لماذا لا يكفي الاعتماد على الطاقة الشمسية خلال الليل القمري
يواجه أي وجود بشري طويل الأمد على القمر ليلاً يستمر نحو أربعة عشر يوماً أرضياً. خلال تلك الفترة، يمكن أن تنخفض درجات الحرارة السطحية إلى نحو -223 درجة مئوية. ولا تستطيع الألواح الشمسية توليد الطاقة، كما أن تخزين البطاريات بحجم يكفي أسبوعين من الظلام سيكون ضخماً إلى حدٍّ غير عملي. ويفتقر القمر أيضاً إلى موارد الطاقة التقليدية التي تدعم الشبكات الأرضية — فلا يوجد فحم أو غاز طبيعي أو رياح يمكن الاعتماد عليها. لذلك فإن مصدر طاقة موثوقاً ومتاحاً باستمرار ليس ترفاً بل شرطاً أساسياً للبقاء.
يمثل الانشطار النووي أحد الخيارات القليلة الموثوقة. إذ يمكن للمفاعل أن يعمل بصورة مستقلة عن ضوء الشمس، وأن ينتج طاقة حرارية ثابتة، وأن يُصغَّر بحيث يمكن نقله. وقد استكشف مشروع Kilopower التابع لوكالة ناسا بالفعل فكرة جلب الطاقة الانشطارية إلى سطح القمر، لكن مفهوماً جديداً ورد في نسخة أولية يتبنى نهجاً مختلفاً في كيفية استخدام تلك الحرارة.
مفهوم مفاعل MULE الدقيق
الورقة البحثية، المتاحة كنسخة أولية على arXiv، من تأليف يوليوس ميرتز من الجامعة التقنية في ميونخ مع مؤلفين مشاركين. وهي تصف نظاماً يُسمى "استخدام المفاعل الدقيق لاستكشاف القمر"، أو MULE. وقد يكون الاسم إشارة إلى الخيال العلمي أو لا يكون — فالمؤلفون لا يوضحون ما إذا كانت سلسلة Foundation أو Starcraft قد أثرت في الاختصار — لكن الهدف التقني واضح: مفاعل مدمج يعمل عند نحو 1000 درجة مئوية يمكنه دعم كلٍّ من دعم الحياة في البيئات السكنية والعمليات الصناعية.
ما يميز MULE هو سلسلته الحرارية. فبدلاً من تحويل الحرارة النووية إلى كهرباء ثم استخدام تلك الكهرباء لتشغيل السخانات، يركز التصميم على الاستخدام المباشر للإنتاج الحراري العالي الحرارة للمفاعل. وهذا التمييز مهم لأن البنى التقليدية التي تعطي الأولوية للكهرباء تهدر جزءاً كبيراً من طاقتها.
العيش من موارد المكان: الثرى القمري والتحليل الكهربائي بالملح المنصهر
إن بناء قاعدة قمرية وصيانتها عبر شحن كل شيء من الأرض مكلف للغاية. إذ يمكن أن تبلغ تكلفة كل كيلوغرام من الحمولة المُسلَّمة إلى القمر عشرات الآلاف من الدولارات، ما يجعل البنى المعتمدة بكثافة على إعادة الإمداد غير عملية لمستوطنة دائمة. والبديل هو استخدام الموارد في الموقع، ويُختصر غالباً إلى ISRU — أي استخدام المواد الموجودة أصلاً على سطح القمر.
أكثر المواد وفرةً المتاحة هو الثرى القمري، وهو الغبار الناعم والصخور المفتتة التي تغطي القمر. ويحتوي الثرى القمري على الأكسجين والمعادن التي يمكن استخلاصها واستخدامها في البناء والهواء القابل للتنفس واحتياجات صناعية أخرى. ومن الطرق الواعدة للاستخلاص التحليل الكهربائي بالملح المنصهر. في هذه العملية، يُذاب الغبار القمري في حمّام من الملح المنصهر، ويُمرَّر تيار كهربائي عبر المزيج، فيُفصل الأكسجين. وما يتبقى هو سبائك معدنية يمكن استخدامها في بناء الهياكل.
لكن العقبة هي أن التحليل الكهربائي بالملح المنصهر يتطلب درجات حرارة مستمرة تتجاوز 900 درجة مئوية. وهذا ضمن نطاق الإنتاج الحراري لمفاعل MULE بسهولة، لكن تحقيقه بكفاءة باستخدام الكهرباء المستمدة من نظام طاقة تقليدي أمر صعب.
عدم كفاءة التصاميم التي تعطي الأولوية للكهرباء
تعتمد معظم مفاهيم القواعد القمرية التي تتضمن معالجة عند درجات حرارة عالية على سخانات كهربائية. وتُشغَّل هذه السخانات بمفاعل نووي أو مصفوفة شمسية، لكن تحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء يتسم بفقدان متأصل. إذ يمكن أن يُفقد نحو 60% من الطاقة كحرارة مهدورة خلال ذلك التحويل. وعندما تحتاج قاعدة إلى تشغيل عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل التحليل الكهربائي بالملح المنصهر، تتراكم تلك الخسائر بسرعة، ما يفرض مفاعلاً أكبر أو مزيداً من الألواح الشمسية أكثر مما هو ضروري لولا ذلك.
يسعى مفهوم MULE إلى تجاوز هذا الاختناق عبر استخدام حرارة المفاعل مباشرةً. فإذا كان المفاعل يعمل أصلاً عند نحو 1000 درجة مئوية، وكانت العملية الصناعية تحتاج إلى درجات حرارة تتجاوز 900 درجة مئوية، فإن توجيه الطاقة الحرارية مباشرةً إلى وحدة التحليل الكهربائي يتجنب عقوبة الكفاءة الناتجة عن توليد الكهرباء أولاً. ويمكن للحرارة نفسها أيضاً أن تدعم الأنظمة البيئية للبيئة السكنية، فتبقي الطواقم دافئة والمعدات عاملة خلال الليل القمري الطويل.
ما قد يتيحه مفاعل ثنائي الاستخدام
إن مفاعلاً دقيقاً يخدم كلاًّ من دعم الحياة ومعالجة المواد قد يغيّر اقتصاديات الاستيطان القمري. فبدلاً من التعامل مع توليد الطاقة والقدرة الصناعية كمشكلتين منفصلتين، يعالج تصميم MULE كليهما كتحدٍّ واحد لإدارة الحرارة. وتشمل الفوائد المحتملة:
- طاقة مستمرة لتدفئة البيئات السكنية وتجديد الهواء وأنظمة التحكم البيئي الأخرى خلال الليل القمري الممتد أربعة عشر يوماً.
- طاقة حرارية مباشرة للتحليل الكهربائي بالملح المنصهر، ما يتيح استخلاص الأكسجين والسبائك المعدنية من الثرى القمري.
- تقليل الاعتماد على الإمدادات المُطلَقة من الأرض، ما يخفض تكلفة ومخاطر صيانة قاعدة دائمة.
- مسار نحو مواد بناء محلية، قد يدعم توسيع البيئات السكنية والبنية التحتية بمرور الوقت.
- مرونة تشغيلية أكبر، لأن المفاعل لا يعتمد على ضوء الشمس أو تخزين البطاريات في الوظائف الحيوية.
وإذا أمكن إثبات هذه القدرات، فلن تكتفي قاعدة قمرية بالنجاة خلال الليل — بل قد تواصل العمل المنتج طواله.
أسئلة مفتوحة وخطوات تالية
لا يزال مقترح MULE في مرحلة النسخة الأولية، أي أنه لم يخضع بعد لمراجعة الأقران. وكما هو الحال مع أي مفهوم مفاعل في مرحلة مبكرة، سيلزم حل كثير من التفاصيل الهندسية قبل النشر. وتوضح الورقة بنية حرارية، لكن تحويل تلك البنية إلى نظام جاهز للطيران سيتطلب تصميماً واختباراً وتحليلاً للسلامة على نطاق واسع. وتكمن قيمة المفهوم في هذه المرحلة في تأطير المشكلة: كيف نوفر كلاًّ من طاقة البقاء والحرارة الصناعية من مصدر مدمج واحد.
والنقطة الأوسع هي أن مشكلة الليل القمري ومشكلة معالجة المواد تتقاسمان فضاء حلٍّ مشتركاً. فالمفاعل الذي ينتج حرارة عالية الجودة يمكنه معالجة كليهما، شرط أن تكون السلسلة الحرارية مصممة منذ البداية لتوصيل تلك الحرارة حيث تكون مطلوبة.
الخلاصة
ستحتاج قواعد القمر الدائمة إلى طاقة لا تشرق وتغرب مع الشمس. وستحتاج أيضاً إلى القدرة على تحويل التراب المحلي إلى مواد مفيدة. ويحاول مفهوم مفاعل MULE الدقيق، بدرجة حرارة تشغيله البالغة 1000 درجة مئوية وتركيزه على الاستخدام الحراري المباشر، حل التحديين معاً. وما إذا كان سيصبح المخطط لعصر الاستكشاف القمري التالي يعتمد على مزيد من التحليل والاختبار، لكن النهج يسلط الضوء على رؤية بالغة الأهمية: على القمر، قد تكون الحرارة نفسها أثمن ناتج لمفاعل نووي.
يستند هذا المقال إلى تقرير من Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on universetoday.com
