يمكن لمحرك القمر الصناعي الجديد استخدام الغلاف الجوي للأرض كوقود للبقاء في المدار إلى أجل غير مسمى

يُظهر محرك القمر الصناعي الذي يستخدم غازات الغلاف الجوي كوقود نتائج واعدة في الاختبارات المعملية والنمذجة، لكن أداءه في المهمة ما زال غير مثبت.

يتضمن اختيار مدار القمر الصناعي الموازنة بين المزايا والعيوب. يوفر المدار الأرضي المنخفض جدًا (VLEO)، الذي يمتد ما يقرب من 100 إلى 450 كيلومترًا (62 إلى 280 ميلًا) فوق الأرض، العديد من المزايا. يمكن لكاميرات الاستشعار عن بعد التقاط صور أكثر وضوحًا، وتحتاج أنظمة الاتصالات والرادار إلى طاقة أقل، ويساعد السحب الجوي على إزالة الأقمار الصناعية غير النشطة من المدار بشكل طبيعي.

ويخلق هذا الجو نفسه أيضًا تحديًا كبيرًا. وحتى على هذه الارتفاعات، تؤدي مقاومة الهواء إلى إبطاء حركة المركبة الفضائية، لذلك يجب على الأقمار الصناعية أن تنتج قوة دفع بشكل مستمر تقريبًا للبقاء في المدار. تتطلب أنظمة الدفع التقليدية وقودًا على متن الطائرة، غالبًا ما يكون غازات باهظة الثمن مثل الزينون.

كجزء من بحث الدكتوراه الذي قام به في جامعة شتوتغارت، والذي تم نشره بتاريخ arXiv، اكتشف فرانشيسكو رومانو نهجا مختلفا. يستخدم مفهومه جزيئات الغلاف الجوي المسؤولة عن السحب كوقود لمحرك البلازما، مما يسمح للأقمار الصناعية بالبقاء في VLEO إلى أجل غير مسمى دون حمل إمدادات تقليدية من الوقود الدافع.

تنتمي هذه التقنية إلى فئة تعرف باسم الدفع الكهربائي الذي يتنفس الغلاف الجوي (ABEP). تقوم هذه الأنظمة بجمع الهواء الرقيق للغاية الموجود أمام المركبة الفضائية (أو الصاروخ في بعض الحالات) وتوجيهه إلى محرك كهربائي. يقوم المحرك بتحويل الجزيئات الواردة إلى بلازما ويطردها من الخلف لتوليد قوة الدفع.

الفكرة الأساسية واضحة ومباشرة، لكن تحويلها إلى نظام دفع عملي يتطلب حل العديد من المشاكل الهندسية الصعبة.

الأكسجين الذري يأكل المحركات

الأول هو الأكسجين الذري (AO). في الغلاف الجوي العلوي، تقوم الأشعة فوق البنفسجية بتقسيم الأكسجين إلى هذا الشكل الذري العدواني للغاز الذي نحتاج جميعًا إلى التنفس. AO معروف بأنه مؤكسد ومسبب للتآكل للأقطاب الكهربائية المعدنية وشبكات التسارع وحتى الكاثودات المستخدمة في محركات الدفع القياسية أو الأنواع الأخرى من المحركات الأيونية.

وربما الأهم من ذلك، أن AO يحترق من خلال الكاثودات المستخدمة في “المدفع الإلكتروني” الذي يقوم بتحييد المركبة الفضائية بحيث لا يصبح كل شيء مشحونًا ويمتص ببساطة الجسيمات المشحونة إلى نفسها، مما يؤدي إلى إبطال الدفع الذي توفره. وبدون هذه الميزة، يفشل نظام الدفع الأيوني بأكمله.

ميزة أخرى صعبة عند تصميم المحركات للاستخدام في VLEO هي تقلب الغلاف الجوي نفسه. يتغير بناءً على دورة النهار/الليل، وخط العرض، وحتى النشاط الشمسي. وقد ثبت حتى الآن أن التأكد من قدرة المحرك على العمل باستمرار في كل هذه الظروف المختلفة أمر صعب.

مرآة تجمع الهواء الرقيق

لحل هذه المشاكل، طور رومانو محرك بلازما هليكوني يعمل بالترددات الراديوية (RF) بدون تلامس، وربطه بنظام سحب جوي محسّن. دعونا نتعامل مع نظام المدخول أولا.

لقد قام في الواقع بتجربة ثلاثة إصدارات مختلفة من المدخول – أحدها يسمى “تصميم القمع المعزز”، والذي كان بمثابة مصيدة جزيئية لالتقاط جزيئات الهواء المنتشرة بعيدًا عن بعضها البعض بحيث لا تصطدم ببعضها البعض أبدًا. بعد ذلك، استخدم “مدخلًا منتشرًا” يستخدم تصميمًا سداسيًا مدمجًا مصنوعًا من سبائك التيتانيوم المطلية. وأخيرًا، قام بتصميم ما أسماه “المدخل المرآوي”، وهو عبارة عن مرآة مكافئة مطلية بالجرافيت أو ثاني أكسيد السيليكون والتي ترتد الجزيئات مباشرة إلى المحرك.

وكان الفائز الواضح، سواء من حيث كفاءة التجميع أو حساسية المحاذاة، هو المدخول المرآوي. لقد جمعت ~94.3% من جزيئات الهواء (التي كانت AO ، أو الأرجون، أو النيتروجين في اختبار نفق الرياح)، وانخفضت الكفاءة بنسبة 8% فقط عندما تعرضت لإمالة قدرها 15 درجة.

طائرة بلازما بدون مُعادل

لتصميم الدافع، لجأ رومانو إلى جهاز طبي للإلهام. باستخدام هوائي قفص العصافير، على غرار تلك المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي، تمكن من تصميم محرك يضمن دخول 99٪ من الطاقة الكهربائية المقدمة إلى المحرك، وهي عتبة عالية الكفاءة للغاية تم تحسينها على ملفات الأسلاك القياسية التي من شأنها أن تحترق خلال بعض الطاقة بسبب مفاعلتها الخاصة. يخلق الملف اللولبي الملتف حول المحرك مجالًا مغناطيسيًا يدفع البلازما إلى الخارج في تيار شبه محايد – يتم دفع الأيونات الموجبة والسالبة إلى خارج الدافع، مما يضمن عدم الحاجة إلى معادل.

أثبت اختبار النظام موثوقيته. استخدم رومانو غرفة مفرغة لمحاكاة تركيز VLEO في الغلاف الجوي للغازات الأولية الثلاثة التي سيواجهها الدافع على هذا الارتفاع. ولّد المحرك تدفقات ثابتة من البلازما بقدرة تتراوح بين 50 و60 واط فقط من طاقة التردد اللاسلكي، وهو ما يعد ضمن قدرات الألواح الشمسية التقليدية للمركبات الفضائية.

هل يمكن للوقود الجوي أن يبقي الأقمار الصناعية عاليا؟

بعد هذا التحقق التجريبي، اتخذ خطوة إضافية وقام بتطبيق نماذج نظام الدفع على حالات الاستخدام الفعلية في العالم الحقيقي. وشمل ذلك القمر الصناعي GOCE ، الذي تم إطلاقه إلى VLEO باستخدام محرك أيون زينون، ونفد الوقود في النهاية.

ووفقا لحسابات الأطروحة، يمكن للمحرك الجديد أن يعمل إلى أجل غير مسمى بين 190 و 250 كيلومترا باستخدام أقل من 1.6 كيلوواط من الطاقة، والتي لا تزال ضمن حدود توليد الألواح الشمسية القياسية للمركبات الفضائية. لكن حالات الاستخدام لا تقتصر على الأرض. يتمتع المريخ بغلاف جوي يهيمن عليه ثاني أكسيد الكربون، ووفقًا للأطروحة، يمكن للمحرك أن يدعم مركبة فضائية إلى أجل غير مسمى فوق الكوكب الأحمر على ارتفاع يتراوح بين 120 و160 كيلومترًا، وهو أقرب بكثير من الأقمار الصناعية المدارية الموجودة.

في نهاية المطاف، ليس هناك ما يضمن أن هذا الدافع سيستخدم خارج المختبر. لكن الفكرة مثيرة للاهتمام، وهناك الكثير من التطبيقات التجارية المحتملة لها إذا كان من الممكن التخلص من المخاطر وإثبات نجاحها في مهمة فعلية. من غير الواضح ما إذا كان الدكتور رومانو لديه أي خطط لمتابعة هذا المسار، لكن عمله عليه حتى الآن يظهر على الأقل أن التصميم لديه إمكانات – ربما يكون هناك شخص ما على استعداد لمتابعة ذلك.

المرجع: “محرك بلازما الهليكون RF لنظام الدفع الكهربائي الذي يتنفس الغلاف الجوي (ABEP)” بقلم فرانسيسكو رومانو، 1 يوليو 2026، arXiv.
دوى: 2607.02635

مقتبس من مقالة نشرت أصلا في الكون اليوم.

تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.