Human constraints and scalable design of rotating artificial gravity habitats

على مدى عقود، ظل حلم إرسال البشر إلى النجوم متعثراً بسبب عدو صامت وغير مرئي: غياب الجاذبية. ففي بيئة الفضاء منعدمة الوزن، يبدأ جسم الإنسان في التحلل؛ حيث تفقد العظام كثافتها، وتضمر العضلات، وتندفع السوائل التي تستقر عادة في الجزء السفوان من الجسم نحو الرأس، مما يسبب مشاب ك في الرؤية وإجهاداً في القلب والأوعية الدموية. وبينما يمارس رواد الفضاء تمارين رياضية شاقة لمكافحة هذه الآثار، لا يوجد شيء متاح حالياً يمكنه حقاً تعويض قوة سحب الأرض المستمرة واللطيفة. والحل الأكثر واعداً الذي اقترحه العلماء هو تدوير مركبة فضائية. تماماً كما تدفع الأرجوحة الدوارة الركاب إلى الخارج، يمكن لمسكن دوار أن يخلق قوة تحاكي الجاذبية، مما يضغط الطاقم نحو الأرض ويحافظ على صحة أجسادهم. ومع ذلك، فإن بناء مثل هذه الآلة ليس ببساطة تركيب محرك لغرفة ما. فحجم العجلة، وسرعة دورانها، وصحة الأشخاص في الداخل، جميعها مرتبطة في رقصة معقدة من الفيزياء والبيولوجيا لم يتم حلها بالكامل بعد.

تحاول دراسة جديدة أجراها الباحث المستقل يوتشان تشانغ فك هذه العقدة عبر التعامل مع تصميم مسكن فضائي دوار كمشكلة واحدة موحدة بدلاً من تحديين منفصلين. يتساءل البحث سؤالاً جوهرياً: ما الذي يحتا Vie فعلياً ليكون شكل المحطة الفضائية الدوارة لضمان سلامة وصحة البشر، وفي الوقت نفسه يكون قابلاً للبناء والتحكم فيه فيزيائياً؟ ومن خلال الجمع بين أحدث البيانات من الدراسات الطبية البشرية والمحاكاة الحاسوبية الصارمة لهندسة المركبات الفضائية، ترسم الورقة البحثية الحدود المحددة التي يمكن أن يوجد فيها مثل هذا المسكن. وهي لا تقدم مخططاً نهائياً لسفينة سيتم بناؤها غداً، بل تقدم مجموعة من القواعد الصارمة التي يجب أن يتبعها أي تصميم مستقبلي لتجنب الفشل.

تبدأ الدراسة بالنظر إلى جسم الإنسان لوضع الحدود. فإذا دارت المحطة الفضائية بسرعة كبيرة جداً، سيشعر الطاقم بالدوار والغثيان. وإذا كانت المحطة صغيرة جداً، ستكون الجاذبية التي يشعر بها الشخص عند قدميه أقوى بشكل ملحوظ من الجاذبية التي يشعر بها عند رأسه، مما قد يسبب الدوار وغيرها من المشكلات. ووجد الباحثون أنه للحفاظ على هذه الاختلافات صغيرة وجعل الدوران بطيئاً بما يكفي للراحة، يجب أن يكون المسكن كبيراً جداً. وتحديداً، لتوفير نصف جاذبية الأرض — وهو مستوى يُعتقد أنه كافٍ للصحة — يجب أن يكون نصف قطر المحطة 100 متر على الأقل. بهذا الحجم، ستدور المحطة بمعدل يزيد قليلاً عن دورتين كاملتين في الدقيقة. وهذا الحجم المحدد ليس اختياراً عشوائياً؛ بل يقع عند نقطة التقاطع حيث تلتقي حاجة جسم الإنسان إلى تدرج لطيف مع الحاجة الهندسية لمعدل دوران يمكن التحكم فيه.

ومع ذلك، فإن جعل المحطة أكبر لجعلها أكثر راحة للبشر يخلق مشكلة هندسية هائلة. فكلما زاد نصف قطر الحلقة الدوارة، زادت كمية الطاقة والزخم المخزن في النظام بشكل انفجاري. وتحسب الدراسة أن حلقة واحدة بهذا الحجم، تضم كمية واقعية من الطاقم والمعدات، ستخزن ما يقرب من 100 مليون نيوتن-متر من الزخم الزاوي. ولتوضيح ذلك، هذا قدر هائل من قوة الدوران، يضاهي زخم جسم ضخم وثقيل يدور بسرعة عالية. وإذا لم يكن نصفا المحطة، اللذان يدوران في اتجاهين متعاكسين لإلغاء هذه القوة، متوازنين تماماً، فإن أي عدم تطابق طفيف قد يؤدي إلى خلق عزم دوران من شأنه أن يزيح المركبة الفضائية بأكملها عن مسارها. وهذا يعني أن التحكم في الدوران ليس مجرد تفصيل ثانوي، بل هو تحدٍ مركزي يتطلب تصميم المركبة الفضائية بأكملها حول زخم الحلقات الدوارة.

تنتقل الورقة بعد ذلك إلى الهيكل الفيزيائي للمسكن نفسه، مختبرةً ما إذا كان بإمكانه الصمود. قام الباحثون بنمذجة حلقة مستمرة مضغوطة مصنوعة من مادة تشبه الألمنيوم، تشبه إطار إطار ضخم ومجوف. ووجدوا أن الحلقة لا تحتاج إلى دعم بواسطة أسلاك أو محور مركزي؛ بدلاً من ذلك، يخلق الدوران نفسه توتراً يحافظ على تماسك الحلقة، تماماً كما يحافظ إطار الدراجة على شكله عندما يكون منفوخاً ويدور. هذا التصميم "ذاتي الدعم" هو رؤية حاسمة لأنها تعني أن الجزء المركزي من المركبة الفضائية لا يحتاج إلى تحمل الوزن الكامل للحلقة الدوارة. ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً أن كتلة مثل هذه الحلقة أثقل بكثير مما اقترحته بعض التقديرات المتفائلة السابقة. إذ إن وعاء ضغط واقعي مع طاقم وأنظمة دعم حياة سيزن ما بين 36 و57 متري طن تقريباً، وهو أكثر بكثير من الـ 20 طناً التي افترضتها النماذج الأبسط السابقة. وهذا الوزن الإضافي يزيد مباشرة من مشكلة الزخم، مما يجعل التحدي الهندسي أكثر صعوبة.

ولعل أهم ما توصلت إليه الورقة هو ما استبعدته. فقد اختبر الباحثون طرقاً مختلفة لإبقاء الحلقة الدوارة مركزة ومستقرة دون لمسها، باستخدام المجالات المغناطيسية. واكتشفوا أنه إذا احتوت الحلقة الدوارة على شريط مستمر من معدن يشبه الفولاذ للمساعدة في هذه القوى المغناطيسية، فإن الكهرباء المتولدة عن الحركة ستخلق كميات هائلة من الحرارة، مما يهدر الطاقة وقد يؤدي إلى صهر الهيكل. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذا التصميم المحدد مستحيل ما لم يتم تقليل الموصلية الكهربائية للمعدن المتحرك بمقدار مائة ضعف. وهذا يلغي فعلياً فكرة استخدام حلقة معدنية صلبة وموصلة للجزء المتحرك من المحطة. بدلاً من ذلك، يجب أن يستخدم التصميم مواد إما ثابتة أو مجزأة للغاية لمنع فقدان الطاقة هذا.

كما نظرت الدراسة فيما يحدث إذا وقع خطأ ما. فإذا اصطدمت الحلقة الدوارة بجانب المركبة الفضائية الثابتة، فإن الاصطدام سينقل كمية هائلة من الطاقة. قام الباحثون بنمذجة سيناريو يتسبب في خلل يؤدي إلى اصطدام الحلقة بنظام الاحتواء. ووجدوا أن حلقة عازلة صغيرة ومؤقتة يمكن أن تمتص الصدمة الأولية لمثل هذا الحدث، لكنها لا تستطيع إيقاف الزخم الكامل للمسكن. والسبيل الوحيد لإيقاف الحلقة الدوارة بأمان هو استخدام نظام كبح مزدوج حيث تتباطأ الحلقتان معاً. وهذا يعزز فكرة أن الحلقات الدوارة يجب أن تُعامل كوحدة واحدة مترابطة بدلاً من آلتين مستقلتين.

في نهاية المطاف، لا يدعي هذا العمل أنه قد حل مشكلة الجاذبية الاصطناعية أو أثبت أن مثل هذا المسكن سيعمل في الفضاء. فالنماذج المستخدمة هي محاكاة حاسوبية متطورة، وليست اختبارات فيزيائية على آلة حقيقية. ويؤكد الباحثون بحذر أن نتائجهم هي أداة فحص لتحديد الأفكار القابلة للتطبيق وتلك غير القابلة لذلك. لقد أظهروا أن مسكناً بنصف قطر 100 متر ممكن فيزيائياً ولكنه يأتي بثمن باهظ من حيث الكتلة وإدارة الزخم. كما أظهروا أن بعض الحلول الهندسية البديهية، مثل استخدام حلقة معدنية صلبة للتحكم المغناطيسي، معيبة بشكل أساسي. ومن خلال تحديد حدود ما هو ممكن وما هو غير ممكن بوضوح، توفر الدراسة إطاراً قابلاً لإعادة الاستخدام للمهندسين في المستقبل. وهي تشير إلى أن الطريق إلى الأمام يتطلب تصميماً يحترم الحدود الصارمة للبيولوجيا البشرية مع الاعتراف بالقوى الفيزيائية الهائلة المطلوبة لإبقاء مدينة دوارة في الفضاء. ويخلص المؤلف إلى أن الخطوة التالية ليست بناء سفينة كاملة الحجم، بل اختبار هذه القواعد الهندسية المحددة بتجارب فيزيائية أصغر لمعرفة ما إذا كانت عمليات المحاكاة ستصمد في العالم الحقيقي.