قد تكون الخطط الطموحة للسفر إلى المريخ وبناء مستعمرة في يوم ما على الكوكب الأحمر اقتربت خطوة من التنفيذ.
فقد نشر باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مؤخراً بحثاً يظهر طريقة لتحويل الماء إلى أوكسجين وهيدروجين في الفضاء، ونقلت البحث صحيفة Daily Mail البريطانية.
يُعد هذان العنصران ضروريان للاستكشاف طويل الأمد للفضاء، ويمكنهما تمهيد الطريق لبناء المستعمرات المستقبلية، وكذلك السماح للبشر بالمغامرة في الكون أكثر من أي وقت مضى.
ولدى وكالات الفضاء والشركات الخاصة بالفعل خطط متقدمة لإرسال البشر إلى المريخ في السنوات القليلة المقبلة، بل واستيطانه في نهاية المطاف، حسب الدكتور تشارلز دونيل، المحاضر الأول في مجال الطاقة بجامعة سوانسي، في مقال نُشر بصحيفة The Conversation.
ومع تزايد عدد اكتشافات الكواكب الشبيهة بالأرض حول النجوم القريبة، لم يكن السفر طويل الأمد عبر الفضاء أكثر إثارة مما عليه الآن.
ومع ذلك، ليس من السهل على البشر البقاء في الفضاء لفترات زمنية طويلة، وقد يكون هذا الاكتشاف مهم لبقاء الإنسان على الأرض أيضاً بينما نستمر في النمو.
أحد التحديات الرئيسية في الرحلات الفضائية الطويلة هو كيفية نقل كمية كافية من الأوكسجين لرواد الفضاء من أجل التنفس بالإضافة إلى الوقود الكافي لتشغيل الإلكترونيات المعقدة.
وللأسف، لا يتوافر سوى القليل من الأوكسجين في الفضاء، كما أن المسافات الكبيرة تجعل من الصعب القيام بعمليات إعادة التعبئة السريعة.
تجزئة الماء كمصدر للطاقة
نُشرت دراسة جديدة في Nature Communications، تُظهر إمكانية إنتاج الهيدروجين (للوقود) والأوكسجين (للحياة) من الماء وحده باستخدام مادة شبه موصلة وضوء الشمس (أو ضوء النجوم) في حالة انعدام الجاذبية، ما يجعل السفر الطويل عبر الفضاء ممكناً فعلاً.
يعد استخدام مورد الشمس غير المحدود كمصدر للطاقة في حياتنا اليومية أحد أكبر التحديات على وجه الأرض.
مع ابتعادنا ببطء عن استخدام النفط نحو مصادر الطاقة المتجددة، فإن الباحثين مهتمون باحتمالية استخدام الهيدروجين كمصدر للوقود.
وأفضل طريقة للقيام بذلك هي تجزئة الماء (H2O) إلى مكوناته: الهيدروجين والأوكسجين.
يُعد هذا ممكناً عن طريق عملية تُعرف باسم التحليل الكهربائي، والتي تنطوي على تشغيل تيار عبر عينة مياه تحتوي على بعض من السائل المنحل بالكهرباء القابل للذوبان (الإلكتروليت).
تكسر هذه العملية الماء إلى مكوناته، الأوكسجين والهيدروجين، اللذين يتحرران بشكل منفصل عند القطبين.
على الرغم من أن هذه الطريقة ممكنة من الناحية الفنية، فإنها لم تصبح متوافرة بسهولة على الأرض حتى الآن، حيث نحتاج إلى المزيد من البنيات الأساسية المرتبطة بالهيدروجين، مثل محطات إعادة تعبئة الهيدروجين، لتوسيع نطاقها.
هل تخيلت الماء كوقود على متن مركبة فضائية؟
يمكن استخدام الهيدروجين والأوكسجين المنتجين بهذه الطريقة من الماء كوقود على متن المركبة الفضائية.
في الواقع، فإن إطلاق صاروخ محمل بالماء أكثر أماناً من إطلاقه محملاً بوقود صاروخي إضافي مع وجود أوكسجين على متنه، الذي يمكن أن يكون مادة متفجرة.
وبمجرد وصول المركبة إلى الفضاء، يمكن لتقنية خاصة أن تجزئ الماء إلى هيدروجين وأوكسجين يمكن أن يستخدما بدورهما في استدامة الحياة أو لتزويد الإلكترونيات بالطاقة عبر خلايا الوقود.
هناك خياران للقيام بذلك. يتضمن أحدهما التحليل الكهربائي كما نفعل على الأرض، وذلك باستخدام الإلكتروليتات (المنحلات بالكهرباء) والخلايا الشمسية لالتقاط أشعة الشمس وتحويلها إلى تيار.
الطاقة الشمسية خارج الأرض كبديل
الخيار البديل هو استخدام "المحفزات الضوئية"، التي تعمل عن طريق امتصاص جسيمات الضوء – الفوتونات – في مادة شبه موصلة يتم إدخالها للماء.
تُمتص طاقة الفوتون بواسطة إلكترون في المادة ثم ينطلق بعد ذلك، تاركاً وراءه ثقب.
يمكن أن يتفاعل الإلكترون الحر مع البروتونات (التي تشكل النواة الذرية مع النيوترونات) في الماء لتكوين الهيدروجين.
وفي الوقت ذاته، يمكن للثقب امتصاص الإلكترونات من الماء لتكوين بروتونات وأوكسجين.
يمكن أيضاً عكس العملية. إذ يمكن تجميع بين الهيدروجين والأوكسجين معاً أو "إعادة الجمع" بينهما باستخدام خلية وقود تعيد الطاقة الشمسية المتولدة عن طريق "التحفيز الضوئي"، وهي الطاقة التي يمكن استخدامها لإمداد الإلكترونيات بالطاقة.
تشكل إعادة الجمع الماء فقط كمنتج، ما يعني أنه من الممكن أيضاً إعادة تدوير الماء. وهذا هو مفتاح السفر في الفضاء لمسافات طويلة.
تعتبر عملية استخدام المحفزات الضوئية الخيار الأفضل للسفر عبر الفضاء، حيث إن وزن المعدات أقل بكثير من تلك اللازمة للتحليل الكهربائي. ومن الناحية النظرية، يجب أن تعمل بسهولة.
ويرجع ذلك جزئياً إلى أن كثافة ضوء الشمس أعلى بكثير دون امتصاص الغلاف الجوي للأرض لكميات كبيرة منه في طريقه إلى سطح الأرض، حسب الصحيفة البريطانية.
التحكم في الفقاعات
في الدراسة الجديدة، قام الباحثون بإسقاط جسم تجريبي كامل من أجل التحفيز الضوئي أسفل برج ارتفاعه 400 قدم (أي ما يعادل 120 متراً)، ما خلق بيئة مماثلة للجاذبية الصغرى.
ومع تسارع الأجسام نحو الأرض في السقوط الحر، ينخفض تأثير الجاذبية عندما تُلغى القوى التي تسببها الجاذبية بقوة متساوية ومعاكسة بسبب زيادة السرعة.
هذا عكس قوى الجاذبية التي يجربها رواد الفضاء والطيارون المقاتلون عند زيادرة سرعتهم في طائراتهم.
تمكن الباحثون من إظهار أنه من الممكن حقاً تجزئة المياه في هذه البيئة. ومع ذلك، تتشكل الفقاعات عند انشطار الماء لتكوين غاز.
من المهم التخلص من الفقاعات الناتجة عن مادة الحفز بمجرد تكوينها؛ وذلك لأن الفقاعات تعيق عملية إنتاج الغاز.
على الأرض، تجعل الجاذبية الفقاعات تطفو أوتوماتيكياً على السطح (الماء الموجود بالقرب من السطح أكثر كثافة من الفقاعات، ما يجعلها قابلة للطفو)؛ ما يؤدي لتحرير المساحة على المحفز لإنتاج الفقاعة التالية.
في حالة انعدام الجاذبية ليس من الممكن أن تطفو الفقاعة وستبقى على المحفز أو بالقرب منه.
ومع ذلك، قام العلماء بتعديل شكل السمات النانوية في المحفز عن طريق إنشاء مناطق على شكل هرمي، حيث يمكن للفقاعات أن تنفصل بسهولة عن الطرف وتطفو في الوسط.
لكن تبقى مشكلة واحدة. ففي غياب الجاذبية، ستبقى الفقاعات في السائل على الرغم من أنها قد أُجبرت على الابتعاد عن المحفز نفسه.
تسمح الجاذبية للغازات بالهروب بسهولة من السائل، وهو أمر بالغ الخطورة لاستخدام الأوكسجين والهيدروجين النقي.
ودون وجود الجاذبية، لا تطفو فقاعات الغاز إلى السطح وتنفصل عن الخليط، وبدلاً من ذلك تبقى جميع الغازات لتكوين رغوة.
يقلل هذا الأمر من كفاءة العملية بشكل ضخم عن طريق إعاقة المحفزات أو الأقطاب الكهربائية.
وستكون الحلول الهندسية المتعلقة بهذه المشكلة أساسية لإنجاح تنفيذ التكنولوجيا في الفضاء، مع وجود إمكانية لاستخدام قوى الطرد المركزي الناشئة عن دوران المركبة الفضائية لفصل الغازات عن المحلول.
ومع ذلك، وبفضل هذه الدراسة الجديدة، فقد اقتربنا خطوة من رحلة البشرية الطويلة عبر الفضاء.
واقرأ أيضاً..
نعم اكتشفوا آثار المياه علي المريخ، لكن هل أوشكت المياه على النفاد في كوكبنا؟