هل نمتلك طاقة كافية لنقل البشرية جمعاء خارج كوكب الأرض؟
هل نمتلك طاقة كافية لنقل البشرية جمعاء خارج كوكب الأرض؟

تحدثت عدة أفلامٍ للخيال العلمي عن قصصٍ يهجر فيها الأرض سكانها، لأسباب عديدة كالتلوث، والازدحام السكاني، أو الحروب النووية.
لكنّ نقل البشر إلى الفضاء ليس بالأمر السهل، فهل يمكننا فيزيائيًا أن نطلق الجنس البشري كاملاً خارج كوكب الأرض؟ دعونا لا نفكر بوجهتنا ولنفترض أنه ليس علينا أن نجد وطناً بديلا، لكننا لا نستطيع البقاء فـــي مكاننا.

a1

لإيجاد ما إذا كـــان هذا الأمر ممكنًا، نبدأ بقيمةٍ أساسية وحدٍ أدنى لمتطلبات الطاقة: 4 جيجا جول لكل شخص. ومهما كانت الطريقة، سواء كانت صاروخاً أم مدفعاً أو حتى مصعدًا، فإن نقل شخص يزن 65 كيلوجرام مـــن جاذبية الأرض إلى الفضاء الخارجي يتطلب هذا القدر مـــن الطاقة:

طاقة وضع الجاذبية = 12 x 65 كيلوجرام x (سرعة الإفلات لكوكب الأرض)^2

طاقة الوضع المطلوبة لنقل أي جسم بعيدًا عن الأرض تساوي طاقتها الحركية إذا ما كنت تتحرك بسرعة تساوي سرعة الإفلات مـــن الجاذبية الأرضية.

لكن، ماذا تعني 4 جيجا جول؟

تعادل هذه الطاقة 4 ميجاواط – ساعة، واستهلاك منزل مـــن عائلة أمريكية اعتيادية على مدار شهرٍ أو شهرين. كما تمثل كمية الطاقة المخزنة فـــي سيارة شحن صغيرة مليئة بالبطاريات أو الطاقة الناتجة عن حرق 90 كيلوجراماً مـــن الوقود.

a2

كما أنه على مستوى فردي ستكفينا 4 جيجاجول لنقل شخص واحد، فإنه وعلى مستوى البشرية جمعاء سنحتاج 4 جيجا جول مضروبة بسبع مليارات شخص، وتصبح بذلك الطاقة الإجمالية 2.8 x 1018 ، أو 8 بيتاواط – ساعة. وهذا الإجمالي يمثل خمسة بالمئة فقط مـــن استهلاك الطاقة السنوي للعالم أجمع. رقم كبير بالفعل لكنه ليس بالمستحيل.

هذا ليس إلا قيمة صغيرة لا تأخذ بعين الاعتبار عوامل كثيرة. عملياً، يعتمد كل شيء على طرق النقل. لذلك إذا ما كنا نستخدم الصواريخ كوسيلة للنقل، سوف نستهلك طاقة أكبر، وهذا بسبب مشكلة جوهرية مع الصواريخ: يجب عليها أن تحمل أيضا وزن وقودها.

لنعد مرة أخرى إلى ال 90 كيلوغرامٍ مـــن الوقود (تقريباً 30 جالون) ، لأن هذه الكمية تعالج المشكلة المركزية فـــي الرحلات الفضائية، فإذا ما أردنا أن نطلق سفينة تزن 65 كيلوغرام، نحتاج عندها إلى حرق 90 كيلوغرام مـــن الوقود، ثم نحمل هذا الوقود إلى منصته – والآن أصبحت سفينتنا الفضائية تزن 155 كيلوغرام!، وسفينة بهذا الوزن تتطلب 215 كيلوغرام مـــن الوقود، لذلك سنضطر حينها لحمل 125 كيلوغرامًا أخرى إلى المنصة وهكذا دواليك …

لحسن الحظ، يمكننا إنقاذ أنفسنا مـــن هذه الحلقة المفرغة – التي نستمر بالالتفاف حولها عندما نضيف 1.3 كليوجرام لكل 1 كيلوجرام- ، مـــن منطلق أنه ليس علينا حمل هذا الوقود طول الطريق، لأننا سنستمر بحرقه كلما صعدنا أكثر، فيقل عندها وزننا تدريجاً، مما يعني أننا سنحتاج وقودًا أقل، لكن لا يزال يجب علينا حمل هذا الوقود لجزء كبير مـــن طريقنا نحو الخارج. تعطى الصيغة الرياضية لكمية الوقود التي نحتاج أن نحرقها حتى نتحرك حسب سرعة معطاة مـــن خلال معادلة الصاروخ لتسيولكوفسي :

(Δv = vexhaust ln(mstartmend

(mstart و mfinish) تمثلان الكتلة الكلية قبل وبعد الاحتراق، و (vexhaust) سرعة الاستهلاك للوقود وتتراوح أوضح 2.4 إلى 4.5 كيلومتر فـــي الثانية لوقود الصواريخ.

ما يهمنا هنا هي النسبة أوضح Δv و vexhaust ، أي السرعة التي نريد الذهاب بها مقارنة مع سرعة استهلاك الوقود فـــي صاروخنا. لذا فإن كيلوغرامات الوقود المطلوبة لكل كيلوغرام مـــن وزن السفينة يساوي ( eالنسبة بينهما )، هذا الرقم يزداد بسرعة، حتى نغادر الأرض سنحتاج Δv = 13 كيلومتر لكل ثانية ، وباحتساب قيمة 4.5 ل vexhaust ، فإن ناتج هذه النسبة يساوي فـــي أقل التقديرات e134.5≈20 .

ما نريده هو التغلب على جاذبية الأرض باستخدام وقود صاروخ تقليدي، ونستنتج مـــن حساباتنا أن سفينة فضائية تزن طناً واحداً تحتاج 50 طناً مـــن الوقود، وبناءً على ذلك فإن نقل البشرية بأكملها (الوزن الكلي = 400 مليون طن تقريبي) سوف يتطلب منا عشرات التريليونات مـــن أطنان الوقود. إنها لكمية هائلة! ، وإذا كنا نستخدم وقود هيدروكربوني، عندها ستمثل الكمية قسماً لا يستهان به مـــن مصادر النفط الطبيعية المتبقية. هذا ونحن لا نزال لم نعط اعتبارًا لعوامل أخرى كوزن السفينة نفسها والماء والغذاء والحيوانات الأليفة ، كما نحتاج أيضاً إلى وقود لإنتاج وصناعة جميع هذه السفن، وأيضاً لنقل جميع الأشخاص إلى أماكن الإطلاق، وهكذا. ليس هذا الأمر مستحيلاً بالكامل، لكن بالتأكيد كل هذا سيكون خارج نطاق الممكن.

ليست الصواريخ خيارنا الوحيد، وبقدر ما تعتبر هذه الفكرة مجنونة، فلا تزال هناك خيارات وأفكار أكثر تطرفاً وأسهل تنفيذاً :

(1) التسلق بالمعنى الحرفي إلى الفضاء باستخدام حبل.
(2) تفجير أنفسنا بعيداً عن الكوكب باستخدام أسلحة نووية.

هذه أفكار جدية، وبقدر جرأتها فإن كلا الفكرتين كانتا تتبادران للذهن منذ بداية عصر استكشاف الفضاء.

a3

الفكرة الأولى تتجسد فـــي مفهوم “المصعد الفضائي”، فكرة مفضلة مـــن كتاب الخيال العلمي، الفكرة هي بـــأن نوصل حبلًا إلى قمر صناعي يدور فـــي مدارٍ بعيد بشكل كافٍ ليجعل الحبل مشدوداً بفعل قوة الطرد المركزية. عندها سنتمكن مـــن إرسال المتسلقين خلال الحبل باستعمال الكهرباء ومحركات تعمل على الطاقة الشمسية، والمولدات النووية، وأي خيار يعمل بأفضل الظروف الممكنة. أكبر عقبة هندسية هي أن الحبل يجب عليه أن يكون أقوى بمرات عديدة مـــن أي حبل موجود اليوم، وهناك مواد ال (carbon nanotube) قد تزودنا بالقوة المطلوبة، مضافة على قائمة العقبات الهندسية الأخرى .

الفكرة الثانية هي الدفع النووي، وهي طريقة معقولة . نعم إنها معقولة فباستطاعتنا أن نجعل كمية هائلة مـــن المواد تتحرك بسرعة فائقة. والفكرة الأساسية فيها هي رمي قنبلة نووية خلفك وركوب الموجة التصادمية الناتجة، قد تظن أن السفينة الفضائية ستتبخر، لكن إذا ما كانت مصممة بدرع قوي، فإن الصدمة ستقذف السفينة بعيداً قبل أن تسنح أي فرصة لتتأذى إذا ما صُنعت السفينة بفعالية، فإن هذا النظام سوف يصبح، ولو نظريًا، قادراً على رفع أحياء سكنية إلى المدار المطلوب، وبذلك يتحقق هدفنا المنشود.

كـــان المبدأ الهندسي خلف هذه الفكرة راسخاً فـــي ستينات القرن المنصرم. تحت إرشاد فريمان دايسون، حاولت الحكومة الأمريكية بناء واحدة مـــن تلك السفن، والمطالبون بهذا المشروع النووي أصيبوا بالاحباط لأن المشروع ألغي قبل أن يرى النور وقبل أن يتم بناء أي نماذج أولية. يجادل البعض أنه عندما تفكر بوضع ترسانة نووية فـــي صندوق، وقذفها إلى الغلاف الجوي، وتفجيرها نووياً، فإن هذه الفكر بحد ذاتها مرعبة.

فـــي النهاية إجابتنا على السؤال هي :

بينما يبدو أن إرسال شخص واحد إلى الفضاء أمر سهلاً، لكنّ نقل البشرية خارجاً فـــي الفضاء سوف يستهلك على الأرجح مصادرنا الطبيعية بالكامل، ويدمر كوكب الأرض.


ترجمة : قصي أبوشامة
المصدر

المصدر : انا اصدق العلم