SAHAB: A Compact Balloon-Borne Radiation Detection Platform for Solar X-Ray and Gamma-Ray Physics Development

تعد الشمس نجماً مضطرباً، فهي تمور باستمرار بالطاقة المغناطيسية التي تنفجر أحياناً وتتحرر في انفجارات عنيفة تسمى التوهجات. وعندما تندلع هذه التوهجات، فإنها تسرع الجسيمات إلى سرعات هائلة، مما يخلق فيضاً من الضوء عالي الطاقة المعروف بالأشعة السينية الصلبة وأشعة غاما. ولأن الغلاف الجوي للأرض يعمل كبطانية سميكة، فإنه يمتص معظم هذه الإشعاعات الطاقية قبل وصولها إلى الأرض، مما يجعل من المستح المستحيل دراسة هذه الأحداث باستخدام التلسكوبات الموجودة على السطح. ولرؤية أكثر لحظات الشمس عنفاً، يجب على العلماء إرسال أدوات إلى أعالي السماء، فوق الجزء الأكثر سمكاً من الهواء، حيث تكون الرؤية واضحة. ولعقود من الزمن، كانت الأقمار الصناعية هي أقوى الأدوات لهذا العمل، لكنها باهظة الثمن وتستغرق سنوات لبنائها. وهناك بديل أكثر مرونة: المناطيد عالية الارتفاع التي تطفو في طبقة الستراتوسفير، مما يوفر طريقة أرخص وأسرع لاختبار الكواشف الجديدة وجمع البيانات قبل الالتزام بمهمة فضائية كاملة.

يمثل مشروع جديد يسمى "صحب" (SAHAB)، وهو اختصار لـ "منطاد السعودية عالي الارتفاع"، خطوة كبيرة للأمام في هذا النهج. يهدف هذا المبادرة، التي تم تطويرها من خلال شراكة بين جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في المملكة العربية السعودية، وجامعة كاليفورنيا ميرسيد، ومختبر علوم الفضاء في جامعة كاليفورنيا بيركلي، إلى بناء منصة مدمجة ومنخفضة التكلفة لدراسة الفيزياء الشمسية. لم تُصمم النسخة الأولى من هذه الأداة لجمع البيانات فحسب، بل لإثبات أن فريقاً يقوده الطلاب ومنخفض التكلفة يمكنه بناء نظام موثوق قادر على الصمود أمام رحلة المنطاد وقياس بيئة الإشعاع حول كوكبنا. لقد نجح الباحثون في تصميم وبناء واختبار حمولة تتناسب داخل هيكل صغير، تحمل مجموعة من المستشعرات لقياس الإشعاع ودرجة الحرارة والضغط أثناء الطفو عند حافة الفضاء.

إن قلب حمولة "صحب" هو ترتيب بسيط ولكنه فعال لأربعة مستشعرات مختلفة موضوعة داخل إطار متين مصنوع من ألواح الألمنيوم. الأداة الرئيسية هي كاشف بلوري يتوهج عندما تصطدم به الجسيمات عالية الطاقة، مما يسمح للعلماء بقياس طاقة الإشعاع القادم. وإلى جانبه يوجد عداد جيجر لتتبع العدد الإجمالي للجسيمات التي تصطدم بالمنطاد، ومستشعر لمراقبة درجة الحرارة والضغط الجوي المحلي، وكاميرا لالتقاط صور للمحيط. وتتم إدارة جميع هذه المكونات بواسطة لوحة كمبيوتر صغيرة ومتوفرة على نطاق واسع، تقوم بتسجيل البيانات على بطاقة ذاكرة. وقد صُمم التجميع بأكمله ليكون نموذجياً، مما يعني أنه يمكن تفكيك الطبقات المختلفة وإعادة تجميعها بسهءولة للاختبار أو التحديث، وهي ميزة تبسط العملية المعقدة للتحضير للرحلة.

لضمان قدرة الإلكترونيات الدقيقة على الصمود أمام قسوة إطلاق المنطاد، أخضع الفريق التصميم لمحاكاة حاسوبية صارمة. لقد قاموا بنمذجة القوى التي ستتعرض لها الحمولة أثناء الإقلاع، والصعود إلى الارتفاع العالي، والهبوط النهائي، للتحقق مما إذا كان الهيكل سينحني أو ينكسر تحت الضغط. وأظهرت عمليات المحاكاة أن إطار الألمنيوم تماسك بشكل مثالي، محافظاً على استقامة المكونات الداخلية وأمنها حتى عند تعرضه لقوى تعادل ثمانية أضعاف قوة الجاذبية. وتعد هذه السلامة الهيكلية أمراً بالغ الأهمية لأن أي تغيير في موضع الكواشف قد يؤدي إلى إفساد دقة القياسات. كما يتضمن التصميم ميزات محددة لتثبيت الكاشف البلوري الرئيسي في مكانه، باستخدام أطواق معدنية تثبته بإحكام حتى لا يتذبذب أثناء الرحلة.

لم تكن الرحلة الأولى لهذا النظام مهمة منفردة، بل كانت رحلة مستضافة على متن منصة أكبر تديرها ناسا تسمى "بوب" (BOOP). سمح هذا الترتيب لفريق "صحب" بالتركيز تماماً على أدواتهم مع الاعتماد على المنصة المضيفة للطاقة والاتصالات. صُمم المنطاد لحمل الحمولة إلى ارتفاع يكون فيه الهواء رقيقاً بما يكفي للسماح للأشعة السينية عالية الطاقة بالمرور، وهي منطقة تقع تقريباً على ارتفاع 30 إلى 40 كيلومتراً فوق سطح الأرض. خلال الرحلة، ستسجل مستشعرات "صحب" مستويات الإشعاع باستمرار، وترسم خريطة لكيفية تغير شدة الأشعة الكونية أثناء صعود المنطيد من الأرض، مروراً بذروة النشاط الإشعاعي، وصولاً إلى ارتفاع الطفو. يتم بث البيانات إلى الأرض مباشرة عبر رابط أقمار صناعية، بينما يتم حفظ نسخة كاملة في وقت واحد على الكمبيوتر الموجود على متن المنطاد لسهولة الاسترجاع والتحليل لاحقاً.

قبل الرحلة، قام الباحثون بمعايرة الكاشف البلوري الرئيسي بعناية في المختبر باستخدام مصدر مشع معروف. وقد تأكدوا من أن الجهاز يمكنه التمييز بدقة بين مستويات الطاقة المختلفة للإشعاع في بيئة محكومة، وهي قدرة أساسية لتحديد السمات المحددة للتوهجات الشمسية. وأظهرت الاختبارات أن الكاشف يمكنه قياس طاقات تتراوح من حوالي 30,000 إلكترون فولت إلى عدة ملايين إلكترون فولت، مغطياً الطيف الذي تكون فيه التوهجات الشمسية أكثر نشاطاً. وبينما تعد النسخة الحالية من الكاشف كافية لقياس الإشعاع الخلفي وإثبات نجاح المفهوم، فقد وضع الفريق بالفعل مساراً واضحاً للتحسينات المستقبلية. ستتضمن المراحل التالية من المشروع إضافة كواشف أكثر حساسية، وبناء نظام يمكنه التوجيه مباشرة نحو الشمس، وإنشاء منطاد مستقل لا يعتمد على منصة مضيفة.

إن نجاح هذه النسخة الأولى لا يتعلق فقط بالبيانات التي تم جمعها؛ بل يتعلق ببناء قدرة جديدة داخل المملكة العربية السعودية. ومن خلال إشراك الطلاب والباحثين في مقتبل مسيرتهم المهنية في كل خطوة، بدءاً من التصميم الأولي والتجميع الميكانيكي إلى عمليات الطيران وتحليل البيانات، يعمل المشروع على صقل خبرة محلية في مجال أجهزة الفضاء. تفصل الورقة البحثية كيف أدار الفريق إمدادات الطاقة، وضمان حصول المستشعرات المختلفة على الجهد الكهربائي الصحيح من بطارية المنطاد المضيف، وكيف نظموا تدفق البيانات لمنع تداخل الأدوات المختلفة مع بعضها البعض. والنتيجة هي نظام وظيفي كامل ومدمج ثبت نجاحه في البيئة القاسية للغلاف الجوي العلوي.

وبالنظر إلى المستقبل، يخطط برنامج "صحب" للتطور بسرعة. ستتضمن المرحلة التالية إدخال كواشف مصنوعة من مواد مختلفة يمكنها رؤية تفاصيل أدق في طاقة الإشعاع، مما يسمح للعلماء بفصل أنواع معينة من الخطوط النووية التي تبدو حالياً متداخلة. كما ستتضمن النسخ المستقبلية دروعاً متقدمة لحجب الضوضاء الخلفية غير المرغوب فيها ونظام توجيه لإبقاء الأدوات مثبتة على الشمس أثناء التوهج. الهدف النهائي هو إنشاء قدرة وطنية لأبحاث الفيزياء الشمسية، حيث يمكن للعلماء السعوديين تصميم وبناء وإطلاق أدواتهم الخاصة لدراسة السلوك الديناميكي للشمس. وتعمل هذه الرحلة الأولى كحجر أساس، حيث أثبتت أن النهج المديولي ومنخفض التكلفة يمكن أن يفتح بنجاح نافذة على الكون عالي الطاقة.