طرق ضوئية واسعة

طرق ضوئية واسعة

<N.L. ميرابو>



في
هذه الأيام، تحمل السفن الفضائية مصدر طاقتها. ومن الممكن تخفيض تكلفة
الرحلة الفضائية تخفيضا هائلا إذا استغنينا عما تحمله المركبة الفضائية من
وقود ومركِّبات components ثقيلة، ووجَّهنا
إلى هذه المركبة حزما من ضوء ليزري عالي الشدة أو طاقة مكروية الموجة. وقد
تمخضت التجارب التي أُجريت عام 1998 بإشراف ناسا وسلاح الجو الأمريكي عما
أُسْميه السفينة الضوئية lightcraft التي تنطلق على طول حزمة ليزرية تحت حمراء نبضية pulsed
صادرة عن الأرض. وتقوم السطوح العاكسة في السفينة بتجميع أشعة الحزمة في
حلقة لتسخين الهواء إلى درجة حرارة تعادل قرابة خمسة أمثال درجة حرارة سطح
الشمس، مما يجعل الهواء يتمدد تمددا انفجاريا ليُحدث الدفع.



ولدى استعمال ليزر غاز ثنائي أكسيد الكربون، طاقته 10 كيلوواط وينبض 28 مرة في الثانية، نجحت وزميلي < B. F. ميد> (من مختبر بحوث سلاح الجو الأمريكي) في دفع سفينة ضوئية خفيفة صغيرة مُوازَنةٍ بالتدويم(1) spin-stabilized
يتراوح قطرها ما بين 10 و15 سنتيمترا، إلى ارتفاع 30 مترا خلال 3 ثوان
تقريبا. ولدينا تمويل لزيادة طاقة الليزر إلى 100 كيلوواط، وهذا يمكِّن من
دفع مركبات على ارتفاعات تصل إلى 30 كيلومترا. ومع أن النماذج في هذه
الأيام تزن أقل من 50 غراما، فإن هدفنا، الذي حددنا له مدة طولها 3 سنوات،
هو إطلاق ساتل مكروي، وزنه كيلوغرام واحد، إلى مدار منخفض حول الأرض بليزر
يصدر عن الأرض، طاقته ميگاواط، وسيصنع بناء على طلبنا، وذلك باستعمال طاقة
كهربائية كلفتها لا تتجاوز بضع مئات الدولارات.



إن السفن الضوئية التجريبية الحالية مكوّنة من الألمنيوم المستعمل في بناء السفن الفضائية المألوفة، وهي مؤلفة من قشرة هوائية aeroshell
أماميّة، أي غلاف، ومن حجاب واحد حلقي، ومن جزء خلفي مؤلف من صنبور ضوئي
تمددي. وخلال الطيران في جو الأرض، يقوم الجزء الأمامي بضغط الهواء وتوجيهه
إلى مدخل المحرك. بعدئذ يتلقى الحجاب الواقي الحلقي القسم الأعظم من
الدفع. أما الجزء الخلفي فيعمل عمل مرآةِ جمعٍ مكافئية parabolic
تقوم بتركيز الضوء الليزري تحت الأحمر في بؤرة حلقية، في حين تُزود بهذا
الضوء سطحا آخر يمكن أن ينضغط أمامه الهواء الساخن. ويوفر هذا التصميم
توجيها آليا: فإذا بدأت السفينة بالتحرك خارج الحزمة، فإن الدفع يميل ويعيد
السفينة إلى اتجاهها الصحيح.



إن
سفينة ضوئية وزنها كيلوغرام واحد، يمكن أن تتسارع بهذه الطريقة لتبلغ سرعة
قدرها 5 ماك وارتفاعا قدره 30 كيلومترا، ثم تستعمل وقود الهيدروجين السائل
الموجود على متن السفينة لدفعها حين يصبح الهواء نادرا. ويجب أن يكون
كيلوغرام واحد من الهيدروجين كافيا لإيصال السفينة إلى مدارها. ويجب أن
يكون نموذج لهذه السفينة قطره 1.4 متر قادرا على دفع سواتل مكروية، يصل
وزنها إلى 100 كيلوغرام، إلى مداراتها بفعل حزمة ليزرية استطاعتها 100
ميگاواط. وبسبب كون الأحزمة التي نستعملها منبَّضة pulsed،
فمن الممكن الحصول على هذه الطاقة بسهولة إلى حد ما بدمج الخرج الناتج من
مجموعة من الليزرات. ويمكن لهذه الليزرات إطلاق سواتل اتصالات وإخراجُها من
مداراتِها حين يبطل استعمال تجهيزاتها الإلكترونية.





وتستطيع
السفن الضوئية التي لها أشكال هندسية مختلفة أن تتحرك نحو مصدر طاقتها،
وبعيدا عنه أيضا ـ أو حتى من جانب إلى آخر منه. وتتمكن المركبات ذات
الأشكال المتغيرة من نقل حمولات بتكلفة رخيصة حول الكرة الأرضية. والسفن
الضوئية قادرة أيضا على التزود بطاقة الموجات المِكروية microwaves؛
لكن الموجات المكروية لا تستطيع توفير طاقات عالية الكثافة كالليزرات، ومن
ثَمّ يتعين على المركبات أن تكون أكبر حجما. بيد أن مصادر الموجات
المكروية أرخص وأسهل للرّفع إلى طاقات عالية جدا.



لقد قمت أيضا بتصميم سفينة تندفع بالطاقة المحزّمة energy-beamed؛
وهذه السفينة تتسم بالتعقيد وتعمل وفق مبدأ مختلف، وباستطاعتها نقل
مسافرين. ويمكن أن تكون مثل هذه السفينة أفضل لنقل الحمولات الكبيرة؛ لأنها
يمكن أن تولّد دفعا على نحو أكثر فاعلية.



وتقوم
مرآة في هذه السفينة بتجميع بعض طاقتها المحزَّمة الواردة إليها، في نقطة
أمام المركبة بعيدة عنها مسافة تعادل قطر المركبة. وفي هذه الحالة تولّد
الحرارة الشديدة «دسارا هوائيا» air-spike يحرف الهواء المقترب من السفينة، مما يقلل احتكاكه بالسفينة ويخفض من حرارتها.



وتأخذ
هذه السفينة بعض الطاقة المحزَّمة لتوليد حقول كهربائية قوية حول حافتها
تقوم بتأيين الهواء. وتُستعمل أيضا مغانط ذات موصلية (ناقلية) مفرطة لتوليد
حقول مغنطيسية قوية في تلك المنطقة. وحين يتحرك الهواء المؤيَّن عبر
الحقول الكهربائية والمغنطيسية في هذه المجموعة، تنبري إلى العمل قوى
تحريكية مائعية مغنطيسية magnetohydrodynamic تقوم بتسريع الهواء المُزاح لتولّد الدفع.



وبتغيير
كمية الطاقة التي تعكسها السفينة الضوئية إلى الأمام، فإنها تتمكن من
التحكم في جريان الهواء حول المركبة. وفي الشهر 4/1995 أَثبتُّ انخفاض قوة
الاحتكاك بفعل دسار هوائي في نفق للصدمات الفرصوتية (فرط الصوتية) hypersonic
موجود في معهد رينسيلار للتقنيات المتعددة، ولكنني استعملت مصباح پلازما
مسخنا كهربائيا بدلا من الطاقة الليزرية. هذا وإن الاختبارات التي تهدف إلى
توليد دفع تحريكي (ديناميكي) مائعي مغنطيسي باستعمال جهاز قطره 15
سنتيمترا لم تبدأ إلا منذ عهد قريب. إن سفينة ضوئية من هذا النمط، بحجم
إنسان، مدفوعة بموجات مكروية أو بليزر نبضي استطاعته 1000 ميگاواط، يجب أن
تكون قادرة على العمل على ارتفاعات تصل إلى 50 كيلومترا، وأن تتسارع بسهولة
لتبلغ سرعات مدارية orbital velocities.





ولربما
أحدثت السفن الضوئية ثورة في النقل إذا دُفعت من محطات للطاقة الشمسية
تدور حول الأرض. بيد أن تكلفة تجميع البنية التحتية المدارية يجب تخفيضها
في النهاية إلى أقل من بضع مئات من الدولارات لكل كيلوغرام. وتجدر الإشارة
إلى أن كل كيلوغرام من الحمولة يكلّف حاليا نحو 000 20 دولار لإيصاله إلى
مدار حول الأرض بوساطة المكوك، وهذا مبلغ أكبر 100 مرة ممّا يجب أن يكون
عليه.



إنني
أعتقد بأنه يمكن ردم الهوة بصنع أول محطة طاقة مدارية تُخَصَّص لتمكين
الوصول إلى الفضاء بتكلفة قليلة. تَصَوَّرْ بنية قطرها كيلومتر صُنِعت على
شكل عجلة (دولاب) دراجة عملاقة تدور على ارتفاع 500 كيلومتر. إن كتلتها
ستكون نحو 1010 أطنان مترية، كما أنها ستدوِّم spin ببطء لتحظى باستقرار جيروسكوبي. وفضلا على «البرامق»(2) spokes البنيوية، سيكون للعجلة قرص مصنوع من 55 قطعة كبيرة على شكل شرائح من كربيد السيليكون silicon carbide سمك كل منها 0.32 مليمتر. إن التغطية الكاملة لوجهٍ واحد من كربيد السيليكون توفر خلايا ڤلطضوئية photovoltaic
ذات أغشية رقيقة فعاليتها 30 في المئة وقادرة على توليد 320 ميگاواط من
الطاقة الكهربائية. (ومن المتوقع إنتاج مثل هذه التجهيزات خلال عقد من
الزمن.) وعلى الوجه الآخر سيوجد 13.2 بليون من أجهزة الإرسال الصغيرة جدا
حالة الصَّلابة (المصلابة) solid state قطر كل منها 8.5 مليمتر فقط، وهذا ينتج 1.5 واط من الطاقة المكروية الموجة.



وتستطيع
الصواريخ الكيميائية التي ترفع حمولات ثقيلة أن تحمل هذه البنية بكاملها
في 55 عملية إطلاق تقريبا بتكلفة مقبولة قد تبلغ 5.5 بليون دولار فقط.
ويمكن تطويق المحطة بجهاز تخزين للطاقة مؤلف من كَبْلَيْن فائقي الموصلية
كتلة كل منهما 100 طن متري يمكن شحنهما بتيارين كهربائيين متعاكسي التدفق.
(ومن شأن هذا التنظيم إزالة عزم التدوير المغنطيسي magnetic torque الهائل الذي كان من الممكن حدوثه في حال كَبْل وحيد.)



وخلال
دورتين للمحطة حول الأرض، فإنها سَتَشْحن تماما هذا النظام بما مقداره
1800 جيگاجول من الطاقة. بعد ذلك ستسلِّط المحطة حزما من الطاقة المِكروية
الموجة قدرها 4.3 جيگاواط على السفينة الضوئية مداها نحو 1170 كيلومترا.
وتعمل قوى عزم التدوير التي تنشأ عن نقل كميات قليلة من التيار من أحد
الكبْلين إلى الآخر على تحديدٍ غير دقيق تماما لمواقع المحطة، لكن التحديد
الدقيق يتم عن طريق منارة مركّبة على السفينة الضوئية. فهذه المنارة ترسل
إشارة تحدد موقع كل من المُرْسلات trasmitters
الموجودة على متن محطة الطاقة وتولّد بقعة قطرها عشرة أمتار في موقع
الإطلاق. ويمكن للمركبة بلوغ مدارها في أقل من خمس دقائق، مما يعرّض
الموجودين فيها إلى تسارع لا يزيد على ثلاثة أمثال تسارع الجاذبية الأرضية،
وهذا يعادل تقريبا التسارع نفسه الذي يخضع له رواد فضاء المكوك الفضائي.



وتستطيع
أيضا محطة الطاقة الشمسية تفريغ كل طاقتها في دفقة مدتها 54 ثانية، ومن ثم
تندفع إلى الأعلى بتسارع يكبر تسارع الجاذبية الأرضية بقرابة 20 مرة
لتستقر في مدار متزامن مع الأرض geostatonary أو حتى لتبلغ سرعة الانفلات من الجاذبية الأرضية escape velocity.



هذا
وإن أول محطة مدارية للطاقة الشمسية ستمهد السبيل إلى صناعة كاملة للمحطات
المدارية تقوم بإطلاقها وتجميعها سفن ضوئية متخصصة. وخلال عقود سنرى
أسطولا منها يقوم برحلات سريعة وغير مكلفة حول الأرض وإلى القمر وما وراءه.