمر يترك معادن مختلفة ؛ هناك خط بحث آخر ، لذلك ، هو معرفة السبائك الأكثر فائدة التي يمكن إنتاجها منها ، وكيف يمكن استخدامها على القمر. سيكون الهدف النهائي هو تصميم “محطة تجريبية” يمكن أن تعمل على نحو مستدام على سطح القمر ، مع أول عرض تقني يستهدف منتصف عام 2020.

ماذا تفعل وكالات الفضاء الأخرى في هذا المجال؟

ناساأشارت المركبة المدارية الاستطلاعية القمرية بالفعل إلى وجود جليد مائي مدفون تحت تربة القمر في مواقع معينة. تم إطلاق المركبة المدارية مع القمر الصناعي Lunar CRater للرصد والاستشعار الذي انطلق من المدار واصطدم بالقمر ؛ أظهرت ملاحظات العمود الناتج الذي يبلغ ارتفاعه 16 كيلومترًا التركيب الكيميائي لسطح القمر.

تقوم الوكالة الأمريكية أيضًا بتطوير العديد من المهمات المدارية CubeSat التي ستزور القمر. سيهدف Lunar Flashlight و LunaH-MAP و Lunar IceCube إلى معرفة كمية الجليد المائي وأين يمكن العثور عليه بالضبط.

ناسا المثابرة روفر العرض الفني

انطباع الفنان عن المركبة الجوالة المريخية التابعة لناسا. الائتمان: NASA / JPL-Caltech

أعاد مسبار المريخ الأول التابع لناسا ، فايكنغ ، بيانات مهمة حول الغلاف الجوي للمريخ ، وكشف أنه يتكون من 95.9 في المائة من ثاني أكسيد الكربون. بناءً على هذا الاكتشاف والمعلومات التي أرجعها بعثات روبوتية لاحقة ، طورت الوكالة تقنيات لتحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للمريخ إلى أكسجين لإفادة البعثات البشرية إلى الكوكب الأحمر. في الآونة الأخيرة ، اختارت وكالة ناسا تجربة استخدام موارد المريخ بالأكسجين في الموقع ، أو MOXIE ، كواحدة من سبع أدوات على متن مركبة المريخ المثابرة.

المواد المتطايرة هي مواد تتبخر بسهولة ويمكن أن تكون مصدرًا للمياه على القمر. جنبًا إلى جنب مع وكالات الفضاء الأخرى ، تجري وكالة ناسا تنسيقًا دوليًا لاستكشاف المواد المتطايرة القمرية لزيادة المعرفة العلمية ، وتحديد جدوى المواد المتطايرة كموارد محتملة ، واستخدام القمر كأرض اختبار لتقنيات المريخ ISRU.

ومن المتوقع أيضًا أن تستهدف بعثات إدارة الفضاء الوطنية الصينية المستقبلية المواد المتطايرة القمرية كمصادر محتملة. قد توفر رؤية الصين لمحطة أبحاث قمرية دولية ، والتي سيتم إنشاؤها في البداية كمرفق آلي للعلوم والبحوث خلال أواخر عام 2020 وأوائل عام 2030 ، فرصة مبكرة لاستخدام الموارد القمرية.

تعمل وكالة الفضاء الروسية ، Roscosmos ، مع وكالة الفضاء الأوروبية ESA في سلسلة من ثلاث بعثات Luna ، بما في ذلك Luna-27 ، والتي ستستضيف حزمة PROSPECT التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ESA. ستستهدف المهمة قياسات في المنطقة القطبية للقمر ، مع التركيز على المواد المتطايرة المحتبسة الباردة التي يمكن العثور عليها هناك.

ما التالي في ESA؟

من خلال منصة ابتكار الفضاء المفتوح (OSIP) ، سعت وكالة الفضاء الأوروبية إلى الحصول على أفكار حول تمكين التقنيات من أجل البناء في الموقع وتصنيع وصيانة البنية التحتية والأجهزة لدعم الاستكشاف طويل الأجل لجسم كوكبي.

تدعم الأفكار المقترحة بناء الموائل والبنية التحتية للتنقل (مثل الطرق ومنصات الهبوط) والبنية التحتية المساعدة (على سبيل المثال للاتصالات وتوليد الطاقة والتخزين) والأجهزة (مثل الأدوات والمعدات الداخلية والآلات والملابس).

إعادة تدوير المدار

اقترحت فكرة تم تقديمها إلى Open Space Innovation Platform (OSIP) أنه يمكن استخدام الحطام المداري لتصنيع الموارد في الموقع على القمر. الائتمان: ESA / Orbit Recycling

تتضمن الأفكار العديد من الأساليب الجديدة لإذابة التربة القمرية وطباعتها ثلاثية الأبعاد ، وصنع الخلايا الشمسية من التربة القمرية ، وتحسين تخزين الطاقة ، وإيجاد طرق لزراعة النباتات من النفايات العضوية دون الحاجة إلى التربة ، واستخدام التربة القمرية لبناء دفيئات صديقة للمحاصيل ، وبناء البنية التحتية باستخدام حطام فضائي. يتم الآن تنفيذ العديد من الأفكار من قبل وكالة الفضاء الأوروبية كدراسات أو مشاريع بحثية مشتركة التمويل أو مشاريع تطوير التكنولوجيا المبكرة. لمعرفة المزيد ، تفضل بزيارة قسم النتائج الخاص بهذه الدعوة للحصول على أفكار.

أصبح استخدام موارد الفضاء للاستكشاف الآن في متناول اليد بفضل التقدم في معرفتنا وفهمنا للقمر والكويكبات ، وزيادة مشاركة القطاعين الدولي والخاص في تقنيات الفضاء ، وظهور تقنيات جديدة.

لا يزال تطوير التقنيات والأساليب لاستخدام الموارد المحلية لدعم رواد الفضاء المستقبليين يمثل تحديًا ، ولكن من خلال القيام بذلك فإننا نشجع الابتكار على الأرض من خلال الاحتياجات التكنولوجية بالإضافة إلى الأساليب الجديدة لإدارة الموارد المحدودة. نأمل أن يساعدنا هذا في إيجاد طرق جديدة لمواجهة التحديات العالمية وتحقيق عوائد اقتصادية قريبة إلى متوسطة المدى للصناعات الأرضية.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *