الفائز في مسابقة SAM للمنح الدراسية الجامعية لعام 2019 بقيمة 1,000 دولار أمريكي

انتهت مسابقة Stanford Advanced Materials 2019 للمنح الدراسية الجامعية بقيمة 1000 دولار أمريكي الشهر الماضي بعدد قياسي من الطلاب المتقدمين. تهانينا للفائز:

تشارلز بويل
جامعة تكساس في أوستن

طُلب من المشاركين كتابة مقال لمشاركة تجربتهم مع المواد المتقدمة في الحياة والتحدث عن تأثيرها في المستقبل.

وقد تلقينا أكثر من 200 مشاركة من طلاب في الولايات المتحدة الأمريكية، وقد فاز تشارلز بالمركز الأول. وقد حصل على 1000 دولار أمريكي لمشاركته تجربته الرائعة وأفكاره المدروسة حول المعادن الحرارية في المقال الذي نشرناه هنا بإذن منهم:

تشارلز بويل

في بداية عام 2018، بدأتُ ما سيصبح فيما بعد أروع تجربة في حياتي: فترة تدريب ربيعية في مختبر الدفع الأخضر التابع لمركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا. خلال فترة التدريب هذه، شاركتُ في مشروعين رئيسيين: تصميم وتصنيع أول نظام تحميل أحادي الوقود "أخضر" منخفض السمية في ناسا لتزويد المركبات الفضائية بالوقود الفضائي، بالإضافة إلى تصميم وحدة ضغط على ساتل CubeSat تم تحسينها لتلائم الوقود الأخضر. من خلال هاتين التجربتين، اكتسبت فهماً متعمقاً لمزايا أنظمة الدفع الأخضر مقارنة بأنظمة الوقود الأحادي الهيدرازين الحالية، فضلاً عن المشاكل التي تعيق استخدام الوقود الأخضر على نطاق واسع في بعثات المركبات الفضائية.

من خلال خبرتي في وكالة ناسا، اكتشفت أن إحدى المشاكل، إن لم تكن المشكلة الرئيسية المرتبطة بالوقود الأخضر هي ببساطة درجات الحرارة التي تتطلبها للاحتراق السليم. فالمواد الشائعة التي تستخدم على نطاق واسع في تجميعات غرف الاحتراق لا يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة للغاية المرتبطة بالتحلل الحراري للوقود الدفعي الأخضر. على الرغم من المزايا المختلفة التي تتمتع بها الوقودات الدافعة الخضراء مقارنة بالوقود الأحادي التقليدي - أي انخفاض السمية، وكثافة دفع أعلى، وسهولة التعامل معها - إذا لم تتمكن المواد الشائعة من تحمل درجات الحرارة العالية و/أو بيئة الاحتراق التأكسدي المرتبطة بالوقودات الدافعة الخضراء، فإن أنظمة الدفع هذه تصبح مستحيلة.

وهنا يأتي دور المعادن الحرارية. يكمن مستقبل الدفع الأخضر في تقدم تقنيات تصنيع المعادن الحرارية (RM). وتكتسي المعادن المقاومة للحرارة مثل الإيريديوم والرينيوم أهمية قصوى لتصميم محرك الدفع بالوقود الأخضر، لأنها من المواد القليلة جداً التي يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتبطة بالتحلل الحراري المستمر للوقود الأخضر. ومع ذلك، فإن طرق تصنيعها المكلفة في الوقت المناسب قد حدّت من استخدام أنظمة الدفع الخضراء في عدد قليل من البعثات المختارة. بالإضافة إلى ذلك، يقتصر الاستخدام الحالي للمعادن الحرارية في أنظمة الدفع الأخضر، في معظمه، على التصنيع الطرحي. كما أن تقنيات التصنيع الإضافي المرتبطة بالمعادن الحرارية، مثل طباعة فوهات الرينيوم على سرير الطباعة DMLS، غير مستكشفة نسبياً. لذلك، يمكن أن يؤدي تطوير تقنيات التصنيع الطرحي الأقل تكلفة لتصنيع الرينيوم الحراري، بالإضافة إلى تقنيات التصنيع الإضافي الموثوق بها إلى تغيير مجال أنظمة الدفع بالأقمار الصناعية بالكامل. ستسمح قدرات التصنيع بالوقود الدفعي الأحادي الخضراء هذه باستبدال أنظمة الوقود الأحادي الخضراء بالكامل بأنظمة الوقود الأحادي الحالية مثل دافعات الهيدرازين، مما سيؤدي بدوره إلى انخفاض كبير في متوسط سمية نظام الدفع بالوقود الأحادي وزيادة كثافة دفعها بشكل كبير.

ما أهمية ذلك؟ على الرغم من كونها مسألة تقنية محددة للغاية في علوم الدفع، إلا أن المعادن الحرارية سيكون لها تأثير كبير على قطاع الطيران بمجرد أن تصبح تقنيات التصنيع المرتبطة بها أكثر كفاءة. إن الفائدة الرئيسية التي توفرها المواد الدافعة الخضراء هي كثافة الدفع الأعلى، أو بعبارة أخرى، قوة الدفع الأعلى التي يمكن أن توفرها المواد الدافعة للمركبة الفضائية لكل وحدة حجم من الوقود الدافع. هذه ليست تفاصيل تقنية صغيرة. يمكن لكثافة الدفع الأعلى أن تحدث فرقاً بين قبول أو رفض بعثة رائدة في مرحلة تصميم البعثة. وبعبارة أخرى، فإن وجود فائض في كثافة الدفع يمكن أن يكون من الناحية الواقعية جداً العامل النهائي الذي يسمح للبعثة بالمضي قدماً وتحويل ما كان في يوم من الأيام خيالاً علمياً إلى حقيقة واقعة.

على سبيل المثال، المهمة التي يُعتقد أنها المهمة الأكثر أهمية في مجال الملاحة الفضائية في العقد القادم هي مهمة العودة بعينة من المريخ (MSR). إن مجال المهمة الذي يتطلب أحدث ما توصلت إليه الهندسة هو مركبة الصعود إلى المريخ (MAV). المركبة MAV هي المركبة الفضائية التي سترفع عينة سطح المريخ إلى مدار المريخ. ومن الواضح أن هذا النوع من الإطلاق لم يتم تنفيذه من قبل. وتستخدم معظم محاولات تصميم المركبة MAV إما أنظمة دفع صلبة أو هجينة أو أحادية الوقود لحمل الحمولة إلى المدار، وعادةً ما تكون بنية الدفع المقترحة للمركبة MAV غير قادرة على توفير الدفع اللازم لنقل الحمولة إلى مدار المريخ. هذه هي بالضبط الطريقة التي يمكن أن يؤدي استخدام المعادن الحرارية إلى نجاح واحدة من أهم المهمات التي قامت بها البشرية على الإطلاق. ومن خلال تطوير تقنيات تصنيع المعادن المقاومة للحرارة إلى الحد الذي يمكن فيه استخدام المعادن المقاومة للحرارة في تصميم نظام دفع "أخضر" عالي الأداء للمركبات ذات الدفع المتحركة، يمكن أن يسمح ذلك بنجاح مهمة "م.م.م.م"، مما يقرب البشر خطوة واحدة من وضع أقدامهم على سطح المريخ.

وعلى غرار مهندسي الفضاء العباقرة الذين سبقوني، أريد أن تكون نتاج عمل حياتي إطلاق البشر والروبوتات خارج مدار الأرض إلى أجرام سماوية لم تطأها قدمي. ولتحقيق هذا الحلم، تحتاج البشرية أولاً إلى ابتكار أنظمة دفع من الجيل التالي بأسعار معقولة وموثوقة. المعادن الحرارية هي العنصر الأساسي الذي سيسمح لأنظمة الدفع الأحادية الحالية التي تعمل بالوقود الهيدرازيني الأحادي بالتحول إلى أنظمة دفع خضراء أكثر كفاءة وموثوقية. ستُحدث أنظمة الدفع الخضراء هذه في نهاية المطاف ثورة في مجال دفع الأقمار الصناعية الصغيرة، وستمكن من تحقيق الأهداف السامية التي تحملها البشرية لمستقبل استكشاف الفضاء.

مرجع: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). 2018 خارطة طريق تطوير تكنولوجيا الدفع الأخضر في وكالة ناسا.

عمل رائع يا تشارلز! أطيب التمنيات لك طوال مسيرتك الجامعية وما بعدها.