لماذا يسبب الغبار الفضائي الباعث لموجات راديو تحطم المركبات الفضائية

عندما تسافر المركبات الفضائية والأقمار الصناعية عبر الفضاء، فإنها تواجه جزيئات صغيرة من الغبار الفضائي والحطام تتحرك بسرعة. وإذا كان الجسيم ينتقل بسرعة كافية، فإن ذلك يؤدي إلى إشعاع كهرومغناطيسي (في شكل موجات راديوية) يمكن أن يضر أو حتى يعطل أنظمة المركبة الفضائية الإلكترونية.
ولقد نُشرت هذا الأسبوع دراسة جديدة في مجلة Physics of Plasmass ، استخدمت المحاكاة الحاسوبية لإظهار أن سحابة البلازما الناتجة عن تأثير الجسيمات هي المسؤولة عن إنشاء النبض الكهرومغناطيسي الضار، وتظهر هذه المحاكاة أيضًا أنه مع توسع البلازما في الفراغ المحيط، فإن الأيونات والإلكترونات تنتقل بسرعات مختلفة ومفصولة بطريقة تولد انبعاثات الترددات الراديوية.
يقول المؤلف االرائد أليكس فليتشر، وهو باحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مركز جامعة بوسطن لفيزياء الفضاء: “لقد درس الباحثون خلال العقود القليلة الماضية هذه التأثيرات فائقة السرعة، وقد لاحظنا أن هناك إشعاعات من التأثيرات عندما تسير الجسيمات بسرعة كافية” . “لم يستطع أحد أن يفسر سبب وجود تلك الإشعاعات ومن أين أتت أو ماهي الآلية المادية وراءها”.
تعٌد هذه الدراسة خطوة نحو التحقق من نظرية المؤلف سيغريد كلوز، أستاذ مشارك في الطيران وعلم الفضاء في جامعة ستانفورد. في عام 2010، نشر كلوز وزملاؤه الفرضية الأولية القائلة بأن التأثيرات الفائقة السرعة على البلازما هي المسؤولة عن بعض حالات فشل السواتل.
لمحاكاة النتائج من البلازما ذات التأثير فائق السرعة، استخدم الباحثون طريقة تسمى محاكاة الجسيمات في الخلية التي تسمح لهم باستخدام نموذج البلازما والحقول الكهرومغناطيسية في وقت واحد، ولقد قاموا بتغذية تفاصيل المحاكاة مستعينين بهيدروكود تم تطويره سابقا، وهي أداة حاسوبية قاموا باستخدامها في تصميم ديناميكيا المواد السائلة والصلبة للتأثيرات، حيث استطاع الباحثون أن يطوروا المحاكاة وتمكنوا من حساب الإشعاع الذي تنتجه البلازما.
عندما يضرب الجسيمات سطح صلب بسرعات عالية، فإنه يتبخر ويؤين الهدف، ويطلق سحابة من الغبار والغاز والبلازما، كتوسع البلازما في الفراغ المحيطة (من الفضاء) حيث تم ملاحظة أنه عند دخول قطرات الكثافة في حالة اصطدام فإن الجسيمات تكف عن التفاعل مباشرة مع بعضها البعض.
في الدراسة الحالية، قام الباحثون بالافتراض بأن الإلكترونات في هذه البلازما التي لا تتصادم تنتقل أسرع من الأيونات الأكبر حجمًا. وتتنبأ المحاكاة التي قاموا بها أن لهذا الفصل أهمية واسعة النطاق في توليد الإشعاع. نتائج النموذج تتفق مع نظرية كلوز الأولية، ولكنها تتنبأ بتردد أعلى للانبعاثات من الذي قام الباحثون باكتشافه تجريبيًا.
يشير المؤلفون إلى أن الافتراض بأن الإلكترونات تتحرك بشكل جماعي لأنها منفصلة عن الأيونات يستحق اهتمامًا أكبر. وتقوم المجموعة ببناء محاكات جديدة لاختبار ما إذا كان التحول إلى حالة تصادمية كافيًا لخلق الانفصال.
وأشار فليتشر أيضا أنهم لم يعطوا الغبار حقه.
يقول فليتشر “إن هذا التأثير يخلق جسيمات غبار تتفاعل مع البلازما”. وديناميكيا هذه “البلازما المتربة” هي مجال لبحثٍ مستقبلي.
والخطوة التالية في العمل هي استخدام المحاكاة لتحديد الإشعاع المتولد بحيث يمكن تقييم التهديد الذي تتعرض له السواتل، واستنباط طرق لحماية السواتل والمركبات الفضائية من النيازك والحطام المداري.
ويقول فليتشر “إن أكثر من نصف الاخفاقات الكهربائية غير مبررة لأنه من الصعب جدًا إجراء تشخيص على قمر صناعى يفشل فى المدار”. وأضاف “نعتقد اننا نستطيع ان نعزو بعض هذه الاخفاقات الى هذه الآلية”.