كيف نبني القمر على الأرض
إن التكلفة الكبيرة التي ينطوي عليها إرسال مركبات هبوط ومركبات جوالة إلى القمر وسُمعتها المرموقة تعنيان أنه لا يمكن تحمُّل ألا تعمل كما هو متوقع منها عندما تصل إلى هناك. لكن المشهد القمري لا يُشبه أي شيء هنا على الأرض. إذن كيف وأين يمكن اختبار المعدات المتجهة إلى القمر؟
الوقت ليلاً في صحراء موهافي Mojave Desert. تدور نجوم مجرة درب التبانة ببطء فوق تضاريس طبيعية يلفها الظلام الدامس إلى درجة أنه بالكاد يمكن تمييزها. فجأةً تُشعل الأضواء. إنها مثبتة بزاوية منخفضة عند مستوى الأفق وعلى جانب واحد، ولكنها تسلط الضوء على تضاريس رمادية شاحبة متموجة ممتلئة بالحفر. أنت تعلم أنك تقف بين رمال كاليفورنيا، ولكن إضاءتها بهذه الطريقة، تجعلها تبدو كأنها على القمر.
هذا ”القمر في موهافي“ هو من صنع شركة رحلات الفضاء أستروبوتيك Astrobotic التي بنت أرض اختبار سطح القمر (LSPG) Lunar Surface Proving Ground. صُمِّم الموقع الذي تبلغ مساحته 100 متر مربع (نحو 1,000 قدم مربعة) ليبدو تماماً مثل القطب الجنوبي للقمر. وهي منطقة تجاهلها مستكشفو القمر الأوائل، لكنها استرعت مزيداً من الاهتمام على مدى العَقد الماضي بعد العثور على علامات على وجود جليد الماء في الخبايا دائمة الظلال في الحفر العميقة. يمكن أن تكون هذه المياه مورداً لا يقدَّر بثمن لكل من العلم ومستكشفي المستقبل.
تهدف أستروبوتيك إلى التوجه إلى المنطقة بمركبتَي الهبوط Peregrine وGriffin، المقرر إطلاقهما في ديسمبر 2023 ثم نوفمبر 2024 على التوالي. إنهما مجرد اثنتين من عديد من البعثات التي تدعم برنامج آرتميس التابع لناسا لإعادة البشر، بمَن في ذلك أول امرأة وشخص ملون، إلى سطح القمر بحلول نهاية العَقد. ولكن قبل مجرد التفكير في إرسال أي من Peregrine أو Griffin، يجب إخضاعهما للاختبار بالكامل على الأرض.
محاكاة القمر
تقول أليفيا تشابلا Alivia Chapla، مديرة التسويق في شركة أستروبوتيك: ”نحن نبذل كل ما في وسعنا لمحاكاة البيئة القمرية والفضائية على الأرض قبل أن نرسل مركبتنا الفضائية، لأنه لا يمكنك التدرُّب في الفضاء… بمجرد إرسال المركبة الفضائية، تصبح هناك. فالبعثات الروبوتية، لا يمكن إصلاحها أو لمسها بمجرد مغادرتها هذا الكوكب“. على هذا النحو تُعتبَر الاختبارات حيوية لحل أي مشكلات محتملة في حين ما زال من الممكن إصلاحها. ولكن عندما تكون سيارتك متجهة إلى منطقة ذات تضاريس طبيعية لا مثيل لها على وجه الأرض، فإن إجراء هذه الاختبارات ليس بالأمر السهل.
صُممت المركبة الفضائية السوفييتية لونوخود Lunokhod الروبوتية ومركبة أبولو Apollo التي يقودها الإنسان وبُنيتا في ستينات القرن العشرين، قبل أن يعرف أي شخص حقاً ما هو عليه سطح القمر. كلتا المركبتين اختُبرت على الأرض، ولكن عندما أمسك سائقو لونوخود-1 (Lunokhod-1) السوفييت أجهزة التحكم من بُعد أول مرة، كان من الواضح أن هذه التدريبات لم تكن كافية على الإطلاق. مع عدم وجود غلاف جوي أو لون على القمر لتوفير إحساس بالعمق، من الصعب تفسير تضاريس المناظر الطبيعية في أفضل الأوقات، لكن كاميرات التصوير بالأبيض والأسود الخاصة بلونوخود-1 أزالت أيضاً أي تفاصيل قد تجعل الأمر أسهل.
على عكس السوفييت في ستينات القرن العشرين، تمكنت أستروبوتيك من مسح المنطقة التي تخطط للهبوط عليها بدقة، مما سمح للشركة بإعادة إنشاء التضاريس في أرض اختبار سطح القمر LSPG.
تقول تشابلا: ”تحاكي منطقة الاختبار LSPG شكل القمر ومظهره. نحن نصنعه من طبقة رقيقة ذات لون رمادي فاتح وعاكس جداً من الجص [أو مادة بناء مصنوعة من الركام وعامل ربط وماء] لتقليد سطح القمر“.
ستكون أستروبوتيك قادرة على تجربة نماذج من كاميرات التوجيه ومعدات القياس فوق أرض الاختبار، أو حتى تدريب سائقيها على التنقل عبرَها للتأكد من أنهم على استعداد تام للتعامل مع القطب الجنوبي للقمر.
”أحد أكبر التحديات التي تواجه مركبات الهبوط والمركبات الجوالة في القطب الجنوبي للقمر هو الضوء“
الضوء الرائع
قد يبدو الأمر غير ذي أهمية، إلا أن أحد أكبر التحديات التي تواجه مركبات الهبوط والمركبات الجوالة في القطب الجنوبي للقمر هو الضوء. تكون الشمس في مكان منخفض بالنسبة للأفق، في مكانٍ ما بين 5-10 درجات، مما يخلق ظلالاً طويلة. وهذا يعني أن هناك زوايا ظليلة داخل وحول الحفر التي ظلت معتمة منذ بلايين السنين، وهذا هو السبب الذي جعل الماء قادراً على البقاء على سطح القمر لفترة طويلة. لكن هذه الظلال نفسها تجعل من الصعب جداً رؤية التضاريس بوضوح.
نظراً إلى أن أرض اختبار سطح القمر كبيرة جداً، تطلَّب الأمر أن تكون بالخارج، مما يعني أن هناك طريقة واحدة فقط لمحاكاة ظروف الإضاءة القمرية. تقول تشابلا: ”نحن في الواقع نُجري كثيراً من اختباراتنا في الليل. نحاكي الإضاءة الشديدة بأضواء كاشفة مختلفة. سنُحاكي الضوء الآتي من الشمس، ونحاكي وهج الأرض، اعتماداً على ما ننظر إليه“.
يحاكي سطح الجص الصلب لأرض اختبار سطح القمر خشونة سطح القمر بصرياً، ولكن ما فشل في إعادة إنشائه هو الشعور الذي يولِّده التلامس الفعلي معه. القمر الحقيقي مغطى بالغبار الناعم. هذا الثرى، كما هو معروف، تشكَّل على مدى بلايين السنين بواسطة النيازك الكبيرة والصغيرة التي اصطدمت بالسطح وطحنت صخوره.
كيف تصنع غبار القمر
في الوقت الحالي، يجب استخدام صخور الأرض بديلاً عن المادة الحقيقية
على الرغم من أن بعثات أبولو أعادت كمية كبيرة جداً زنتها 382 كغم (842 رطلاً) من صخور القمر، فإنها تظل بعيدة جداً عن مقدار الـ 20 طناً اللازمة لملء صندوق واحد من الثرى. بدلاً من ذلك، تستخدم المرافق التناظرية القمرية حطاماً محاكياً له مصنوعاً خصيصاً لهذا الغرض. عند صنعه، تتمثل الخطوة الأولى في العثور على صخور على الأرض هي الأقرب إلى تلك الموجودة على القمر.
يقول غريغ شميت، مدير المعهد SSERVI في مركز أبحاث أميس: ”قبل خمسة عشر عاماً، كانت المادة المحاكية لثرى القمر تُسمى عادةً المادة JSC-1A“. تتكون هذه المادة من الصخور البركانية الغنية بالزجاج المعروفة باسم البازلت والتي تُجمَع من حفرة ميريام Merriam Crater بالقرب من فلاغستاف Flagstaff، في أريزونا. وتتطابق معادن هذه الصخور بشكل وثيق مع الصخور التي أعادتها أبولو-14. يقول شميت: ”إنها رمادية داكنة اللون وهي تحاكي جيداً بحار القمر، وهي المناطق الداكنة على القمر“.
المادة JSC-1A تملأ رقعة اختبار واحدة في أميس؛ والأخرى تحتوي على LHS-1، وهي عبارة عن مادة محاكية مصنوعة من الأنورثوسيت Anorthosite من منجم ستيلووتر Stillwater Mine في مونتانا، وهو يتناسب بقدر أفضل مع المرتفعات القمرية في القطب الجنوبي للقمر. يقول شميت: ”عندما حصلنا على الأنورثوسيت النقي، كان ساطعاً جداً إلى درجة أننا أدركنا حاجتنا إلى مزج القليل من الزجاج البازلتي معه لجعله أشبه بما نراه بالفعل“.
وفي الاختبارات الميكانيكية، حيث التطابق الكيميائي المثالي ليس مهماً، هناك مواد محاكية أخرى مصنوعة من صخور متاحة بسهولة أكبر، مما يعني أنه يمكن إنتاجها بكميات كبيرة بتكلفة أقل. تُطحن هذه الصخور الأساسية وتغربل إلى عدة درجات، من الناعمة إلى الخشنة. لكن ما لا تتضمنه المواد المحاكية هي الرائحة، فغبار القمر عديم الرائحة. ومع ذلك، أفاد جميع رواد القمر في رحلة أبولو بأن الغبار القمري الحقيقي تفوح منه رائحة ”البارود المستهلك“. قال باز ألدرين: ”كان مثل الفحم المحروق. مثل الرماد الذي في المدفأة، خاصة إذا رششتَ عليه قليلاً من الماء“.
ومع ذلك، ليست هناك ضرورة للسفر بعيداً عن أرض اختبار سطح القمر التي بنتها أستروبوتيك للعثور على سطح قمري يغطيه ثرى شبيه بما هو عليه في الواقع. يقع مركز أميس للأبحاث Ames Research Center التابع لناسا في وادي السيليكون القريب، وهو موطن المختبر القمري Lunar Lab ومختبرات الثرى القمري Regolith Testbeds.
ستجد هنا غرفتين بلا نوافذ وجدرانهما مطلية باللون الأسود بحيث تكون معتمة تماماً عند إطفاء الأنوار. وفي وسط كل غرفة يوجد صندوق رملي عملاق تملأه 20 طناً من تراب القمر المزيف.
إن الثرى المُحاكى في المختبر الأقدم بينهما هو باللون الرمادي الداكن نفسه مثل البحر القمري، وهي البقع الداكنة المرئية من الأرض على وجه القمر. ومع ذلك، فإن الإعداد في المختبر الأحدث يشبه بشكل أفضل المشهدَ المشرق للقطب الجنوبي للقمر.
تماماً كما هي الحال مع أستروبوتيك، تحاكي الأضواء الكاشفة الشمس المنخفضة عند القطب القمري، ولكن سلوك الضوء هنا غريب على السطح. تعمل حبيبات الغبار كعاكسات صغيرة، وتشكل الضوء بطرق غريبة يمكن أن تربك الكاميرات وأجهزة الحاسوب التي تحاول تفسير التضاريس. يستطيع مهندسو ناسا إنشاء الحفر أو التلال أو أي شكل آخر في قواعد الاختبار، مما يسمح لهم باختبار أنظمة ملاحتهم في مواجهة العوائق لمعرفة كيف ستتصرف في الإضاءة غير العادية وتثبت جدارتها.
”الأمر لا يختلف عن صنع قطعة رائعة من الحلوى. تشكل الحفر ثم ترش عليها مواد محاكية لما يوجد عليها“
يقول د. تيري فونغ Terry Fong، كبير علماء الروبوتيات في أميس: ”الأمر لا يختلف عن صنع قطعة رائعة من الحلوى“. وهو حالياً جزء من فريق تطوير وبناء مركبة الاستكشاف القطبية للمُركَّبات المتطايرة Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (اختصاراً: المركبة VIPER) التي تأمل الوكالة ناسا إرسالها إلى القطب الجنوبي للقمر بحلول العام 2024 لتحليل الموارد المحتملة التي يمكن العثور عليها هناك. يقول فونغ ”نشكل الحفر، وسنضع صخوراً صغيرة، ولكن بعد ذلك سنأخذ حفنة من المواد المحاكاة ونرشها على القمة. عندما ترتطم بها، فإنها تخلق كل هذه البثور الصغيرة في معظم أنحاء السطح. إنها عملية تتطلب كثيراً من العمل، ولكنها عمل فني إلى حد ما“.
لكن الأنظمة البصرية ليست هي الجانب الوحيد الذي يجب اختباره في المركبة الجوالة. وهذا هو السبب وراء وجود عديد من صناديق الثرى الأخرى، بما في ذلك واحد في أستروبوتيك، وكذلك في مختبر العمليات القمرية المحاكاة Simulated Lunar OPErations Lab (اختصاراً: المختبر SLOPE) في مركز غلين للأبحاث Glenn Research Center التابع لناسا في أوهايو. قد لا تشبه هذه الأشياء القمر إلى حد كبير، ولكنها تسمح للفرق باختبار كيف يتصرف الغبار.
يقول فونغ: ”إن مصدر القلق الكبير لدينا هو: ’هل يمكن أن تعلق المركبة وتعجز عن الحركة؟‘… إنها مركبة متجولة ذات عجلات ذاهبة إلى مكان لم نزره من قبل. لقد وضعنا المركبة VIPER في مجموعة متنوعة من الوضعيات: زوايا مختلفة، وعوائق، وتربة مائعة وصلبة“.
خلال عديد من هذه الاختبارات، علقت المركبة بالفعل. وهذا، على عكس ما هو متوقع، كان في الواقع أمراً جيداً، لأنه لم يساعد فقط على تعديل تصميم العربة الجوالة لتقليل فرص تعطلها على القمر، ولكنه سمح أيضاً للمشغلين بتطوير تقنيات جديدة من شأنها أن تساعدهم على تخليص المركبة الجوالة إذاعلقت.
يقول فونغ: ”المركبة VIPER مزودة بنظام تعليق نشط، وأحد الأشياء التي يمكننا فعلها هو رفع كل عجلة بنحو مستقل. يمكننا [جعل VIPER] ’تسبح‘ – مثل سباحة الصدر – عبر التربة“.
عمل مُغبِر
عادةً ما تكون صناديق الثرى محاطة بأغطية بلاستيكية شفافة، لأن المركبة الفضائية التي تحاول الحفر لإخراج نفسها غالباً ما تثير كثيراً من الغبار حولها. من المهم الحفاظ على الغبار في الموقع المحدد، فالثرى القمري معروف منذ القدم بأنه قادر على الوصول إلى أي مكان.
قال رائد الفضاء باز ألدرين Buzz Aldrin، مستذكراً الوقت الذي قضاه على القمر: ”كلما قضيتَ وقتاً أطول هناك، غمركَ مزيدٌ من الغبار القمري الذي يغطيك من خوذتك إلى حذائك“.
واجه رواد فضاء أبولو عدداً لا بأس به من المشكلات الناجمة عن الغبار. فاستنشقوا المسحوق الناعم بسهولة، مما سبب تهيجاً في الرئة (وحتى رد فعل تحسُّسياً، في حالة هاريسون شميت Harrison Schmitt من أبولو 17). كما أثر الغبار في المكونات غير البشرية للبعثة الفضائية. لقد كانت المادة كاشطة جداً إلى درجة أنها خدشت بدلات الفضاء ودخلت إلى مفاصل المعدات. وازدادت المشكلة سوءاً عندما وصلت المهمات اللاحقة مع المركبة القمرية الجوالة التي أثارت ذيولاً ضخمة من الغبار في أثناء تحركها على السطح.
قال رائد فضاء أبولو 17 جين سيرنان Gene Cernan في خلاصته بعد البعثة: ”بحلول منتصف المهمة الثالثة خارج المركبة (EVA) أو نهايتها، بدأت الأشياء البسيطة مثل أقفال الحقائب والقفل الذي كان يحمل منصة التحميل على المركبة تتعطل، ليس هذا فقط بل إنها لم تعد تعمل على الإطلاق… أنت في حرب مستمرة مع مشكلة الغبار، سواء داخل المركبة الفضائية أو خارجها“.
تتضخ أسباب الخصائص الخطرة للغبار القمري على الفور عندما تراه تحت المجهر. يقول غريغ شميدت Greg Schmidt، مدير المعهد الافتراضي لأبحاث استكشاف المجموعة الشمسية Solar System Exploration Research Virtual Institute (اختصارا: SSERVI) في أميس: ”إذا نظرتَ إلى الغبار القمري – الثرى الحقيقي – فإنك ترى هذه القطع الصغيرة جداً من المواد القمرية غير المنتظمة وذات الحواف الحادة“.
المواد المحاكية المصنوعة على الأرض ليست سيئة تماماً مثل الثرى الحقيقي، ذلك أنّ العوامل الجوية الطبيعية نعَّمت حوافها، لكنها ما زالت دقيقة بما يكفي لاستنشاقها. يقول شميت: ”عند تغيير السطح، مثل إضافة حفرة محاكاة، تحتاج إلى ارتداء معدات واقية. لكن بمجرد أن تنتهي من ذلك، فلا بأس أن نكون في الغرفة نفسها“.
”من المستحيل إعادة خلق جاذبية القمر التي تعادل سدس جاذبية الأرض“
حتى مع كل هذه الصناديق الممتلئة بالثرى القمري، هناك بعض جوانب استكشاف القمر التي تصعُب محاكاتها. من المستحيل إعادة خلق جاذبية القمر التي تبلغ سدس جاذبية الأرض، على الرغم من أن المهندسين وجدوا بعض الحيل الذكية لتزييفها (انظر: الجاذبية الاصطناعية، إلى اليسار).
هناك مصدر قلق كبير آخر هو الإشعاع، لكن مرافق اختبار الإشعاع الحالية كبيرة بما يكفي لاختبار المكونات الفردية، وليس المركبات الجوالة بكاملها. لا يمثل الحجم مشكلة عندما يتعلق الأمر باختبار كيف تعمل المركبات الجوالة في الفراغ، مع ذلك، فالوكالة ناسا لديها بعض من أكبر الغرف المفرغة في العالم. ولكن في حين أن إعداد صندوق من الثرى داخل إحداها قد يبدو أمراً بسيطاً، فإن الحقيقة هي أن الغبار الذي سيتطاير خلال هذه العملية من شأنه أن يدمر صمامات وختمات الغرف نظراً إلى دقتها وحساسيتها.
يقول فونغ: ”مثالياً، نود أن نحصل على أكبر عدد ممكن من العوامل التي هي أقرب ما يكون إلى الظروف البيئية الفعلية. لكن الحقيقة هي أننا نواجه صعوبة كبيرة في محاولة الاضطلاع بذلك كله في الوقت نفسه“.
في الواقع، لن تكون هناك أي طريقة لاختبار كل جانب من جوانب المركبة القمرية حتى تكون على السطح. تتمثل خطة ناسا طويلة المدى في إنشاء قاعدة بحثية على القمر، لذلك ربما يتمكن المستكشفون المستقبليون يوماً ما من اختبار تصميماتهم على السطح الحقيقي. وحتى ذلك الحين سيتعين عليهم الاكتفاء بالقطع الصغيرة من القمر المؤقت – مثل أرض اختبار سطح القمر التي أعدتها أستروبوتيك وحاويات الثرى القمري التي أعدتها الوكالة ناسا ويمكن العثور عليها هنا على الأرض.
في غياب مولدات الجاذبية الاصطناعية، يلجأ مستكشفو الفضاء إلى الارتجال…
تُعَد الجاذبية المختلفة للقمر من أصعب الأشياء التي يمكن محاكاتها عندما يتعلق الأمر باختبار المعدات القمرية.
يقول د. تيري فونغ، مدير مجموعة الروبوتيات الذكية Intelligent Robotics Group (اختصاراً: المجموعة IRG) في مركز أبحاث أميس: ”نحن نولي هذا الأمر أهمية كبيرة لأن جاذبية القمر تساوي سدس جاذبية الأرض… فيما يتعلق بالمركبة الجوالة ذات العجلات مثل المركبة Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (اختصاراً: المركبة VIPER) فإن ما يقلقنا هو كيف ستسير على السطح – وإذا اصطدمت بمطب، فهل ستقفز المركبة بكاملها؟“.
من المستحيل تغيير جاذبية الأرض، لذلك طور المهندسون مجموعة متنوعة من الأساليب المبدعة لمحاكاة الجاذبية المنخفضة للقمر على أحسن وجه ممكن. إحدى الطرق الأكثر شهرة هي استخدام رحلات جوية تتبع مسار القطع المكافئ. خلال هذه الرحلات تطير طائرات الركاب المجردة من المقاعد ومرافق الركاب بزوايا صعود وهبوط حادة لإنتاج الوهم بانخفاض الجاذبية. ومع ذلك، فهذا ليس مثالياً، إذ يوفر كل قوس فقط 10-20 ثانية من وقت الاختبار ولا يمكن استخدام صندوق الثرى إلا إذا أردت أن تمتلئ المقصورة بكاملها بالغبار المحاكى.
إذا أردنا محاكاة الجاذبية القمرية مع استخدام تضاريس وهمية أيضاً، فهناك تقنيات أخرى. تمثلت إحدى الطرق المستخدمة لاختبار مركبات أبولو في ستينات القرن العشرين في بناء مركبة اختبارية لها أنظمة القيادة نفسها التي سيحتوي عليها نموذج الرحلة ولكن مع تجريدها من كل شيء آخر، لتصبح كتلتها سدس الكتلة الحقيقية.
يقول فونغ: ”هناك شيء آخر يمكنك تجربته، وهو موازنة الجاذبية. يحصل ذلك حين تستخدم رافعة، أو إذا كانت مركبة جوالة صغيرة، فمنطاد هيليوم كبير (هل شاهدت فيلم Up؟) يقلل الكتلة الفعالة“.
ومع ذلك فإن الشيء الوحيد الذي لم تتمكن أي من هذه الطرق من تحقيقه هو تقليل كتلة جزيئات الغبار الفعلية. الطريقة الوحيدة لمعرفة مدى تأثير ذلك في المركبة الفضائية هي أن نرى ما يحدث عندما تصل إلى القمر.
