دیدبانی از سیارک‌های نزدیک زمین

دیدبان سیارک نزدیک زمین (Near-Earth Asteroid Scout) یا دیدبان NEA، یک فضاپیمای مینیاتوری، معروف به کیوب‌ست (CubeSat) است که تحت برنامه سیستم‌های کاوش پیشرفته ناسا طراحی شده. این کیوب‌ست در مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا در هانتس‌ویل آلاباما و آزمایشگاه پیشران جت ناسا در پاسادینای کالیفرنیا طراحی شده. ناسا دیدبان NEA را به عنوان یک بار ثانویه برای آرتمیس ۱ (Artemis I) انتخاب کرده ــ اولین تست جامع و بدون خدمه سامانه پرتاب فضایی (Space Launch System) و فضاپیمای اوریون (Orion). دیدبان NEA یک ماموریت شناسایی رباتیک است که از کنار یک سیارک به عنوان نماینده‌ای از سیارک‌های نزدیک زمین می‌گذرد و داده‌های مربوط به آن را بازمی‌گرداند؛ سیارک‌هایی که شاید روزی یکی از مقاصد انسان باشند.

کیوب‌ست‌ها

کیوب‌ست‌ها فضاپیماهایی مینیاتوری هستند با پتانسیل‌های زیاد برای پژوهش‌های علمی در فضا، کاوش، حمایت مهندسی، مشاهده زمین و تقویت ارتباطات. کیوب‌ست‌ها علاوه بر کارایی، هزینه پایین و سازگاری با بارهای بزرگتر، فرصت‌هایی نیز برای افزایش بازده علمی و حمایت عملیاتی ماموریت‌های بزرگتر ارائه می‌دهند.

دیدبان NEA ــ که تقریبا به اندازه یک جعبه کفش بزرگ است ــ با یک بادبان خورشیدی به مساحت ۸۶ متر مربع رانده می‌شود. این کیوب‌ست پیشرفته که به یک دوربین مجهز است، عکس‌هایی می‌گیرد که در تعیین ویژگی‌های فیزیکی (شکل/حجم، ویژگی‌های گردش، میدان آوار/غبار و خصوصیات پوشش سنگی) یک سیارک نزدیک زمین به کار می‌آیند. این اولین کیوب‌ست بین سیاره‌ای است که با ترکیب قابلیت‌های اثبات شده بادبان‌های خورشیدی و نیازهای علمی، از یک سیارک نزدیک زمین تصویربرداری و مشخصات آن را تعیین می‌کند.

بادبان خورشیدی

دیدبان NEA یک بادبان بسیار نازک از جنس پلیمر با پوشش آلومینیوم دارد که بالای کیوب‌ست قرار می‌گیرد و با استفاده از پایه‌هایی از جنس آلیاژ فولاد ضد زنگ کنترل می‌شود. این بادبان آینه مانند از نور خورشید و انعکاس فوتون‌های خورشیدی (ذرات نوری که از سطح خورشید تشعشع می‌یابند) برای تولید نیروی رانش استفاده می‌کند. حرکت با استفاده از نور کارایی بسیار زیادی دارد و وسیله را قادر می‌سازد تا به طور نامحدود در فضا رانده شود، به مدارهای جدید برسد که رسیدن به آن‌ها با روش‌های دیگر ممکن نیست، و در مدارها باقی بماند. همچنین تغییر صفحه مداری با استفاده از نور خورشید کارایی بسیار بیشتری نسبت به پیشرانه‌های شیمیایی دارد. وسایلی که از بادبان‌های خورشیدی استفاده می‌کنند می‌توانند به سرعت‌های بسیار زیاد برسند و به سرعت به کاوش فضای خارج از منظومه شمسی بپردازند.

دیدبان NEA اولین ماموریت بین سیاره‌ای آمریکا است که در آن از پیشرانه بادبان خورشیدی استفاده می‌شود. پیش از این تست‌هایی از این پیشرانه در مدار زمین انجام شده بود و حالا این تکنولوژی به حدی پیشرفت کرده که بتوان از آن برای رسیدن به مکان‌های جدید و انجام پژوهش‌های علمی بهره برد.

ضخامت بادبان کیوب‌ست دیدبان NEA از تار موی انسان نیز نازک‌تر است و به اندازه مساحت یک زمین راکت‌بال باز می‌شود. این مساحت زیاد باعث می‌شود تا فوتون‌ها به آرامی، امابه طور دائم بادبان را به جلو برانند. این رانش دائم باعث می‌شود تا فضاپیما به طور تصاعدی شتاب بگیرد و با سرعت بسیار زیاد به سمت مقصد خود حرکت کند. در فضاپیماهایی به کوچکی دیدبان NEA امکان حمل سوخت‌های مرسوم موشک به مقدار زیاد وجود ندارد، در نتیجه بادبان‌های خورشیدی مزیت قابل توجهی پیدا می‌کنند.

همچنین دیدبان NEA سنگ بنایی در تکنولوژی بادبان‌های خورشیدی به شمار می‌رود. دانشمندان با استفاده از تجربه این ماموریت به بهبود تکنولوژی بادبان خورشیدی در ماموریت رزمناو خورشیدی (Solar Cruiser) می‌پردازند. این ماموریت منتخب ناسا در سال ۲۰۲۵ عازم خورشید می‌شود تا به مطالعه آن بپردازد و از یک بادبان خورشیدی با مساحتی ۱۶ برابر بزرگتر از بادبان دیدبان NEA بهره می‌برد.

مشخصات دیدبان NEA

علاوه بر بادبان‌های مذکور، دیدبان NEA به یک کیوب‌ست ۶ واحدی در یک محفظه با با ابعاد ۱۰ در ۲۰ در ۳۰ سانتی‌متر و به جرم ۱۴ کیلوگرم، یک سیستم رانشگر گاز سرد (برای چرخش، آغاز مانورهای ناگهانی لازم برای مسیرهای فرار، و مدیریت تکانه)، و اجزای تجاری خارج از محفظه مجهز است. با این که می‌توان در یک کیوب‌ست ۶ واحدی از سوخت پیشران شیمیایی متداول استفاده کرد، اما در این صورت تعداد اهداف و پنجره پرواز بسیار محدود می‌شود. پیشرانه بادبان خورشیدی این مزیت را دارد که در مسیر خود از اهداف بیشتری عبور کند و در هر پنجره زمانی دلخواه به فضا پرتاب شود.

چهار میله ۶/۸ متری بادبان خورشیدی را با ۸۵ متر مساحت و ۲/۵ میکرون ضخامت کنترل می‌کنند. مکانیسم باز شدن بادبان‌ها مشابه همان چیزی است که پیش از این در فضاپیماهای نانوسیل (Nanosail) و لایت‌سیل ۲ (LightSail 2) به کار رفته است. زمان لازم برای باز شدن کامل بادبان حدودا نیم ساعت خواهد بود.

ماژول تجهیرزات الکترونیکی (اویونیک) دیدبان NEA شامل بردهای مدار چاپی برای ارتباطات رادیویی، واحد توزیع قدرت، سیستم کنترل فرمان و داده، سنسورهای خورشید و یک ردیاب ستاره‌ای مینیاتوری است. این ماژول همچنین شامل چرخ‌های واکنش (Reaction Wheels) ــ ابزاری برای کنترل و تنظیم موقعیت فضاپیماهای بدون نیاز به راکت یا ابزار خارجی دیگر ــ باتری‌های لیتیومی و یک دوربین است. سیستم تنظیم حالت بادبان‌ها شامل سه زیرسیستم است: یک سیستم کنترل چرخ واکنش، یک سیستم کنترل واکنش، و یک سیستم مفسر جرم با قابلیت سازگاری.

وظیفه دیدبان NEA چیست؟

سیارک‌های نزدیک خورشید مقاصد مهمی برای کاوش، استخراج منابع در محل و پژوهش علمی در اعماق فضا هستند. برخی از سیارک‌های نزدیک زمین خطرات بالقوه‌ای برای زمین دارند، در نتیجه فهم ویژگی‌های آن‌ها می‌تواند ما را در توسعه استراتژی‌های مناسب برای کاهش خطرات بالقوه آن‌ها در برخوردهای احتمالی آینده یاری کند. شناسایی سیارک‌های نزدیک زمین به تدریج در دهه گذشته افزایش یافته و انتظار می‌رود این رشد ادامه پیدا کند.به این ترتیب فرصت‌های بیشتری برای مقاصد کاوش آینده فراهم می‌شود.

بسیاری از این اجرام به خاطر اندازه بسیار کوچک‌شان نمی‌توانند به طور جداگانه مورد مطالعه قرار بگیرند. در نتیجه برای فهم بهتر طبیعت آن‌ها نیاز به جمع‌آوری اطلاعات بیشتر داریم. دیدبان NEA با استفاده از یک دوربین رده علمی داده‌هایی را جمع‌آوری خواهد کرد که برای پر کردن شکاف‌های دانسته‌های ما درباره سیارک‌های نزدیک زمین مهم هستند. ناسا شکاف‌های دانش استراتژیک (Strategic Knowledge Gaps) یا SKGها را شناسایی می‌کند تا دانش مورد نیاز برای کاهش ریسک، افزایش کارایی و بهبود طراحی و عملیات ماموریت‌های کاوش فضای انسانی و رباتیک تعیین گردد. SKGها در تصمیم‌گیری آگاهانه برای استراتژی‌های پژوهشی و سرمایه‌گذاری و اولویت توسعه تکنولوژی برای کاوش‌های انسانی و رباتیک حائز اهمیت هستند. دیدبان NEA شکاف‌های دانش استراتژیک درباره ویژگی‌های فیزیکی سیارک‌های نزدیک زمین را پوشش خواهد داد؛ از جمله شکل و حجم، ویژگی‌های چرخش، آوار محلی و میدان غبار، ترکیب سطح و مدار. این داده‌ها دانش ما درباره کلاس سیارک‌های کوچک را ــ آن‌هایی که قطر کمتر از ۱۰۰ متر دارند ــ که پیش از این کاوش نشده‌اند، افزایش می‌دهد.

هدف دیدبان NEA

هدف اصلی و برنامه‌ریزی شده دیدبان NEA سیارک نزدیک زمین 1991VG است. این شیء در تاریخ ۶ نوامبر ۱۹۹۱ (۱۵ آبان ۱۳۷۰) اندکی پس از عبورش ازکنار زمین با فاصله تنها ۰/۰۰۳ واحد نجومی (۴۵۰ هزار کیلومتر) شناسایی شد و در آگوست ۲۰۱۷ به فاصله ۰/۰۶ واحد نجومی (۹ میلیون کیلومتر) زمین بازگشت. فاصله نزدیک و بازگشت دوباره این سیارک توجهات زیادی را به خود جلب کرد و این انتظار را ایجاد نمود که این مدار پایداری بلندمدت نخواهد داشت.

پس از پرواز از کنار 1991VG، در صورتی که سیستم دیدبان همچنان قابل استفاده باشد، ماموریت دیگری اجرا خواهد شد ــ احتمالا مشاهده یک سیارک دیگر یا بازدید از 1991VG به فاصله چند ماه. با این حال این که دیدبان NEA در وهله اول از این سیارک بازدید کند یا نه به تاریخ دقیق پرتاب ماموریت آرتمیس ۱ بستگی دارد.

نقش دیدبان NEA در ماموریت آرتمیس چیست؟

برنامه آرتمیس، برنامه هیجان‌انگیز جدیدی است که قصد دارد تا انسان‌ها را بار دیگر به سطح ماه باز گرداند. تا به امروز تنها ۱۲ انسان قدم روی ماه گذاشته‌اند، آن هم نیم قرن پیش. در برنامه آرتمیس، دولت ایالات متحده با صنایع خصوصی و شرکای بین‌المللی از دولت‌های دیگر همکاری می‌کند تا با استفاده از سامانه پرتاب فضایی و فضاپیمای اوریون یک مرد و اولین زن را به سطح ماه بفرستد. با این که این برنامه در دولت دانلد ترامپ کلید خورد، اما دولت جدید جو بایدن نیز رسما اعلام کرده که آن را ادامه خواهد داد.

دیدبان NEA یکی از دو کیوب‌ستی است که در ماموریت آرتمیس ۱ حضور دارند. این فضاپیما بعد از جدا شدن فضاپیمای اوریون از طبقه بالای راکت، از سیستم پرتاب فضایی راهی مقصد خود می‌شود. وقتی این کیوب‌ست به نزدیکی ماه می‌رسد، برای کالیبراسیون ابزارهای خود شروع به عکس‌برداری از ماه می‌کند. با این که رانشگرهای گاز سرد مانورهای پیشران اولیه را برای قرارگیری دیدبان در مسیر درست اجرا می‌کنند، در ادامه مسیر، بادبان‌های خورشیدی این کاوشگر فعال شده و نیروی پیشران گسترده‌تری را فراهم می‌کنند و کاوشگر پس از چند عبور دیگر از کنار ماه و تنظیم کامل، سفر ۲ تا ۲/۵ ساله خود به سمت سیارک هدف را آغاز می‌کند.

وقتی دیدبان NEA به مقصد خود برسد، تصاویری را از هدف خود می‌گیرد ــ از ۵۰ سانتی‌متر بر پیکسل تا ۱۰ سانتی‌متر بر پیکسل ــ که دانشمندان روی زمین از آن‌ها برای فهم بهتر آن شیء استفاده می‌کنند. خود فضاپیما تصاویر را پردازش می‌کند تا سایز آن‌ها کاهش یابد و زمان ارسال آن‌ها به زمین، از آنتن بهره متوسط فضاپیما به شبکه فضایی عمیق (Deep Space Network) روی زمین، به حداقل برسد. دیدبان NEA در زمان ملاقات با سیارک ۱۵۰ میلیون کیلومتر با زمین فاصله خواهد داشت.