Ground-Based Imaging and Data Analysis for the MISSE-22 Spaceflight Experiment

الفضاء ليس مجرد سواد فارغ؛ بل هو بيئة قاسية ونشطة تنهش ببطء في الآلات التي نرسلها إلى هناك. في المدار المنخفض حول الأرض، تواجه مواد المركبات الفضائية سلسلة من التهديدات غير المرئية: الأشعة فوق البنفجية المكثفة، وتقلبات درجات الحرارة الشديدة، والقصف المستمر للأكسجين الذري. هذا الأكسجين الذري هو شكل شديد التفاعل من العنصر، يعمل على تجريد الطبقات السطحية، مما يسبب التآكل ويجعل المواد هشة. وبينما يحاول العلماء على الأرض محاكاة هذه الظروف في المختبرات، فإن البيئة الحقيقية معقدة للغاية بحيث يصعب نسخها بدقة. ولفهم كيفية تقادم المواد حقاً، يجب اختبارها في الفضاء نفسه. وتعمل محطة الفضاء الدولية كمختبر خارجي فريد لهذا الغرض، حيث تستضيف تجارب تعرض المواد مباشرة للفراغ والإشعاع في المدار. والهدف هو مراقبة كيفية تغير هذه المواد بمرور الوقت، لضمان قدرة المركبات الفضائية المستقبلية على النجاة في رحلتها.

يستعد فريق من الباحثين من معهد جورجيا للتكنولوجيا، والقوات الجوية الأمريكية، وناسا لإطلاق تجربة جديدة تسمى MISSE-22 للقيام بهذا الأمر تحديداً. وخلافاً للمهمات السابقة التي ركزت في الغالب على كيفية تغير لون المواد أو تعرضها للتقصف بعد إعادتها إلى الأرض، تهدف هذه التجربة إلى مراقبة تغير المواد وهي لا تزال في الفضاء. يستخدم الفريق خدعة بصرية ذكية تسمى "الانتساخ الضوئي" (photoelasticity) لرؤية الإجهاد غير المرئي الذي يتراكم داخل أغشية بلاستيكية رقيقة. عندما تنحني مادة شفافة أو تتمدد، يتغير هيكلها الداخلي بطريقة تؤثر على كيفية مرور الضوء من خلالها. فإذا سلطت ضوءاً مستقطباً عبر قطعة بلاستيك مجهدة، ينقسم الضوء ويخلق نمطاً من الحزم الملونة، تماماً مثل البريق القزحي الذي يُرى في فقاعة الصابون أو طبقة الزيت على الماء. هذه الألوان ليست مجرد زينة؛ بل هي خريطة مباشرة للإجهاد الفيزيائي داخل المادة. ومن خلال مراقبة كيفية تحول هذه الألوان، يمكن للباحثين معرفة ما إذا كانت المادة تصبح أضعف أو أكثر هشاشة دون لمسها أبداً.

تم تصميم التجربة لتوضع في الجانب المواجه للأمام من مرفق تجربة المواد في محطة الفضاء الدولية (MISSE)، وهو موقع يتلقى أعلى قدر من تأثير الأكسجين الذري. داخل الجهاز، يتم تثبيت أحد عشر عينة مختلفة من الأغشية البلاستيكية المتطورة في وضعية منحنية قليلاً. هذا الانحناء يطبق توتراً مستمراً ولطيفاً على كل عينة، مما يخلق نمطاً أساسياً من الأهداب الملونة قبل بدء المهمة. وتشمل العينات مزيجاً من البوليمرات الجديدة المصممة خصيصاً لمقاومة بيئة الفضاء، بالإضافة إلى مادتين معروفتين، وهما "كابتون" (Kapton) و"ميلينيكس" (Melinex)، اللتان تعملان كمعايير مرجعية موثوقة. وتتضمن المواد الجديدة أغشية مصنوعة من مركبات تعتمد على السيليكون وأخرى معززة بجزيئات دقيقة تشبه الأقفاص، طُورت جميعها لتحمل الظروف القاسية في المدار.

ولمراقبة هذه العينات، تحمل التجربة نظام كاميرا متخصصاً مزوداً بأضواء ومرشحات خاصة به. وبمجرد تركيب الجهاز في المحطة، سيقوم النظام بالتقاط صور للعينات مرة واحدة كل شهر. ومع تآكل المواد بفعل الأكسجين الذري وعوامل الفضاء الأخرى، سيتغير الإجهاد الداخلي. وهذا التغيير سيؤدي إلى تحول أو نمو أو تلاشي أنماط الأهداب الملونة. تلتقط الكاميرا هذه الصور وترسلها إلى الأرض، حيث يستخدم الباحثون خوارزميات حاسوبية لتحليل الأنماط. وبدلاً من مجرد النظر إلى الصور، يقوم البرنامج بتجميع البكسلات حسب اللون لتتبع مكان تركز الإجهاد ومدى شدته بدقة. وهذا يسمح للفريق بإنشاء جدول زمني لصحة المادة، ومراقبة عملية التدهور في الوقت الفعلي بدلاً من الانتظار حتى تعود التجربة.

قبل الإطلاق، أجرى الفريق اختبارات مكثفة على الأرض لتحديد شكل أنماط الإجهاد عندما تكون المواد جديدة. وقاموا بقياس سمك كل غشاء وحسبوا مستويات الإجهاد الأولية بناءً على أنماط الأهداب المرئية. وأظهرت النتائج أن المواد المختلفة بدأت بمستويات متفاوتة من التوتر الداخلي. فعلى سبيل المثال، أظهر أحد أغشية "بولي إيثيللين تيريفثاليت" توتراً أولياً أعلى بكثير من أغشية "البولي إيميد"، وهو فرق ناتج عن طريقة تصنيعه. وتوفر هذه القياسات السابقة للرحلة "حقيقة أرضية" أساسية. وعند وصول بيانات الفضاء، سيقارن الباحثون الصور الجديدة بهذه القيم الأولية لمعرفة مدى تطور الإجهاد بالضبط.

تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على توفير بيانات مستمرة وفي الموقع (in-situ). تاريخياً، كان على العلماء الانتظار لسنوات حتى تعود تجربة من الفضاء قبل أن يتمكنوا من تحليل الضرر. وتغير تجربة MISSE-22 ذلك من خلال تقديم نافذة على العملية أثناء حدوثها. ومن خلال ربط تحول أنماط الأهداب بالتعرض التراكمي للأكسجين الذري، يأمل الفريق في بناء نماذج أفضل للتنبؤ بكيفية فشل المواد. وهذه المعرفة ضرورية لتصميم الجيل القادم من المركبات الفضائية، وخاصة للمهمات طويلة الأمد التي ستسافر إلى ما وراء مدار الأرض نحو القمر أو المريخ. وستساعد البيانات التي يتم جمعها المهندسين في اختيار المواد المناسبة لضمان حصول المستكشفين في المستقبل على حماية موثوقة ضد بيئة الفضاء التي لا تهدأ.