Ali Pourahmad
21 یادداشت منتشر شدهسیستم ضد کاهش ارتفاع در بالن جدید "فشار صفر" برای ناسا جهت حمل ماهواره و تجهیزات فضایی به لایه استراتوسفر زمین
در این یاداشت بطور کوتاه و خلاصه به "بررسی سیستم بالن فشار بالا (فشار صفر) با قابلیت ضد گرمای نور خورشید " از سری اختراعات منتشر شده من میپردازیم.
لازم به اشاره میدانم, یاداشت زیر تنها مختصری از بخش "مقدمه مقاله اصلی" است, لذا در صورت علاقمندی می توانید توضیحات فنی جامع و کامل این اختراع را به تفصیل در بخش زبان فارسی وب سایت "سیاره علوم" www.sciencesplanet.com مطالعه و همچنین ویدیوی خلاصه فیلم این اختراع را مشاهده فرمائید. ضمن احترام, این یاداشت بعنوان بخشی از مقاله اختراعات من تحت قانون "مالکیت معنوی" بوده و صرفا جهت اطلاع رسانی عموم است لذا هر گونه کپی برداری و استفاده غیر مجاز از توضیحات, تصاویر تخصصی و ایده های بازگو شده در این یاداشت ممنوع می باشد.
حمل تجهیزات تحقیقاتی و مخابراتی به جو زمین یکی از چالش های پر هزینه و زمانبر سازمان های بزرگ فضایی مثل ناسا است. هزینه های بسیار بالای هر پرتاب موشک ماهواره بر باعث شده که از چندین دهه گذشته این سازمان برای مقاصد تحقیقاتی و هواشناسی که مرتبط با لایه استراتوسفر است از بالن های فشار بالا ( یا فشار صفر) استفاده نماید. بالون های ارتفاع بالا یا استراتوستات ها Stratostats بالن هایی با تحمل فشار جوی بالا هستند که می توانند با عبور از لایه تروپوسفر به لایه استراتوسفر رسیده و در میانه ارتفاع استراتوسفر و جایی که بعنوان محدوده مدار پایین زمین (LEO) Low Earth Orbit شناخته میشود انجام ماموریت نمایند.
محدوده لایه تروپوسفر از سطح زمین تا ارتفاع 12 کیلومتری و لایه استراتوسفر از 12 کیلومتری تا ارتفاع 50 کیلومتری تعیین شده است حال آنکه بالن های ارتفاع بالای ناسا برای رسیدن به ارتفاعات بالاتر مدار LEO دچار محدودیت هستند. طبق اظهار گابریل گارد، رئیس دفتر برنامه بالن ناسا در مرکز پرواز والوپس در ویرجینیا, پرواز بالن فشار بالای تحقیقاتی ناسا که در 21 آوریل 2025 از نیوزلند شروع شد و پس از گذشت ۱۷ روز و ۱۳ ساعت و ۴۷ دقیقه پرواز در باند عرض جغرافیایی میانی نیمکره جنوبی، در ۴ مه مجبور به پایان دادن زود هنگام این ماموریت شد. ناسا این بالن را در اقیانوس آرام، حدود ۸۱۳ مایلی شرق نیوزیلند به آرامی به زمین بازگردانید. حال باید ببینیم چه مشکلی منجر به عدم ادامه ماموریت این بالن فشار صفر شده بود.
در حقیقت, تغییرات ناشی از انبساط گاز هلیم و نشت آن بدلیل افزایش دمای پوسته بالن توسط تابش نور خورشید در روز و مجددا کاهش حجم گاز هلیوم با سرد شدن و انقباض آن در شب عامل اصلی کاهش مداوم ارتفاع این بالن بوده است. طبق گفته گابریل گارد در روز دهم ماموریت تقریبا تمام بالاست (ماسه) صرف مدیریت پایداری ارتفاع بالن شده بود و علیرغم رها سازی تمام بالاست برای سبک سازی بالن, اما همچنان کاهش ارتفاع به سرعت در حال رخ دادن بود. هر چند در ابتدا برنامه ریزی ناسا برای انجام یک ماموریت چندین ماهه تا مرز رسیدن به صد روز پرواز بوده است اما این کاهش ارتفاع ناخواسته چالش ها و مشکلات غیر قابل پیش بینی را بوجود آورد. بنابراین برای جلوگیری از وقوع ریسک عمومی ناشی از فرود مخاطره آمیز, ناسا پایان زود هنگام این ماموریت را در روز هفدهم اعلام کرد.
هر چند بالن های ارتفاع بالای ناسا به رکوردهای بالاتری نظیر 46 روز و یا 32 روز در قبل از پروازهای ابتدای 2025 دست یافته بودند اما در تمامی ماموریت های بالن فشار بالای ناسا یک چالش مشترک در پرواز وجود داشته است و آن کاهش ارتفاع زیاد (تا مرز ده کیلومتر) در طول شب بدلیل نشت گاز هلیوم در طول روز بوده است. تقریبا تمامی بالن های فشار صفر (Stratostats) در ارتفاعی بین 30 تا 36 کیلومتری زمین می توانند فقط برای یک هفته بدون کاهش ارتفاع باقی بمانند و پس از آن در طی دوره های شب دچار معضل کاهش ارتفاع می شوند.
علیرغم اینکه موفقیت های دستیابی به ارتفاعاتی نظیر 54 کیلومتری با ماندگاری بسیار کوتاهی در این ارتفاع توسط بالن فشار صفر BS 13-08 قبلا بدست آمده است اما صعود به ارتفاعات بالاتر استراتوسفر و یا ماندگاری بالن با زمانی بیشتر در لایه های جوی بالا یکی از محدودیتها و چالش های جدی این دسته از بالن ها است زیرا این بالن ها پس از گذشت چند روز بدلیل انبساط و انقباض هلیوم شروع به کاهش شدید ارتفاع می کنند. البته بسته به عرض جغرافیایی که بالن در آن پرواز می کند میزان کاهش ارتفاع نیز متغیر است, بعنوان مثال بالن های با فشار صفر در خارج از عرض های جغرافیایی میانه و نزدیک به مناطق قطبی خصوصا در فصول تابستان که پرتوها و تششعات خورشید می تواند در مدت زمان طولانی هلیوم را در حالت انبساط قرار دهد, دارای کاهش ارتفاع کمتری نسبت به عرض های جغرافیایی میانه هستند.
در چنین شرایطی بدلیل مشکل کاهش ارتفاع بالن های استراتوستات ناسا و عدم قابلیت ماندگاری بالن بمدت طولانی در جو, معمولا سازمان های دولتی و شرکتهای خصوصی فضایی به سراغ راه حل جایگزین یعنی پرتاب موشک ماهواره بر می روند که آنهم بدلیل هزینه های بالای هر پرتاب موشک مدار پایین (LEO) به نسبت بودجه مصوب برای هر پروژه, مداومت در انجام پروژه های علمی و تحقیقاتی به آسانی میسر نمیشود زیرا نیازمند تهیه بودجه های بالایی برای هر پرتاب است. بعنوان مثال, اگر بخواهیم ارسال تجهیزاتی را که می توان با یک بالن فشار صفر انجام داد با یک موشک زیر مداری نظیر Sounding Rockets و New Shepard و یا Electron انجام دهیم باید از 1 تا 7 میلیون دلار در هر پرتاب هزینه نمائیم. حال اگر به سراغ موشک های قوی تر برای ارسال تجهیزات سنگین تر برویم هزینه ها بسیار بالاتر خواهد رفت, بعنوان مثال هزینه ارسال ۶۰۰۰ کیلوگرم بار با موشک فالکون ۹ بهمراه کپسول دراگون به ایستگاه فضایی بین المللی ISS حدود ۱۴۰ میلیون دلار برآورد شده است.
در حقیقت چالش کاهش ارتفاع بالن های استراتوستات ناسا و عدم ماندگاری در ماموریت های بلند مدت بهمراه هزینه های بالای هر پرتاب موشک زیر مداری شرکت های فضایی باعث گشت که من ایده ساخت یک بالن بدون تاثیر پذیری از گرمای نور خورشید را خلق کنم تا ضمن نداشتن کاهش ارتفاع, توانایی ارسال محموله های سنگین بهمراه امکان حضور بلند مدت در فضا را داشته باشد. بعبارتی ایده من راه حل جایگزین استفاده از موشک های بالابر است تا بتوان ارسال محموله های فضایی را به مدار پایین (LEO) با هزینه و ریسک کمتری به انجام رسانید بدین صورت که ابتدا حجم بار کل به بخش های کوچکتر و کمتر تقسیم بندی می شود و سپس با افزایش دفعات پرواز با استفاده از بالن جدید مجهز به پنل های دفع کننده پرتوهای گرم خورشیدی, امکان ارسال کل تجهیزات با هزینه بسیار کمتر فراهم می گردد.
من ایده اولیه این طرح را فقط با استفاده از کیسه بازتابنده گرما بدون سیستم جهت یاب نوری خلق کرده بودم که بلحاظ کاهش وزن, کنترل بهتر چرخش بالن و نیز اتصال بیشتر تجهیزات ماهواره ای به سازه بالن, سیستم کنترل کننده جهت را به آن اضافه کردم. هر کدام از این دو طرح قابلیت اجرای دقیق را دارند و یقیننا می توانند جایگزین مناسب تری برای بالن های فشار صفر فعلی باشند.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر را داشته و با تجاری سازی آن می توان ضمن کاهش چشمگیر هزینه های پرتاب های فضایی, تعدد ماموریت های فضایی را افزایش داده و به گسترش بیشتر تحقیقات علمی مرتبط با فضا کمک کنیم.
