يمكن أن يكون القمر الصناعي الذي صنعه الطلاب بقيمة 10000 دولار هو مستقبل استكشاف الفضاء

فاز فريق من طلاب جامعة براون بمعرض Gizmodo للعلوم لعام 2024 لإظهار نهج مبتكر وفعال من حيث التكلفة لتصميم الأقمار الصناعية.

عادة ما يستغرق بناء وإطلاق قمر صناعي من خمس إلى ست سنوات، ناهيك عن ملايين الدولارات. أثبت الطلاب في جامعة براون في رود آيلاند أن هذا لا يجب أن يكون هو الحال دائمًا، حيث أكملوا مهمة قمر صناعي مدتها 445 يومًا في أغسطس 2023. ونجحوا في بناء وإطلاق واختبار قمر صناعي وظيفي باستخدام مكونات جاهزة و3D- الأجزاء المطبوعة، كل ذلك في غضون عام وبميزانية محدودة، مما يُظهر إمكانية الوصول إلى الفضاء بأسعار معقولة وتكنولوجيا مسؤولة لإخراج الأرض من المدار.

السؤال

ما هو أرخص قمر صناعي يمكن بنائه باستخدام أسهل الأجزاء؟ وهل يمكن بناء وإطلاق مثل هذا القمر الصناعي، المجهز بشراع لتقليل النفايات الفضائية، في عام واحد فقط؟

النتائج

حقق فريق صغير من طلاب جامعة براون، يتألف من الخريجين والطلاب الجامعيين، إنجازًا كبيرًا في العام الماضي من خلال بناء قمر صناعي مكعب 3U فعال من حيث التكلفة بشكل لا يصدق يسمى SBUDNIC. تم إطلاق القمر الصناعي، وهو إشارة صفيقة إلى سبوتنيك واختصار للمشاركين في المشروع، إلى الفضاء على متن صاروخ SpaceX Falcon 9 في 25 مايو 2022، وقامت قاطرة فضائية D-Orbit بنقل الجهاز إلى مداره التشغيلي.

تبلغ تكلفة بناء القمر الصناعي 10000 دولار فقط، ويحتوي على مكونات جاهزة للاستخدام، مثل Arduino Uno، وأربع عشرات من بطاريات Energizer AA، وبعض أشرطة Kapton، وراديو هام، وإطار 3U متاح تجاريًا (يشير 3U إلى نوع من الأجهزة الصغيرة). القمر الصناعي الذي يتناسب مع عامل الشكل القياسي المكون من 3 وحدات مكعبة). كما تضمنت أيضًا العديد من الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد، وهو أمر غير طبيعي بالنسبة للأقمار الصناعية، بالإضافة إلى هيكل تم تصنيعه في ورشة الآلات.

وقال ديراج جانجيكونتا، مدير البرنامج الرئيسي: “إذا كنت تريد أن تفعل شيئًا ما، مثل إرسال شيء ما إلى الفضاء، فأنت لا تريد إعادة بناء العجلة”. “لست بحاجة إلى إعادة بناء جهاز الكمبيوتر أو إعادة بناء البطارية، أليس كذلك؟”

تم تقسيم فريق SBUDNIC إلى مجموعات، كل منها تتعامل مع جانب معين من القمر الصناعي: الهيكل، والتحكم في درجة الحرارة، والتتبع والاتصالات، وإمدادات الطاقة، وإدارة البيانات، والحمولة، ونظام الراديو، والتحكم في المدار. استخدمت SBUDNIC Arduino لتشغيل برنامج التحكم الخاص بها بطرق مختلفة في نفس الوقت، والتأكد من أنه يعمل بشكل صحيح.

دار القمر الصناعي حول الأرض لأكثر من عام، وعمل على ارتفاع 323 ميلاً (520 كيلومترًا)، وهو أعلى من محطة الفضاء الدولية. لم يتلق الفريق أي صور أو قياس عن بعد من القمر الصناعي، الأمر الذي كان بمثابة خيبة أمل كبيرة، لكن SBUDNIC تجاوز التوقعات عندما يتعلق الأمر بنظام التحكم في الارتفاع والمدار. ولهذا السبب، قام الفريق بإنشاء شراع سحب من شريط Kapton العادي، وقد عمل بشكل جيد للغاية، مما أدى إلى خفض المكعبات بشكل أسرع بكثير مما كان متوقعًا.

لماذا فعلوا ذلك

قام قمر صناعي مبكر من الجامعة، يسمى EQUiSat، بـ 14000 دورة حول الأرض قبل أن يعود إلى الغلاف الجوي قبل أربع سنوات؛ الفرق بين الاثنين هو أن SBUDNIC تم تصنيعه بالكامل تقريبًا من مواد غير مخصصة للاستخدام في الفضاء. بالنسبة لهذا المشروع الأخير، كان الفريق يطمح إلى تحقيق واحدة من أسرع التطورات التخطيطية للإطلاق للقمر الصناعي 3U cubesat.

وقالت سيليا جيندال، إحدى قادة المشروع، إن العديد من التحديات التي تمت مواجهتها أثناء التطوير كانت مماثلة لتلك التي أحدثها جائحة كوفيد-19. واجهت العديد من الصناعات سلاسل التوريد المعطلة والاضطرابات الكاملة، مما أدى إلى الاعتماد الكبير على العمليات عبر الإنترنت. وفي الوقت نفسه، من الواضح أننا نعيش في عصر المليارديرات المتحمسين للفضاء. وتساءلت جندال وزملاؤها: “هل الفضاء شيء يمكننا الوصول إليه، وإذا كان الأمر كذلك فكيف، كيف يمكننا القيام بذلك في مواجهة كل هذا النقص؟” قالت. “هل يمكن لأي شخص الوصول إلى الفضاء باعتباره غير ملياردير، أو كشخص لا يستطيع الوصول إلى الناتج المحلي الإجمالي كما تفعل وكالة ناسا مع الولايات المتحدة؟ وهل يمكن للاعبين الصغار حقًا أن يشاركوا في اللعبة، وإذا استطاعوا، فكيف يمكنهم فعل ذلك؟

وبناءً على ذلك، سعى الفريق إلى عرض طريقة عملية وفعالة من حيث التكلفة للوصول إلى الفضاء، ولم يكتفوا بالتوقف عند هذا الحد، بل أظهروا طريقة لتقليل الحطام الفضائي.

لماذا هم الفائز

قام فريق SBUDNIC بتصميم وبناء قمر صناعي في غضون عام واحد واختبر تقنية السحب الشراعي. كما أنهم يستحقون الثناء لجعل التصميم مفتوح المصدر: “لذا، إذا أراد أي شخص الخروج وبناء SBUDNIC 2.0 أو أي شيء يمكنه ذلك، فهذه هي النقطة”، قال ماركو كروس، كبير مهندسي المشروع. “لقد شقنا الطريق عبر الثلج حتى يتمكن شخص آخر من السير على الخط بشكل أسهل قليلاً مما فعلنا، وهو ما كان هدفنا منذ البداية.”

تعد تقنية السحب الشراعي عنصرًا حاسمًا في المركبات الفضائية في الوقت الذي يسعى فيه المجتمع العالمي إلى تقليل كمية الأشياء غير المفيدة في المدار؛ وفقًا لوكالة ناسا، هناك أكثر من 25000 جسم أكبر من 4 بوصات (10 سم) تتجول الآن فوق الأرض. غالبًا ما يستغرق سقوط قمر صناعي ميت إلى الغلاف الجوي عقودًا من الزمن، لكن الأشرعة الشراعية لديها القدرة على تسريع هذه العملية بشكل كبير، مما يقلل من خطر الاصطدامات في المدار.

بدون ميزة الشراع، كان سيستغرق الأمر من SBUDNIC ما يقرب من 25 إلى 27 عامًا للخروج من المدار. لكن الشراع الذي تبلغ قيمته 40 دولارًا والمصنوع من فيلم Kapton polyimide، أدى إلى انخفاض كبير في هذا المبلغ. قام SBUDNIC بتقطيع الغبار الجوي في 8 أغسطس 2023، بعد 445 يومًا فقط في المدار. اعتقد الفريق أن الأمر سيستغرق ما بين ست إلى سبع سنوات حتى ينخفض.

لقد أجروا أيضًا الاختبار المطلوب واتبعوا جميع القواعد. على سبيل المثال، أجرى الفريق اختبارات الفراغ والاهتزاز واستخدم مصابيح تسخين الزواحف في غرفة مفرغة لاختبار الدرع الحراري الذي طوروه، والذي يحمي إلكترونيات القمر الصناعي من الإشعاع الشمسي. وأوضح جانجيكونتا أن المشروع “يتطلب من بعض الأشخاص العمل كثيرًا للوفاء بالمواعيد النهائية، لأن المعايير لا تتغير”، مشيراً إلى متطلبات التوثيق والاختبار. وأضاف: “كل هذه الأشياء هي نفسها بالنسبة للأقمار الصناعية الطلابية أو مشغلي الأقمار الصناعية الكبيرة بميزانيات تبلغ مليار دولار”.

ما هو التالي

والآن، يعتزمون تقديم النتائج التي توصلوا إليها في المؤتمرات، وتقديم البيانات إلى المنشورات، وتنظيم سلسلة من العروض التقديمية في المدارس في جميع أنحاء رود آيلاند.

وقال جانجيكونتا: “إننا نقوم حاليًا ببناء قاعدة بيانات مفتوحة المصدر لمواد مشروعنا”. “ما زلنا نقوم بالتعقيم ونضمن الموافقة على الإصدار العام. بمجرد توفرها، سيسمح هذا بالوصول المفتوح إلى بيانات الاختبار ورمز الأقمار الصناعية الخاصة بنا.

يساعد كروس الآن في تدريس الفصل الذي بدأ فيه كل شيء، حيث يساعد أستاذ جامعة براون ريك فليتر في الإدارة والتدريس. قال كروس إنه مستوحى من حقيقة أن العديد من الطلاب من هذا الفصل قد عملوا على مر السنين في مجال صناعة الفضاء.

الفريق

ال سبودنيك الفريق، تحت قيادة خريج براون ماركو كروس وعضو هيئة التدريس ريك فليتر، يتألف من حوالي 40 طالبًا جامعيًا وخريجًا من كلية الهندسة بجامعة براون، بما في ذلك مدير البرنامج الرئيسي ديراج جانجيكونتا ورئيس المشروع سيليا جندال. كان الفريق متنوعًا أكاديميًا، حيث كان نصف الطلاب تقريبًا من كلية الهندسة والباقي من مجموعة متنوعة من التخصصات بما في ذلك الاقتصاد والعلاقات الدولية والنحت. وُلدت SBUDNIC من فصل “تصميم أنظمة الفضاء” الخاص بـ Fleeter (ENGN1760)، وقد تلقت دعمًا كبيرًا من الرعاة والداعمين الرئيسيين مثل المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا، وD-Orbit، وAMSAT-Italy، وLa Sapienza-University of Rome. ومنحة رود آيلاند الفضائية التابعة لناسا.

انقر هنا لرؤية جميع الفائزين في معرض Gizmodo للعلوم لعام 2024.