יום חמישי, 19 באוגוסט 2010

למה הוא כל כך רע אלינו, החלל הזה?

סביבת המחייה שלנו על פני כדור הארץ היא מיוחדת ורגישה. כל סטייה קטנה תעשה שמות בתפקוד גופנו השברירי. אנחנו יכולים לשרוד בטווח טמפרטורות ולחצים מצומצם למדי, דרוש לנו אחוז מסויים מאד של חמצן באויר שאנו נושמים ומנגנונים שונים בגופנו ייפגעו קשות משינויים ברמת מליחות ואפילו בעוצמת הכבידה.
ההסבר לכך גם הוא ברור; גופנו הותאם לסביבתו, כפי שיצורים פרימיטיביים מלפני 600-700 מיליון שנים היו מותאמים לאטמוספירה רוויית פחמן דו-חמצני, ואלו מבינהם שלא הסתגלו לנשום חמצן נכחדו כאשר הסביבה השתנתה.
לפיכך ברור שבבואנו לסביבה שונה יש לצפות לאי-תאימות ברמה הפיסיולוגית שיש לפצות עליה כדי להתמודד. אבל בעוד שתופעות על פני כדור הארץ, קיצוניות ככל שתהיינה, בחלל ישנן תופעות נוספות שלא יכולות להתרחש כלל על פני האדמה.

מכונות שנוצרו על ידינו נועדו גם כן לפעול רק בסביבה שאנו מכירים. מפעל המייצר מדיחי כלים, למשל, יתכנן אותן לעמידה בטווח טמפרטורות סביר הקיים באזורים שבהם ישווק המוצר. ייתכן שכדי להפעיל את אותה המכונה בחוג הקוטב, או בבטן ספינה שמִטּלטלת בלב ים, יש לבצע התאמות מיוחדות. גם במקרה זה, תכנון מכונות לחלל מצריך ידע מוקדם, שחלקו לא נחזה מראש והתגלה רק מניסוי וטעייה.

זו אחת הסיבות לכך שבתעשיית החלל מעדיפים להסתמך על טכנולוגיות מיושנות מעט, על פני שימוש בטכנולוגיה שטרם נבדקה בחלל במשך מספר שנים. הנסיון הקודם כל-כך קריטי, שישנם לווינים שכל תכליתם היא הוכחת טכנולוגיות חדשות. סיבה נוספת היא כמובן הקושי הרב הכרוך בשליחת טכנאי למסלול.

בסקירה שלפניכם אנסה לגעת במאפיינים העיקריים של סביבה קשוחה זו, ולהבהיר את משמעותה על תעשיית החלל.


תת-לחץ – החלל הוא אוסף גדול מאד של כלום. זה לא לגמרי נכון אבל די קרוב לזה. בקרבת שולי האטמוספרה העליונים, בגובה של 150 ק"מ, צפיפות החומר היא בערך גרם אחד לכל מיליון מטר מעוקב, והיא הולכת ויורדת ככל שמתרחקים מכדור הארץ (להשוואה, צפיפות האויר בגובה פני הים היא 1.2 ק"ג לכל מטר מעוקב, יותר מאשר פי מיליארד!). 
הלחץ הנמוך בחלל גורם לחומרים לרתוח ולהתאדות (או להמריא במקרה של מוצק). כתוצאה מכך לא ניתן להשתמש בחומרי סיכה ושמנים עבור מנגנונים נעים.

חומרים מוצקים כמו מבנה של חללית או לווין סובלים מאיבוד חומר במשך הזמן: השכבות החיצוניות מתנדפות והחומר הופך לנקבובי ופריך וכך יורדת קשיחות המבנה. בחירת חומרים נכונה משפרת את קצב איבוד החומר כך שלא תהיה ירידה משמעותית בביצועים במשך חיי הלווין. 
תופעה נוספת נקראת "ריתוך קר": חומרים מוצקים שנמצאים במגע זה עם זה נוטים להתאחות יחד מכיוון ששכבות המגע בינהם מפעפעות אחת לתוך החללים המיקרוסקופיים של השניה. התופעה הזו עלולה למנוע אפשרות תנועה של משטחים שאמורים לנוע האחד על גבי השני. כדי למנוע זאת מעדיפים לבצע פרישה של כל המנגנונים המקופלים (אנטנות, משטחים סולריים, מנורים ומקרנים) בימים הראשונים של הלווין בחלל אפילו אם הם עדיין לא קריטיים למשימה. 

חלקיקים טעונים והמגנטוספירה – הקירבה של כדור הארץ לשמש חושפת אותו לשטף החלקיקים שנפלט ממנה, ומורכב בעיקר מאלקטרונים, מפרוטונים ומגרעיני הליום. חלקיקים אלו נושאים מטען חשמלי, ופגיעתם במערכות אלקטרוניות עלול לגרום לנזקים החל מהיפוך ביט בתוכנה ועד לקצר חשמלי ונזק קבוע למערכת קריטית בחללית.

פעילות השמש איננה קבועה, ונעה בין שיאים שבהם שטף החלקיקים גבוה מאד, לבין תקופות שקטות. ישנו מחזור מוכר של כ- 11 שנים בין שיא לשיא, אבל בשנים האחרונות נדמה שמשהו במחזור הזה כנראה קצת השתבש, כך שאין לדעת מה יקרה בשנים הקרובות.
כדור הארץ מכיל ליבה של ברזל, המהווה למעשה מגנט גדול. סביב כל מגנט קיים שדה מגנטי, שגורם לחלקיקים בעלי מטען חשמלי הנעים בו להרגיש כוח המופעל עליהם בניצב לכיוון תנועתם ולכיוון השדה המגנטי. אזור ההשפעה של השדה המגנטי של כדור הארץ נקרא מגנטוספירה. 

איור של קוי השדה המגנטי סביב כדור הארץ

החלקיקים מהשמש שנכנסים למגנטוספירה משנים את כיוון תנועתם ומתחילים לנוע בסחרור לאורך קווי השדה המגנטי. כתוצאה מכך ישנו שטף חלקיקים שחלקו מגיע לאזור הקטבים של כדור הארץ, ובמגע עם האטמוספרה יוצר את אפקט האורורה, זוהר הקוטב. חלקיקים אחרים נלכדים בתוך אזורים בשדה המגנטי ומייצרים זרם חשמלי טבעתי סביב כדור הארץ בשתי טבעות הנקראות "חגורות ון-אלן". אזורים אלו רוויים במטען חשמלי ומעבר בתוכם מסוכן מאד לרכיבים אלקטרוניים. מלבד באזור חגורות ון-אלן, מגן השדה המגנטי על שוכני כדור הארץ והמכשירים החשמליים היקרים שלהם מפני נזקי השמש. רוב הלווינים וכל המשימות המאויישות נמצאים תחת החגורות. בתקופות השיא של פעילות השמש 'משתולל' השדה המגנטי וחושף את הלווינים לשטף החלקיקים של חגורות ון-אלן או לשטף הישיר מהשמש.


פגיעות מטאורים ופסולת חלל – מטאורים הם גופים טבעיים שקוטרם בין מספר מטרים ועד חלקי מילימטרים ומסתם בין מספר קילוגרמים לבין מיקרוגרמים. פסולת חלל היא כל גוף שאיננו טבעי (מעשה ידי אדם) שנמצא במסלול, כמו לווינים מתים, חלקי לווינים, שלבי טילים וכדומה. 

רוב הלווינים מהירותם סביב כדור הארץ היא 8 עד 10 ק"מ בשניה, ולכן מהירות הפגיעה שלו בגוף אחר שנמצא במסלול סביב כדור הארץ יכולה להגיע עד ל- 20 קילומטר בשניה (פגיעה חזיתית). כדור הארץ נע במהירות של 30 קילומטר בשניה סביב השמש, ולכן מהירות הפגיעה של גוף שנע סביב השמש (ולא סביב כדור הארץ) תהיה מסדר גודל של עשרות קילומטרים בשניה. כל פגיעה במהירויות הללו עלולה להיות הרסנית לגוף שנמצא במסלול. למזלנו סיכויי הפגיעה יורדים ככל שמסת הגוף הפוגע גדלה.

במהלך חייו של לווין ממוצע (מספר שנים), סיכויי הפגיעה שלו אינם כה נמוכים, אולם הסיכוי להיפגע ע"י גופים גדולים שעלולים לגרום לנזק מכני הוא שולי. גופים זעירים גורמים לנזק מסוג אחר.
נזק חשמלי: בעת פגיעת גוף זעיר בלווין, הופכת האנרגיה הקינטית שלו לחום, הוא מתאדה והופך לפלסמה (יונים, אטומים מיוננים). יונים הם בעלי מטען חשמלי, ולכן עלולים לפגוע ביחידות אלקטרוניות. נזקים חשמליים יהיו זהים לנזקי חלקיקים טעונים ככתוב למעלה. 
נזק מצטבר: חלקיקים הפוגעים בלווין יוצרים גם שריטות ושקעים מיקרוסקופיים, כמו גם כתמים במקרה בו הם נדבקים למשטח. לאורך זמן משטחים בלווין צוברים נזקים אלו וביצועיהם האופטיים יורדים. הדבר משפיע על תכונות ספיגת והקרנת חום, וכן על ירידה בכושר ייצור החשמל של תאים סולריים. 

נזק שנגרם לטלסקופ החלל "האבל" מפגיעת רסיס

טמפרטורה – במסלול סביב כדור הארץ ישנם רק שני מקורות חום חיצוניים: השמש, ובמידה קטנה הרבה יותר – כדור הארץ עצמו. הצד של הלווין שפונה לשמש מתחמם מאד ועלול להגיע לטמפרטורה של מאות מעלות צלזיוס, בעוד הצד שאינו פונה אל השמש חשוף לטמפרטורה של 3 מעלות בלבד מעל טמפרטורת האפס המוחלט (קרינת הרקע הקוסמית). לווין המכוון לכדור הארץ מפנה כל פעם צד אחר לשמש כך שמאזן החום שלו יכול להיות יחסית יציב, אבל רוב הלווינים נכנסים לצל של כדור הארץ בכל הקפה, ואז השמש כלל אינה מחממת אותם. בנוסף לכך, הלווין מייצר חום בעצמו עקב פעילות יחידות אלקטרוניות.

מעברי חום בחלל סביב כדור הארץ 

הבעיה הראשונה היא שמערכות הלווין יכולות לפעול באופן תקין אך ורק בתחום טמפרטורות מסויים ומצומצם. בעיה נוספת היא שחומרים משנים את צפיפותם כתלות בטמפרטורה ולכן שינויי טמפרטורה יוצרים מאמצים על מבנה הלווין ולמעשה מעוותים אותו במידה שעלולה להיות הרסנית למבנה, ובוודאות תהיה משמעותית למכשירי חישה מרחוק, שהדיוק שלהם קריטי לצורך חישוב הכוון הלווין. לכן נדרש לפנות את החום מהאזורים החמים ובאותו זמן לחמם את האזורים הקרים. השיטות העיקריות לשם כך הן קודם כל בידוד מערכות הלווין מהסביבה, כך ששינויי הטמפרטורות יתמתנו, ובנוסף להסיע ולהוליך חום לאזורים הקרים, ולהקרין חום עודף החוצה לחלל. ניתן כמובן גם לייצר חום באופן מכוון על ידי מחממים חשמליים.

מיקרו כבידה – האמת היא שמצב של גוף חופשי אמור להוות מקור אושר צרוף למהנדס. הרי ניתוח של כל בעיה מכנית בסיסית מתחילה בדיאגרמת גוף חופשי. אבל האמת היא שענייני פעולה ותגובה עלולים לסבך יותר מאשר להועיל. לעומת זאת הגוף האנושי מתחיל לסבול משהייה בחוסר בכבידה תוך זמן קצר. השרירים, שרגילים להתאמץ מעצם העמידה הזקופה ומפעילויות שגרתיות אינם מתקשים עוד כלל ולכן הולכים ומאבדים ממסתם, העצמות מאבדות סידן, נוזלים מצטברים במקומות שונים בגוף ויוצרים בצקות וכולי.

חמצן אטומרי – בשולי האטמוספירה, עקב הטמפרטורה הגבוהה והקרינה, נמצאים יסודות שונים במצב אטומרי, קרי אטומים בודדים ולא מולקולות, שזה המצב שבו הם "מעדיפים" להיות כאשר התנאים מאפשרים. חמצן במצב אטומרי הוא חומר בעייתי מאד יחסית לכל השאר. ברגע שהוא פוגש חומר אחר נוצר מיד קשר כימי ולמעשה החומר הופך לחומר אחר, בדיוק כמו שברזל מחליד בנוכחות חמצן. תכונות החומר משתנות למעשה, והוא יהיה יותר פריך, פחות מבריק, פחות אטום ובכל מקרה - לא מה שתכננו! אמנם אטום אחד לא יהרוס חללית שלמה, אבל לווין שנמצא מספר שנים בגובה נמוך יסבול מתופעה זו.


אלה היו דוגמאות למורכבות ולאתגרים העומדים בפני תעשיות החלל. זו גם הסיבה שלא בחרתי להיות מנתח מוח:




תגובה 1:

  1. יואב, סוף סוף מישהו מסביר לי טכנובבל על החלל ואני מבינה. תודה, אני אוהבת את הבלוג החללי שלך.

    השבמחק