מטוסים לעולמות אחרים * מה דעתכם לשלוח מטוס לסייר באטמוספירת מאדים?

מאה שנים מלאו החודש לטיסה הממונעת הראשונה של האחים רייט. מה דעתכם לשגר מטוסים, אף כי ללא טייס למאדים, נוגה או ירחי שבתאי?

מאת: ספייס.קום תרגום: אלי בן דוד

מחקרים פלנטאריים עתידיים עשויים להשתמש בהיסטוריה העשירה של הקדמה האווירונאוטית – פה על כדה”א – מהאחים רייט ועד כדורים פורחים בני מאות השנים.

מהנדסי החלל משרטטים דרכים חדשות לחקר המאדים ועולמות אחרים במערכת השמש שלנו באמצעות מחקר חדשני הנמצא בדרכו לעצב רובוט-רחיפה-משושה (אנטנה) אשר יכול למדוד את עומקי האטמוספרה של טיטן, ירח שבתאי, ואפילו לחתוך דרך ענני נוגה, או לרחף מעל פלנטות, ענקי גז, מרוחקות.

אחת הדרכים הנבחנות כרגע, היא השימוש בכדור פורח.

קודם כל, בלונים יכולים להנמיך מטוסים מטה עד לפני השטח של הפלנטה וההיפך, אפשר להרים לאוויר עצמים לגבהים שונים, כמו הרמת מצלמות או תבניות אחרות בחישה מרחוק לצרכים מדעיים. כמו כן ניתן לעשות בהם שימוש מרובה בסקירה של פני השטח של הפלנטה, במהירות גדולה יותר ועל פני שטחים רבים בכסותם טריטוריה נרחבת יותר מאשר רובוטים המבוססים על שיטוט קרקעי.

מהנדס שאימץ גישות של בלונים פלנטאריים הוא ג'ק ג'ונס, Jack Jones, מהנדס ראשי ל”טכנולוגיות מתקדמות של מוביליות ואנרגיה תרמית”, במעבדות הדחף הסילוני (JPL) בפסדינה, קליפורניה.

JPL לומד באופן פעיל שלושה עולמות הבשלים לפעילות בלונים, טכנולוגיה שאפשר לתייג אותה תחת הסימן “החומר הקל”: נוגה, מאדים, ואחד מירחי שבתאי, טיטן. הוסיף ג'ונס.

עבור נוגה, בלון-מבוקר-גובה, מתוכנן בשלבים הוא אידיאלי דיו. במאדים, בלוני הליום בגובה קבוע, או שמא ימלאו את מקומם בלונים-מבוקרי-גובה-מחוממים-סולארית הנעים בתוך האטמוספרה. ובעבור טיטאן, ספינת אויר ממולאת במימן או הליום נראית כמבטיחה ביותר, אומר ג'ונס.

קיץ קוטבי

השטח שבו התמקדו ג'ונס ועמיתיו בשנים האחרונות היה בלונים מחוממים-סולארית על המאדים. ג'ונס אומר שבלונים עם אויר חם, הדומים לאלה שהוטסו על ידי האחים הצרפתיים מונגלפייה Montgolfier במאה ה-18, יכולים לספק פלטפורמה מיוחדת, קרובה לפני השטח, לחציה ארוכת טווח לאיזורי הקוטב המאדימיים. מהנדסי JPL פיתחו מערכת אוורור-אויר-חם חדשנית אשר בפעם הראשונה מאפשרת הנחתה רכה ומדויקת, רב-פעמית, של בלוני אויר-חם.

במאדים, במהלך הקיץ הקוטבי של הפלנטה האדומה, בלונים-מונעים-סולארית כאלה עשויים לרחף באוויר במשך שבועות רבים, אולי אפילו חודשים. הסירקולציה האטמוספרית של מאדים תניע את הבלונים מסביב לאיזור הקוטב פעמים רבות לפני שהבלון יחצה את הטרמינטור (הקו המפריד בין אור לצל) של הפלנטה.

בין המשימות הרבות: עצמים נישאי-בלון המרחפים מעל מאדים יכולים לסקור את פני הקרקע לחתימות ביולוגיות, אפילו לשכבה התת-קרקעית של סלעי-מקור מים (אקוויפרים) העשויים לשרת נישות אקולוגיות לחיים מיקרוביאלים (חיידקים) חסיני-קור ותנאים קשים, אמר ג'ונס.

ארגז כלי עבודה של המחקר

“מטוסי פלנטות ורכבי אוויר צריכים להיחשב ככלי עבודה נוסף בארגז כלי העבודה של המחקר” אומר אנטוני קולוזה, מהנדס חלל ב”מרכז גלן למחקר” של נאסא בקליבלנד, אוהיו. “הם לא מיועדים לקחת חלק במחקרים המיועדים לסוגים אחרים של רכבי מחקר אלא להשלים אותם” הוא הוסיף.

קולוזה הסביר שרכבי אויר מביאים יותר תועלת בחיבור עם מחקר קרקעי, המבוצע באמצעות מגוון של רובוטים קרקעיים ומנחיתים כמו גם עם אלה הנעים במסלול חללי. אם נתחשב בכל, מטוסים אלה מספקים מערכת מושלמת של יכולות של מחקר פלאנטרי. ו”בעוד שרובוטים ומנחיתים מספקים נתונים ברזולוציה גבוהה בקנה-מידה מקומי, לוויינים מספקים נתונים ברזולוציה נמוכה בקנה-מידה פלנטארי הרי שרכבי אויר יכולים לספק נתונים ברזולוציה גבוהה בקנה מידה איזורי” – אומר קולוזה.

ויש עוד יתרון בהטסת רכבי אויר: הם גם מספקים אמצעים לדגימה ישירה של אטמוספרת הפלנטה, באיזורים מיוחדים ובמגוון גבהים, אומר קולוזה. מצוייד בחיישנים המתאימים רכב אויר כזה יכול לחקור ריכוזים של גזים ביוגניים. “אם יימצאו ריכוזים כאלה, משימה עתידית יכולה לשגר רובוט קרקעי או נחתת (lander) לאתר המעניין כדי להשלים את החקירה” אמר קולוזה.

הטכנולוגיה של הטסת רכבי אויר על פלנטות אחרות נמצאת בהישג יד, אומר קולוזה. “יש כמה סוגיות הנדסיות ודרושים כמה פיתוחים טכנולוגיים, אבל זה לא שונה או מסובך יותר ממה שהיה נדרש לכל סוג אחר של רכב מחקר” הוא מוסיף. בגלל שזה מעולם לא נעשה לפני כן יש תפיסה של סיכון הקשורה עם משימת מטוס פלנטארי, אומר קולוזה. “מוצדקת או לא, חובה להפחית את תחושת הסכנה של משלחת מטוס פלנטארי”.

מאמץ הפחתת גורם סיכון, למשל, מערב רכב אוירי הנחשב על ידי נאסא למשימת ספינת הדגל לתכנית סקירת המאדים. דגם בקנה מידה שלו הוטל מהאוויר, גבוה מעל הארץ כדי להדגים אם הוא מסוגל לפרוש את עצמו ולבצע טיסה מבוקרת. למרות שהניסוי הוצע על ידי מרכז לנגלי למחקר של נאסא בהמפטון, וירג'יניה, אבל ה-Aerial Regional scale Environmental Survey (ARES) לא נבחר, בסופו של דבר.

קולוזה עבד על רובוט עתידני בדמות חרק – רובוט מחקר מאדימי המסוגל לתת תשובה לטיסות ארוכות טווח על המאדים, הוא אמר. התנאים במאדים: אטמוספירה בדחיסות נמוכה וכח גרביטציוני מופחת – מציגים אפשרות לייצור רכב אשר, באמצעות נפנוף כנפיים, יכול לחולל עילוי הדומה בצורתו לחרק. זה יאפשר לרכב לעוף לאט, לנחות, להמריא ובאופן מעשי לרחף בתוך האטמוספירה של מאדים. יתר על כן, ניתן לתדלק סוג זה של מטוס על ידי רובר (רובוט קרקעי), המאפשר טיסה ממושכת במאדים.

“הרובוט-חרק לא יהיה מעשי לשום סביבה פלאנטרית אחרת. צירוף של תנאי סביבה פלאנטריים כאלה לא קיים בשום עולם אחר פרט למאדים. צירוף של אטמוספירה בדחיסות נמוכה קרוב לפני הקרקע, וכוח גרביטציוני נמוך הוא תנאי יסוד להגשמת רעיון הרובוט-חרק” – אמר קולוזה.

לנצח את הרוח

מטוס מונע סולארית הוא דוגמא טובה לניצול יעיל של משאבים סביבתיים ולמקורות כח מתחדשים כדי להציע רכב המסוגל לשהות באויר זמן ממושך, העיר קולוזה. “כח סולארי כמובן לא יעבוד בכל מקום. מעבר למאדים עוצמתם של קרני השמש מתמעטת והיא חלשה מדי מכדי להניע מטוס. לכן טיסות סולאריות על כוכבי הלכת החיצוניים וירחיהם לא תהיינה ברות-ביצוע. זה משאיר אותנו עם נוגה ומאדים” הוא אומר. הוא מציין שנוגה מספקת אפשרות מיוחדת במינה. תודות לקירבתה לשמש נוגה משופעת באנרגיה סולרית אך למרות זאת פניה מכוסים בשכבה עבה של עננים. הוסף לזאת מהירויות רוח גבוהות, ומתקבלת תמונה לא מעודדת אשר הופכת את צמד התופעות הנ”ל לקשות במיוחד להפעלת כלי מונע סולרית על נוגה.

אבל בבחינה מקרוב, קולוזה אומר, ישנו איזור באטמוספירה של נוגה אשר רכב מונע סולארית יכול לפעול ולנוע מהר יותר ממהירות הרוח. “יכולת זו לנצח את הרוחות בתוספת לאורך היום על נוגה – יממת נוגה שווה ל-234 ימות ארץ – מעידים שמטוס מונע סולארית הנע בטווח הגבהים המתאים יכול לבצע משימה ממושכת מאד. למרות שזה לא יהיה רכב ב'מידה אחת מתאימה לכל' זה יספיק בהחלט למשימה שיועדה לפלנטה ובטווח הגובה” אומר קולוזה.

חלום של אסטרונאוט

עכשיו, כשהיא קרובה ליעדה, תגיע החללית “קסיני” לשבתאי ב-1 ביולי, 2004. קסיני תתחיל אז במשימתה העיקרית, בת 4 השנים, במסלול מסביב לעולם הטבעת. כחלק ממשימת המחקר שלה ערוכה קסיני לשחרר את לוויין המחקר Huygens (ע”ש המתמטיקאי-פיזיקאי-אסטרונום ההולנדי, כריסטיאן הויגנס 1629-1695) לירידה מבעד לאטמוספירה העבה של ירח-שבתאי, טיטאן. הלוויין עלול לפגוע במה שיכול להיות אוקיאנוס-מימן-נוזלי.

אבל אפילו לפני שקסיני תתחיל ב”שירות” בשבתאי, התחילו מדענים ומהנדסים לבדוק מטוס עתידי למעקב אחרי מקום נחיתתו הצפוי של הויגנס. “המקום הטוב ביותר לפרוס בו רכב אוירי – בלון, מטוס או מסוק – הוא ירח-שבתאי, טיטאן”, אומר ג'ונתן לונין, פרופסור למדע פלנטארי ופיזיקה, ראש הקתדרה לאסטרופיסיקה תיאורטית באוניברסיטת אריזונה בטוסון. בראיון ל-space.com הוא הוסיף: “עם כבידה נמוכה, אטמוספירה דחוסה במשקל מולקולארי גבוה (חנקן), וטמפרטורות נמוכות, זה צריך להיות חלומו של כל אסטרונאוט. ואכן רכב כזה עשוי להיות הפתרון הטוב ביותר לחקר של טיטאן לעומקו ולמעקב אחרי גילויי קסיני-הויגנס”.

כל מחקר-טיטאן שיבוא לאחר משימת קסיני, תוך שימוש בספינות אויר והליקופטרים נראה בר-ביצוע, אומר רלף לורנץ, מדען חלל במעבדות הלונאריות והפלאנטריות באוניברסיטת אריזונה.

קרוב לוודאי שלווייני המחקר שיבואו לאחר מכן לא יחקרו כל אובייקט שיתגלה על ידי קסיני, חושב לורנץ, אבל הם ישמשו כצומת תקשורת עם כדה”א וישדרו נתונים שלוקטו על ידי פלטפורמות ניידות מגביהות-טוס בטיטאן, אפילו כמו הרכבים ששימשו בזמנו בתנאי הלילה הירחי.

ספינות אויר לטיטאן

“למרות שרעיון המסוקים והמטוסים של טיטאן יהיה בר-ביצוע – ואיתור הרדאר, מוקדם השנה, המצביע על אגמי אתאן (ethane = [בכימיה: גז נטול צבע וריח]) שהופך את משימת הפלטפורמות המרחפות למושכות יותר – הרי שהקונספט המוביל יהיה, כנראה, ספינת אויר”, אומר לורנץ.

ספינת האויר תנוע לאט בסביבת הירח מפאת הטמפרטורה הנמוכה של טיטאן. כדי להישאר במצב טיסה לזמן ממושך ככל שאפשר, צריך יהיה להקל עליה על ידי השלכת זיבורית בזמן הצורך (זיבורית=משא לייצוב ספינה). אחד הרעיונות, חושב לורנץ, הוא משקלות ייצוב מאורגנות בקפסולות, אשר ניתן להיפטר מהן על ידי שיגורן לפני השטח של טיטאן.

אין ספק שיהיה צורך בשידור בסד”ג ג'יגה-בייטים של נתוני המחקר של טיטאן, אומר לורנץ. על כן יהיה צורך לצייד את הפלטפורמה המרחפת במכלול מרשים של ציוד מדעי עדין וקל משקל.

צריך לבצע בדיקות כימיות של הקרקע. מגנטומטר קטן יכול לסייע בהסקת מסקנות לגבי פנים טיטאן. ציוד לחישה מטאורולוגית צריך גם הוא להיות שימושי, אפילו אם הירח השבתאי מתהדר באטמוספירה עבה. ידוע על תופעת עננות הפכפכה (אינברסיה – כמו זו המפריעה להתפוגגות ערפיח מעל אזורים מזוהמים בכדור הארץ, הערת עורך האתר.), אומר לורנץ, הכוללת סיכוי ל”גשם מתאן” על העולם אפוף הסוד. לבסוף, חוקר טיטאן עתידי עשוי גם לסחוב איתו ציוד ראדאר-קולי תת-קרקעי, ואפילו התקן סיסמולוגי, הוא מהרהר.

תנועה תלת-מימדית

כדי לקדם את המחקר על עולמות אחרים יש צורך בניידות תלת-מימדית, אומר לארי יאנג מחטיבת ה-רוטוקראפט במרכז איימס למחקר של נאסא במופט פילד, קליפורניה. הוא מצביע על העובדה שטיטאן הוא הירח היחידי בעל האטמוספירה המוצקה, כזו שיכולה לתמוך ברכב בעל כח עילוי רוטורי. יאנג גם בדק איזה סוג של מטוס רוטורי, כמו הליקופטר ורוטור אנכי, אפשר לפתח עבור מחקרים אוויריים של נוגה, מאדים וטיטאן, “ניידות כזאת של רכב-מחקר אוירי תאפשר בדיקה של תכונות קרקע בעלות עניין אשר על פי רוב בלתי-נגישות בשום אמצעי אחר”.

באשר לענקי הגז החיצוניים, אומר יאנג, רכב מחקר אוירי יכול להשתמש בניידות של אלה על מנת לבדוק ביסודיות את הכימיה של האטמוספירה והמטאורולוגיה אשר אין להשיג אותה באמצעים אחרים, הוא אמר.

“בכל זאת, חיוני להבטיח שרכבי האויר המוצעים במשימת המחקר לא יחשבו רק לתצוגות טכנולוגיה אלא לכלים הטובים ביותר האפשריים למטרות-המשימה שלמענן הם מתוכננים. יחד עם זאת, ייאמר להלן שפיתוח פלטפורמות מחקר אויריות תהיה לו השלכה טכנולוגית עצומה בהקשר של שדות קרובים, כולל, למשל, יתרונות של מערכות כח, מיקרו-סנסורים ואוטומציה של רכבים” מסביר יאנג.

במרכז איימס בנאסא, בוחנים ולומדים גם רכבי אויר (למחקר פלאנטרי) עם כנפיים מקובעות וגם כאלה עם עילוי אנכי. בין ארמיות העיצובים: מטוס-רוטורי למאדים, לוויין-מחקר בעל כנפיים מסתובבות וספינת-אויר בת-כלאיים צפה-למחצה עבור נוגה. כמו כן רובוט-מרחף עבור ענקי הגז החיצוניים.

קידום יעדים מדעיים

בשנים האחרונות, דיבור על מחקר אוירי פלאנטרי התמקד במטוסים או בלונים למאדים. בכל אופן, יאנג ממהר לציין כי לא ייבנה רק סוג אחד של רכב מחקר שיוכל להתמודד עם כל היעדים המדעיים, “סוגים מסויימים של רכב יהיו טובים יותר למשימה מסויימת ויעדיה המדעיים. משימות מרובות שישתמשו בסוגים מרובים של רכב עשויים להיות דרושים לביצוע מחקר מקיף המוכתב על ידי קהילת המדע הפלאנטרי” אמר יאנג.

יאנג מציין שיש הרבה גופים פלאנטריים במערכת השמש שלנו, בנוסף למאדים, היכן שפלטפורמות מחקר אויריות עשויות להיות יתרון גדול. בחקירה מדעית של נוגה, טיטאן וענקי הגז החיצוניים עשויים כלם להפיק תועלת מהשימוש בפלטפורמות אלה.

“בכל מקרה, הסביבה הפלאנטרית ונושאי המדע הצפויים חייבים להיות מפורטים לתוך קונספט של החלטות עיצוב” סיכם יאנג.