پروژه‌های امیدبخشی که قرار است اکتشافات فضایی را متحول کنند

«مایک لاپونته» (Mike Lapointe) کار حسادت‌آمیزی دارد که به او کمک می‌کند تا بفهمد چگونه اکتشافات فضایی را به آینده علمی-تخیلی برساند. او و همکارانش، روی پروژه‌های پرخطر و همراه با پاداش بالا به عنوان بخشی از «برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا» (NIAC) سرمایه‌گذاری می‌کنند و ایده‌های خارق‌العاده را مورد بررسی قرار می‌دهند. بسیاری از آن‌ها به نتیجه نمی‌رسند، اما برخی از آن‌ها می‌توانند شرایط را تغییر دهند.

به گزارش ایسنا، لاپونته گفت: ما همه چیز را بررسی می‌کنیم؛ از مفاهیم که روی دستمال نوشته شده‌اند گرفته تا چیز‌هایی که مفهوم‌سازی شده‌اند، اما هنوز توسعه نیافته‌اند. این‌ها چیز‌هایی هستند که شاید طی ۲۰ تا ۳۰ سال آینده به نتیجه برسند و ما باید آن‌ها را مورد بررسی قرار دهیم تا ببینیم چگونه می‌توانیم ماموریت‌های جدید ناسا را بهبود ببخشیم یا فعال کنیم. به عنوان مثال، اگرچه تلاش‌ها برای افزایش راندمان موتور موشک شیمیایی قابل ستایش است، اما برای این برنامه کافی نیست. در مقابل، پیشنهاد یک سیستم کاملا جدید که می‌تواند جایگزین موشک‌های شیمیایی شود، مناسب است.

ناسا این کمک‌ها را سالانه و بیشتر به پژوهشگران دانشگاهی آمریکا اعطا می‌کند. این دسته جدید جوایز برای پروژه‌های فاز یک است که هر کدام ۱۷۵ هزار دلار برای انجام دادن یک مطالعه ۹ ماهه دریافت می‌کنند تا پژوهشگران آن را برای طرح‌ریزی نقشه‌های خود با جزئیات بیشتر، اجرای آزمایش‌ها و طراحی نمونه‌های اولیه به کار ببرند. تعداد کمی از افراد به فاز دو می‌رسند و ۶۰۰ هزار دلار برای یک پژوهش دو ساله دریافت می‌کنند. پس از آن، ناسا دو میلیون دلار به یک پروژه استثنایی برای تأمین مالی آن در فاز ۳ دو ساله اهدا می‌کند.

برخی از رقبا ممکن است نهایتا جایی در ناسا یا فرصت همکاری با یک شریک تجاری را پیدا کنند. برخی دیگر ممکن است با هموار کردن راه برای توسعه فناوری‌ها، تأثیر غیرمستقیمی بر اکتشافات فضایی داشته باشند. برای مثال، آنتن فضایی بادی استارتاپ «فریفال آئرواسپیس» (Freefall Aerospace) به عنوان یک پروژه در برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا آغاز شد. پیشنهاد برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا، برای ساخت یک هواگرد بالگردان در سیاره سرخ بود که الهام‌بخش بالگرد مریخی «نبوغ» (Ingenuity) شد.

یکی از برندگان امسال، پیشنهادی برای طراحی یک زیستگاه است که از مصالح ساختمانی پرورش‌یافته در مریخ (مواد تولیدشده توسط قارچ‌ها و باکتری‌ها) ساخته می‌شود. فرستادن چیز‌های بزرگ و سنگین مانند ساختار زیستگاه به فضا سخت است. هزینه پرتاب بسیار زیاد است و باید آن را روی یک موشک قرار داد تا روی مریخ فرود بیاید، اما این پروژه جدید که توسط «کانگروی جین» (Congrui Jin)، مهندس مکانیک و مواد «دانشگاه نبراسکا» (UNL) و همکارانش توسعه یافته است، ایده مصالح ساختمانی خودپرورش‌یافته را بررسی می‌کند.

جین و گروهش از قارچ‌ها یا باکتری‌ها برای ایجاد مواد معدنی زیستی و بیوپلیمر‌هایی استفاده کرده‌اند که ترک‌های بتن را پر می‌کنند. جین گفت: این قارچ‌ها یا باکتری‌ها ابتدا کوچک هستند، اما به تدریج پرورش می‌یابند تا فضای موجود را پر کنند. ما آن‌ها را مواد خودترمیم‌کننده می‌نامیم و می‌خواهیم برای توسعه این مواد خودپرورش‌یافته یک گام فراتر بگذاریم.

در یک بیوراکتور که در مریخ قرار می‌گیرد، چنین موادی به آجر‌های محکم تبدیل می‌شوند. این فرآیند روی زمین پرهزینه خواهد بود، اما از آنجا که سیاره سرخ فاقد کارگران ساختمانی است، شاید منطق اقتصادی‌تری در آنجا وجود داشته باشد. جین قصد دارد در طول پژوهش خود بفهمد که آیا روند رشد می‌تواند از ماه‌ها به روز‌ها تبدیل شود و این مواد تا چه مدت می‌توانند در محیط خشن مریخ دوام بیاورند.

این نخستین باری نیست که برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا، آزمایشی را با هدف استفاده از قارچ برای پرورش سازه‌ها در فضا تأمین مالی می‌کند. پروژه متفاوت «مایکوتکچر» (Mycotecture) نیز یکی از برندگان سال گذشته بود که چنین ایده‌ای را مطرح کرد، اما پروژه گروه جین روی به کار بردن جنبه متفاوتی از قارچ تمرکز خواهد داشت. این جنبه متفاوت، مواد معدنی هستند که در شرایط خاصی تشکیل می‌شوند.

یکی دیگر از برندگان برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا، طراحی یک خط لوله غول‌پیکر در ماه را پیشنهاد می‌کند که می‌تواند اکسیژن مورد نیاز را به فضانوردان حاضر در یک پایگاه قمری برساند. به لطف برنامه «آرتمیس» (Artemis) ناسا، فضانوردان احتمالا در سال ۲۰۲۶ به ماه وارد خواهند شد.

ماموریت‌های طولانی‌تر آینده، به منابع اکسیژن نیاز دارند که هفته‌ها یا ماه‌ها دوام بیاورند و احتمالا به عنوان سوخت موشک نیز استفاده شوند. انتقال مخازن اکسیژن به فضا، به اندازه پرتاب مصالح ساختمانی مشکل‌ساز است، اما تولید گاز روی ماه می‌تواند گزینه بهتری باشد. اکسیژن به عنوان محصول جانبی استخراج یخ آب با استفاده از فرآیندی به نام الکترولیز در دسترس است.

با وجود این، یک مشکل لجستیکی وجود دارد. عملیات استخراج ماه ممکن است درست در کنار کمپ نباشد. یخ ماه در دهانه‌هایی که دائما سایه‌دار هستند، به وفور یافت می‌شود، اما این مکان‌ها سردترین مکان‌های ماه نیز هستند و ارتباط با آن‌ها و از آن‌ها می‌تواند دشوار باشد. «پیتر کورری» (Peter Curreri)، دانشمند سابق ناسا و یکی از بنیان‌گذاران و مدیر ارشد علمی شرکت «لونار ریسورسز» (Lunar Resources) گفت: یکی از گزینه‌ها این است که اکسیژن را در محل یک دهانه ایجاد کنیم و آن را به مریخ‌نورد برگردانیم، اما تولید اکسیژن در یک مکان و جابه‌جایی آن با استفاده از قوطی‌های فشرده یا ربات‌ها بسیار پرهزینه و سخت است.

پیشنهاد گروه کورری این است که شاید بتوان یک خط لوله پنج کیلومتری ساخت که دو منطقه را به هم متصل می‌کند. این دستگاه توسط ربات‌ها به صورت بخش‌هایی ساخته می‌شود و از فلزاتی مانند آلومینیوم استخراج‌شده از سنگ ماه استفاده می‌کند. قطعات به هم جوش داده می‌شوند و لوله‌ای روی پایه اعمال می‌شود که تفاوت چندانی با لوله‌های نفت روی زمین ندارد. این لوله، سرعت جریان اکسیژن را تا دو کیلوگرم در ساعت فراهم می‌کند که برای نیاز‌های فضانوردان آینده ناسا کافی است.

کورری و همکارانش در حال حاضر در حال انجام دادن یک پژوهش با در نظر گرفتن هزینه‌های بالقوه، بهترین ساختار برای لوله و همچنین، بررسی این موضوع هستند که آیا تعمیرات را می‌توان با مریخ‌نورد‌ها تکمیل کرد یا خیر.

برخی از برندگان دیگر این کمک‌هزینه، تمایل نجومی بیشتری دارند. برای مثال، «ادوارد بالابان» (Edward Balaban)، دانشمند «مرکز تحقیقات ایمز» (ARC) ناسا در حال بررسی استفاده از گرانش نزدیک به صفر فضا برای شکل دادن به سیالات است تا در آینه یا عدسی تلسکوپ‌های فضایی غول‌پیکر استفاده شوند.

این آینه‌ها قوی‌تر از آینه‌های کنونی تلسکوپ‌ها هستند که اغلب از شیشه خاصی ساخته شده‌اند و در برابر ضربه‌های ناشی از ریزشهاب‌سنگ‌ها و لرزش در طول فرآیند پرتاب آسیب‌پذیر هستند. همچنین، قطر یک آینه تعیین می‌کند که تلسکوپ چقدر می‌تواند یک جرم را در اعماق فضا تشخیص دهد، اما در حال حاضر به اندازه موشک پرتاب محدود شده است.

بالابان گفت: آینه «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (JWST) با قطر ۶.۵ متر، یک معجزه مهندسی است. تا کردن آن به این شکل، به خلاقیت و ریسک فنی زیادی نیاز داشت و ساختار ظریف آن باید از خشونت پرتاب نجات پیدا می‌کرد. اگر بخواهیم مقیاس آن را بیشتر کنیم، گران‌تر و پیچیده‌تر می‌شود.

با مفهوم «تلسکوپ سیال» بالابان، فقط باید یک قاب مشابه یک دیش ماهواره‌ای چتر شکل و یک مخزن مایع مانند آلیاژ‌های گالیوم و مایعات یونی پرتاب شوند. پس از پرتاب، مایع به داخل قاب تزریق می‌شود. در فضا، قطرات به خاطر کشش سطحی به هم می‌چسبند و نیروی مزاحم گرانش زمین دیگر مانع این کار نمی‌شود. این کار، یک آینه فوق‌العاده صاف را بدون نیاز به فرآیند‌های مکانیکی که برای آینه‌های سنتی استفاده می‌شوند، ارائه می‌دهد. سپس، آینه از طریق یک فرآیند خودکار به سایر اجزای تلسکوپ متصل می‌شود.

بالابان و گروهش پیشتر با آزمایش روی هواپیما و ایستگاه فضایی بین‌المللی یاد گرفته‌اند که چگونه با پلیمر‌های مایع، لنز بسازند و مشخص کردند که حجم مایع، درجه بزرگنمایی را تعیین می‌کند. با بودجه برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا، آن‌ها برای مرحله بعدی آماده خواهند شد که آزمایش کردن یک آینه مایع کوچک در فضا در اواخر دهه جاری میلادی است.

هدف آن‌ها این است که در نهایت یک آینه ۵۰ متری را طراحی کنند، اما از آنجا که این فناوری مقیاس‌پذیر است، بالابان باور دارد که می‌توان از همان اصول فیزیکی برای مهندسی آینه‌ای به عرض کیلومتر‌ها استفاده کرد. آینه بزرگ جیمز وب، آن را به یکی از حساس‌ترین تلسکوپ‌هایی تبدیل می‌کند که تاکنون ساخته شده‌اند، اما استدلال بالابان این است که برای ادامه پیشرفت ممکن است به ساخت آینه‌های بزرگ‌تر با این روش جدید نیاز باشد.

«زاخاری کوردرو» (Zachary Cordero)، پژوهشگر دانشگاه «ام‌آی‌تی» (MIT)، پروژه جدید دیگری را برای توسعه روش تولید در فضا هدایت می‌کند که «bend-forming» نام دارد. این پروژه شامل خم کردن یک رشته سیم در گره‌ها و زوایای خاص، سپس اضافه کردن اتصالات برای ایجاد یک ساختار سفت است. کوردرو و گروهش در حال طراحی یک بازتابنده برای ماهواره‌ای در مدار بالا هستند که با اندازه‌گیری تغییرات رطوبت در جو می‌تواند بر طوفان‌ها و بارش‌ها نظارت کند.

مانند بسیاری از برندگان دیگر، پیشنهاد کوردرو نیز با وجود محدودیت‌های اندازه و وزن سفر موشکی، چالش ساختن ساختار‌های بزرگ در فضا را به همراه دارد. کوردرو گفت: با بازتابنده‌های معمولی، هرچه این ساختار‌ها را بزرگ‌تر کنید، دقت سطح بدتر است و در نهایت غیرقابل استفاده می‌شوند. ده‌ها سال است که مردم درباره راه‌هایی برای ساخت بازتابنده‌هایی در مقیاس ۱۰۰ متر یا کیلومتر در فضا صحبت می‌کنند. با روش ما می‌توان مواد کافی برای یک دیش ۱۰۰ متری را روی یک موشک پرتاب کرد.

در میان ۱۴ برنده دیگر، پیشنهادی در مورد یک هواپیمای آب‌نشین برای پرواز بر فراز «تایتان» (Titan)، بزرگترین قمر زحل و پیشنهاد دیگری در مورد یک کاوشگر برای نفوذ به اقیانوس قمر «انسلادوس» (Enceladus) سیاره زحل وجود دارد.

لاپونته گفت: اگرچه برخی از این پروژه‌ها موفق نمی‌شوند، اما این برنامه به ناسا کمک می‌کند تا حد و مرز‌های امکان‌پذیر را مورد بررسی قرار دهد، حتی اگر پروژه‌ای شکست بخورد، همچنان برای ما سودمند است و اگر کار کند، می‌تواند ماموریت‌های آینده ناسا را تغییر دهد.