مهندسان برای ساخت سازههای ماندگار، همواره به دادههای دقیق و قابلاعتماد نیاز دارند. حتی طراحان باستانی اهرام بزرگ مصر نیز، با وجود نداشتن جدولهای مدرن مقاومت فشاری یا تحلیلهای عددی، بهخوبی میدانستند که سنگآهکهایی که انتخاب کردهاند، وقتی بهدرستی روی هم چیده شوند، پایداری لازم را خواهند داشت. آنها با تجربه، مشاهده و آزمونوخطا به دانشی رسیده بودند که امکان ساخت سازههایی را فراهم کرد که هزاران سال دوام آوردهاند.
اما وقتی پای ساختوساز در جهانهای دیگر به میان میآید — بهویژه در جایی مانند ماه — شرایط کاملاً متفاوت میشود. مهندسان امروز، برخلاف معماران باستان، با کمبود جدی دادههای مستقیم درباره ویژگیهای مواد محلی روبهرو هستند. هنوز اطلاعات ما از خاک ماه (یا همان رگولیت قمری) محدود است و بسیاری از ویژگیهای مکانیکی، حرارتی و رفتاری آن بهطور کامل شناخته نشدهاند. با این حال، اگر انسان بخواهد حضور پایدار در ماه داشته باشد، ناگزیر است از همین مواد محلی برای ساخت زیرساختهای حیاتی استفاده کند.
یکی از مهمترین این زیرساختها، سکوی فرود و پرتاب فضاپیماهاست؛ سازهای که باید وزن بسیار زیاد موشکها و فضاپیماهای سنگین را تحمل کند و در عین حال در برابر شرایط خشن محیط ماه دوام بیاورد. هزینه انتقال حجم عظیمی از مصالح ساختمانی از زمین به ماه آنقدر بالاست که استفاده از مواد زمینی، مانند بتن معمولی، عملاً غیرممکن یا بسیار غیرمنطقی به نظر میرسد. بنابراین، مهندسان ناچارند یاد بگیرند چگونه از رگولیت ماه، حتی برای کاربردهای کاملاً حیاتی و حساس، استفاده کنند.
در همین راستا، مقالهای جدید که در نشریه علمی Acta Astronautica منتشر شده، به بررسی این چالش اساسی میپردازد. این مقاله توسط شرلی دایک (Shirley Dyke) و تیم پژوهشی او در دانشگاه پردو نوشته شده و تلاش میکند نشان دهد چگونه میتوان با حداقل اطلاعات اولیه درباره ویژگیهای مواد، یک سکوی فرود قمری قابلاعتماد طراحی و ساخته شود.
چرا اصلاً به سکوی فرود نیاز داریم؟
شاید این سؤال در نگاه اول ساده به نظر برسد:
آیا واقعاً لازم است روی ماه سکوی فرود بسازیم؟
آیا نمیتوان فضاپیمایی مانند استارشیپ یا سایر موشکهای فوقسنگین را هر بار روی یک سطح نسبتاً صاف از خاک ماه فرود آورد؟
از نظر تئوری، پاسخ میتواند مثبت باشد. سامانههای هدایت پیشرفته میتوانند نقطهای صاف را شناسایی کرده و فرود نسبتاً دقیقی انجام دهند. اما مشکل اصلی، نه خود فرود، بلکه پیامدهای آن است. موتورهای قدرتمند موشکها هنگام فرود، حجم عظیمی از گردوغبار و سنگهای ریز را با سرعت بالا به اطراف پرتاب میکنند. این پدیده میتواند:
- به سازههای اطراف، مانند یک پایگاه قمری تازهتأسیس، آسیب جدی وارد کند
- تجهیزات حساس علمی را تخریب کند
- و حتی به خود فضاپیما، بهویژه بخشهای پایینی آن، صدمه بزند
به همین دلیل، طراحان مأموریتهای فضایی تقریباً بر سر یک موضوع اتفاق نظر دارند: وجود یک سکوی فرود مهندسیشده، ضرورتی اجتنابناپذیر است. این سکو، مشابه سکوهای پرتاب زمینی، میتواند انرژی خروجی موتورها را کنترل کند و از پراکندگی خطرناک مواد جلوگیری نماید.
تجربه زمین؛ اما با محدودیتهای قمری
روی زمین، سکوهای پرتاب دهههاست که با موفقیت مورد استفاده قرار میگیرند. حتی با وجود گزارشهایی مانند تخریب یک سکوی فرود توسط موشک سایوز در پایگاه بایکونور، این سازهها در مجموع عملکردی بسیار قابلاعتماد داشتهاند. اما مشکل اینجاست که نمیتوان همان روشها را مستقیماً روی ماه پیاده کرد.
در ماه:
- گرانش بسیار کمتر است
- جو وجود ندارد
- تغییرات دمایی بسیار شدید است
- و مواد در دسترس، کاملاً با مصالح ساختمانی زمین تفاوت دارند
به همین دلیل، ساخت سکوی فرود قمری باید مبتنی بر استفاده از رگولیت محلی باشد.
رگولیت قمری؛ مادهای ناشناخته اما حیاتی
رگولیت ماه ترکیبی از ذرات ریز سنگی، شیشههای حاصل از برخورد شهابسنگها و مواد معدنی گوناگون است. یکی از روشهای مورد توجه برای تبدیل این ماده سست به یک سازه سخت و یکپارچه، فرآیندی به نام زینترینگ (Sintering) است. در این روش، ذرات بدون ذوب کامل، تحت حرارت به یکدیگر میچسبند و ساختاری منسجم ایجاد میکنند.
اما به گفته دکتر دایک، هنوز اطلاعات ما درباره ویژگیهای مکانیکی رگولیت زینترشده بسیار محدود است؛ بهویژه درباره:
- مقاومت کششی
- مقاومت فشاری
- رفتار آن تحت تنشهای حرارتی
یکی از فرضیات اصلی این است که رگولیت زینترشده شکننده باشد و در برابر کشش، بسیار ضعیفتر از فشار عمل کند؛ رفتاری که در بسیاری از مواد سرامیکی نیز دیده میشود.
چرا از شبیهسازهای زمینی استفاده نکنیم؟
در نگاه اول، شاید منطقی به نظر برسد که از شبیهسازهای رگولیت قمری برای آزمایشهای اولیه استفاده شود. این مواد سالهاست که در آزمایشگاهها به کار میروند؛ از آزمایشهای فرآوری مواد گرفته تا حتی کاشت گیاهان.
اما به گفته دکتر دایک:
«به همین دلیل به آنها شبیهساز میگویند.»
یعنی هرچند برخی ویژگیها مشابهاند، اما هیچ شبیهسازی نمیتواند بهطور کامل رفتار واقعی ماده را، آن هم در محیط منحصربهفرد ماه، بازتولید کند. تنها راه شناخت واقعی، آزمایش در محل (in-situ) است.
چالشهای مکانیکی و حرارتی
در طراحی یک سکوی فرود، دو دسته ویژگی اهمیت حیاتی دارند:
- ویژگیهای مکانیکی
- تنش و کرنش تحت بار
- مقاومت در برابر شکست
- ویژگیهای حرارتی
- میزان انبساط و انقباض
- رفتار در چرخههای دمایی شدید
ماه دارای چرخه روز و شب حدود ۲۸ روزه است که در آن، دما میتواند از گرمای شدید به سرمای بسیار پایین تغییر کند. این نوسانات، باعث انبساط و انقباض متوالی سکو میشوند. اگر این تغییرات در ضخامت سکو یکنواخت نباشند، ممکن است تاببرداشتگی (curling) ایجاد شود؛ پدیدهای که میتواند به ترکخوردگی منجر شود.
از سوی دیگر، رگولیت زینترشده احتمالاً عایق حرارتی بسیار خوبی است. بنابراین، حتی برخورد مستقیم شعله موتور یک استارشیپ، احتمالاً فقط لایهای در حدود ۸ سانتیمتر از سطح را بهشدت گرم میکند. همین گرمایش موضعی، میتواند هر بار ترکهای حرارتی ایجاد کند.
ضخامت بهینه؛ نه کم، نه زیاد
با در نظر گرفتن همه این عوامل، تیم پژوهشی پیشنهاد میدهد که برای یک فرودگر با جرم حدود ۵۰ تُن، ضخامت سکوی فرود باید در حدود یکسوم متر باشد. شاید به نظر برسد که ضخامت بیشتر، ایمنی بالاتری ایجاد کند، اما دکتر دایک توضیح میدهد که افزایش بیش از حد ضخامت، در واقع احتمال شکست ناشی از تنشهای حرارتی را افزایش میدهد.
حالتهای شکست اجتنابناپذیر
برخی آسیبها تقریباً اجتنابناپذیر هستند. یکی از آنها پوستهپوسته شدن (Spalling) است؛ فرآیندی که در آن، لایههایی از سطح سکو به دلیل تنشهای حرارتی جدا میشوند. هرچند ممکن است ساختار کلی پابرجا بماند، اما با تکرار فرود و پرتاب، این فرسایش میتواند توان باربری سکو را کاهش دهد.
بزرگترین نگرانی اما، شکست کامل سکوست؛ رخدادی که میتواند بر اثر:
- تنشهای حرارتی
- کاهش تدریجی استحکام
- یا حتی فرود ناصحیح یک موشک
اتفاق بیفتد.
راهحل نهایی: آزمایش در محل
به همین دلیل، نویسندگان مقاله پیشنهاد میکنند که بهترین راه اثبات عملکرد سکو، آزمایش تدریجی و در محل است. مأموریتهای اولیه میتوانند دادههای بیشتری درباره رگولیت جمعآوری کنند و نمونههای آزمایشی بسازند. پس از ساخت سکو، نصب حسگرها و پایش مداوم آن میتواند به بهبود طراحی در طول زمان کمک کند.
نقش حیاتی رباتها
ساخت چنین سکویی تقریباً بهطور کامل بر عهده رباتها خواهد بود؛ چه رباتهای کنترل از راه دور و چه سامانههای کاملاً خودکار. انجام این کار توسط انسان، آن هم در لباسهای فضایی سنگین و در خلأ، عملاً غیرممکن است. رباتها نهتنها سازنده، بلکه نگهدارنده و تعمیرکار این سکوها نیز خواهند بود.
آیندهای نهچندان دور
ساخت نخستین سکوی فرود قمری شاید هنوز چند سال با ما فاصله داشته باشد. اما با بازگشت تدریجی انسان به ماه، دادههای بیشتری در اختیار مهندسان قرار خواهد گرفت. حتی اگر این دادهها کامل نباشند، فرآیند تکرارشونده آزمون، یادگیری و طراحی که در این مقاله پیشنهاد شده، میتواند در نهایت به ایجاد یک سکوی ایمن، پایدار و قابلاعتماد منجر شود؛ سکویی که دروازه ورود امن ما به نزدیکترین همسایه بینسیارهایمان خواهد بود.
