Double Gravity-Assist Rendezvous Trajectory to Halley's Comet Using Deep-Space Low Thrust

تُعد المذنبات مسافرات جليدية قديمة تحمل أسرار نشأة نظامنا الشمسي. فهي تتكون من نفس الغبار والغاز المتجمد الذي تجمّع لتشكيل الكواكب، وتساعد دراستها العلماء على فهم كيف وصلت المياه والحياة إلى الأرض. ومن بين كل هذه الزوار، يبرز واحد بفضل حجمه وسطوعه وتاريخه الثقافي: مذنب هالي. وهو المذنب الوحيد قصير المدى الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة، ويعود إلى النظام الشمسي الداخلي كل ست وسبعين عاماً تقريباً. كانت آخر زيارة له في عام 1986، عندما مرت به مجموعة من المركبات الفضائية بسرعات هائلة. ولأن تلك السفن كانت تتحرك بسرعة كبيرة بالنسبة للمذنب، فقد تمكنت فقط من إلقاء نظرة خاطفة عليه لبضع ساعات، مما أسفر عن التقاط صورة ضبابية وغير مكتملة لسطحه، وفشلت في قياس كيفية دورانه. لطالما أراد العلماء القيام بعمل أفضل؛ فهم يحلمون بمهمة تبطئ بما يكفي لتتواءم مع وتيرة المذنب، مما يسمح بمراقبة مفصلة وطويلة قبل أن يقترب المذنب كثيراً من الشمس ويبدأ في الانفجار بالغاز والغبار.

المشكلة تكمن في أن "اللحاق برحلة" إلى هالي أمر صعب للغاية. فالمذنب يسلك مساراً غريباً ومائلاً يسير بشكل عكسي مقارنة بالكواكب، ويتحرك بسرعة مختلفة تماماً. ولإيقاف الحركة ومطابقة وتيرة المذنب، ستحتاج مركبة فضائية عادةً إلى حرق كمية هائلة من الوقود لتغيير اتجاهها وإبطاء سرعتها، وهي كمية تفوق بكثير ما يمكن لأي صاروخ حالي حمله. لعقود من الزمن، اعتقد الخبراء أن هذا مستحيل دون استخدام محركات نووية مستقبلية وغير مثبتة. ومع ذلك، تشير دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعات في دولة الإمارات العربية المتحدة وإيطاليا إلى أن المهمة ممكنة بالفعل باستخدام التكنولوجيا التي نمتلكها بالفعل. فقد صمموا مساراً يستخدم جاذبية كوكبين عملاقين، المشتري وزحل، للقيام بالعمل الشاق، بالتزامن مع محرك كهربائي عالي الكفاءة يعمل بالبطاريات النووية.

سعى الباحثون لإثبات أن مركبة فضائية يمكنها مغادرة الأرض، والمرور بجانب المشتري وزحل، والوصول إلى مذنب هالي في موعد عودته القادمة في عام 2061. لم يحاولوا العثور على المسار المثالي الوحيد، بل بحثوا عن مسار واقعي يتوافق مع الأجهزة الحالية. تتضمن خطتهم مركبة فضائية تزن ما بين 1,500 و2,000 كيلوغرام، تعمل بمحرك "هال-إيفيكت" (Hall-effect thruster) — وهو نوع من المحركات الكهربائية التي تستخدم كمية صغيرة من الوقود لتوليد دفع ثابت ولطيف لسنوات. يعمل هذا المحرك بواسطة مولدات الحرارة للنظائر المشعة، وهي بطاريات نووية قياسية تُستخدم في مهام الفضاء العميق. تبدأ الرحلة بانطلاق من الأرض يمنح السفينة السرعة الكافية للوصول إلى المشتري. وبدلاً من التحليق دون دفع، ستقوم المركبة الفضائية بتشغيل محركها الكهربائي باستمرار أثناء توجهها إلى المشتري، مما يساعدها على اكتساب الطاقة وتقليل كمية الوقود المطلوبة للإطلاق الأولي.

بمجرد وصول المركبة الفضائية إلى المشتري، تقوم بعملية "مساعدة الجاذبية". وهذا مناور حيث تطير السفينة بالقرب من الكوكب وتستخدم جاذبية الكوكب الهائلة لتقذف نفسها للأمام، مكتسبةً السرعة دون استخدام أي وقود. وقد حسب الباحثون أن هذا المرور الأول سيؤدي إلى دفع المركبة الفضائية نحو مسار عالي السرعة باتجاه زحل. وتعد الرحلة بين المشتري وزحل الجزء الأكثر حرجاً في الرحلة. وجد الفريق أنه بالنسبة لمعظم تواريخ الإطلاق بين عامي 2030 و2040، فإن توقيت الكواكب سيتطلب الكثير من الوقود لسد الفجوة. ومع ذلك، اكتشفوا نافذتين محددتين، في عامي 2036 و2037، حيث تصطف الكواكب بشكل مثالي. في هذه السنوات، تتطلب الرحلة من المشتري إلى زحل ما لا يكاد يُذكر من الوقود، مما يجعلها بمثابة "رحلة مجانية".

تحدث عملية المساعدة الثانية بالجاذبية عند زحل. وهذا هو المفتاح لحل الجزء الأصعب من اللغز: تغيير ميل المركبة الفضائية. يدور مذنب هالي في زاوية حادة تكاد تكون عمودية على مسار الكواكب. ولمقابلته، يجب على المركبة الفضائية قلب مسار طيرانها بالكامل. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال الطيران بالقرب من زحل، يمكن لجاذبية الكوكب أن تغير مسار المركبة الفضائية، مما يضعها في مدار يتحرك للخلف ويتوافق مع ميل المذنب. بعد مغادرة زحل، تقضي المركبة الفضائية العقدين التاليين في تعديل مسارها ببطء باستخدام محركها الكهربائي، لتصل أخيراً إلى المذنب قبل أن يعبر مدار المريخ. هذا التوقيت أمر بالغ الأهمية لأنه يسمح للعلماء بدراسة المذنب بينما لا يزال هادئاً نسبياً، قبل أن تحجب الأنشطة المكثفة الناتجة عن اقترابه الشديد من الشمس الرؤية.

تعرض الدراسة سيناريوهين مفصلين لهذه المهمة. يتضمن الأول انطلاقاً في أغسطس 2036؛ حيث ستمر المركبة الفضية بجانب المشتري في أوائل عام 2038 وزحل في أواخر عام 2039، لتلتقي بالمذنب أخيراً في أغسطس 2060. أما الخيار الثاني، وهو خطة احتياطية، فينطلق في سبتمبر 2037، مع عمليات مرور في عامي 2039 و2040، والوصول في سبتمبر 2060. وفي كلتا الحالتين، ستصل المركبة الفضائية بكتلة جافة تزيد عن 800 كيلوغرام، وهو ما يكفي لحمل حمولة علمية كبيرة. وحسب الباحثون أن الطاقة المطلوبة لمغادرة الأرض عالية، لكنها ليست مستحيلة؛ فهي تضاهي الطاقة المستخدمة في مهمة "نيو هورايزونز" إلى بلوتو. والمكتشف الأكثر إثارة للدهشة هو أن المحرك الكهربائي، رغم دفعه اللطيف، قوي بما يكفي لإتمام المهمة على مدار مدة الرحلة الطويلة. وتظهر عمليات المحاكاة أن المركبة الفضائية تصل بحمولة علمية كبيرة، مما يثبت أن المهمة ليست مجرد إمكانية نظرية بل هي واقع هندسي عملي.

يمثل هذا العمل تحولاً كبيراً في طريقة تفكيرنا في استكشاف الفضاء العميق. فمن خلال الجمع بين مساعدتي جاذبية ونظام دفع كهربائي طويل الأمد، نجح الفريق في الاستغناء عن الحاجة إلى محركات نووية غريبة وغير مثبتة. لقد أثبتوا أنه من خلال التخطيط الدقيق واستخدام الصواريخ الحالية ذات قدرة الرفع العالية، يمكن للبشرية العودة إلى مذنب هالي في لقاء حقيقي. لا تضمن الدراسة حدوث المهمة، لأنها تعتمد على عمليات المحاكاة والنماذج الرياضية، لكنها تزيل العوائق التقنية الأساسية التي منعت مثل هذه المهمة لعقود. إنها تقدم خارطة طريق واضحة لمستقبل يمكننا فيه أخيراً التباطؤ، والتحليق في مدار، وفهم أحد أشهر الأجرام في سمائنا حق الفهم. الطريق مفتوح، والتكنولوجيا جاهزة، وقد يكون عودة مذنب هالي في عام 2061 هي اللحظة التي نحصل فيها أخيراً على تلك النظرة القريبة التي كنا ننتظرها.