الاستراتيجيات الجديدة في التعامل مع كوكب المريخ

قد يبدو جهاز استشعار ضوء الليزر الذي يمكنه التعرف على البكتيريا في الجرح بعيد المنال ، لكنه أصبح حقيقة واقعة ، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى برنامج استكشاف المريخ التابع لناسا. ستذهب هذه التقنية إلى المريخ لأول مرة في برنامج المثابرة ، والتي ستهبط على الكوكب الأحمر في فبراير ، لكنها تكتشف بالفعل وجود ملوثات في صناعة الأدوية ، ومعالجة مياه الصرف ، وعمليات مهمة أخرى على الأرض

هذه ليست التكنولوجيا الوحيدة المتوجهة إلى المريخ والتي تؤتي ثمارها بالفعل على الأرض. هنا على الأرض ، تعمل هذه الابتكارات أيضًا على تحسين تصنيع لوحات الدارات الكهربائية بل إنها أدت إلى تصميم خاص لقمة الحفر للجيولوجيين.

تعمل وكالة ناسا على استكشاف المريخ منذ الستينيات ، ودفعت حدود الابتكار للوصول إلى الكوكب الأحمر واكتشاف أسراره. غالبًا ما وجدت هذه التقنية الجديدة استخدامات أخرى هنا على الأرض أيضًا.

إعطاء الجيولوجيين استراحة

تعمل شركة Honeybee Robotics في مهام روبوتية إلى المريخ وأجسام كوكبية أخرى منذ التسعينيات ، بما في ذلك عدد من المشاريع الممولة من عقود أبحاث ابتكار الأعمال الصغيرة (SBIR) من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا. كانت إحدى المساهمات الرئيسية التي أتت من هذا العمل هي تقنية جمع العينات ، بما في ذلك لقمة الحفر لاستخراج قلب الصخور. نصف دزينة من قطع الحفر التي تم تطويرها من الأبحاث التي بدأت منذ أكثر من 20 عامًا أصبحت الآن في الفضاء لأول مرة ، وهي جاهزة للاستخدام في برج العربة الجوالة ، أو "اليد" ، في نهاية ذراعها الآلية.

على الأرض ، بعد حفر قلب بقطعة مجوفة ، يستخدم الجيولوجي عادة مفك براغي أو أداة أخرى لكسر العينة وسحبها للخارج. يمكن أن يؤدي هذا إلى عينة مجزأة أو حتى ملوثة. يتطلب الروبوت شيئًا مختلفًا.

توصلت شركة Honeybee التي تتخذ من نيويورك مقراً لها إلى أنبوب فصل متداخل داخل قطعة حفر. بعد حفر اللب ، يدور أنبوب الفصل بالنسبة إلى الريشة ، ويحول محوره المركزي وينفصل عن القلب. على عكس طرق الفصل الأخرى ، مثل الضغط على قاعدة اللب ، يطبق أنبوب الفصل ضغطًا على طول العينة ، مما يقلل من خطر التفتت.

قامت شركة Honeybee بتزويد المطاحن والمجارف وأنظمة أخذ العينات الأخرى التي حلقت في بعثات المريخ السابقة. هذه هي المرة الأولى التي تنتقل فيها تقنية بتات الحفر الخاصة بالشركة إلى المريخ ، لأنها المرة الأولى التي تخطط فيها ناسا لمهمة مستقبلية لإعادة عينات من سطح المريخ إلى الأرض. المثابرة ستجمع وتعبئ تلك العينات.

صممت شركة Honeybee Robotics مثقابها الدوار لجمع عينات الصخور على المريخ. يحتوي الإصدار الذي يطير على متن مركبة Perseverance على اختلافات رئيسية ، لكنهما يشتركان في تقنية جديدة لكسر العينات الأساسية ، والتي أتاحتها شركة Honeybee الآن للجيولوجيين على الأرض.

قال كيث روزيت ، الذي أدار نظام أخذ العينات والتخزين المؤقت للمركبة الجوالة لمختبر الدفع النفاث: "إنه الجزء الأساسي من مهمة عودة العينة". "لا يمكنك حقًا جمع عينة على المريخ إذا لم يكن لديك لقمة حفر يمكنها استعادتها."

قال روزيت إنه في حين أن الحصول على عينة من مركبة العودة إلى الوطن من المريخ سيشكل مجموعة من التحديات ، فإنه سيسمح للباحثين بإجراء اختبارات غير محدودة تقريبًا باستخدام مجموعة واسعة من الأدوات. "بدلاً من محاولة إحضار كل هذه الأدوات إلى المريخ ، فإن إعادة العينات أقل صعوبة بل وأكثر قيمة."

وفي الوقت نفسه ، قامت شركة Honeybee بتسويق أجزاء القطع الحاصلة على براءة اختراع في مجموعات أدوات الحفر للجيولوجيين على الأرض. قال كريس زاكني ، نائب رئيس شركة Honeybee ومدير تكنولوجيا الاستكشاف ، إنه يمكن استخدام البتات مع مثقاب قياسي ، مما يجعل التكنولوجيا سهلة وبأسعار معقولة.

وقال زاكني إن شركة Honeybee تجري أيضًا محادثات مع الشركات المهتمة باستخدام البتات في معالجة الكوارث النووية حيث من الخطير جدًا إرسال محققين بشريين. "إذا كانت هناك خزانات خرسانية تتسرب ، على سبيل المثال ، فيمكن للروبوتات الدخول وأخذ عينات للتحقق من مستويات الإشعاع."

ابتكر هذه التقنية توم ميريك ، كبير المهندسين في شركة Honeybee. قال زاكني: "كان توم سيفخر للغاية بأن اختراعه أحدث فرقًا في مهام الكواكب." 

فيديوهات منزلية من كوكب المريخ

لم يكن جمع العينات لإعادتها إلى الأرض هو الأول الوحيد الذي خطط له المهندسون من أجل المثابرة. لأول مرة ، أنشأت وكالة ناسا نظامًا يمكنه إرسال فيديو عالي الجودة لدخول المركبة وتسلسل هبوطها.

بينما أرسلت المركبة Curiosity سلسلة من الصور المضغوطة التي تُظهر سطح المريخ أثناء الهبوط ، تشتمل حزمة دخول ونزول وهبوط المثابرة على ست كاميرات عالية الدقة وميكروفون يهدف إلى التقاط كل دراما "سبع دقائق من الرعب" بين الاصطدام بالجو الخارجي واللمس. بالإضافة إلى مراقبة سطح الكوكب ، تم وضع الكاميرات لمراقبة المظلات وهي تتكشف وأيضًا لإلقاء نظرة على مرحلة الهبوط ولأسفل في العربة الجوالة باعتبارهما منفصلتين.

ما يشبه صورة لوحة الدوائر المطبوعة هو في الواقع محاكاة تم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر استنادًا إلى ملفات التصميم بمساعدة الكمبيوتر للوحة. طورت شركة Tempo Automation هذه القدرة على "محاكاة التصنيع" أثناء العمل على لوحة دائرة لنظام الكاميرات وميكروفون مصمم لتسجيل دخول الغلاف الجوي للمريخ.

مكونات الكاميرا هي نماذج جاهزة للاستخدام ، ولكن تم تصميم لوحة الدوائر التي تدير واجهتها وقوتها بواسطة JPL. ثم تم بناؤه بواسطة Tempo Automation ومقرها سان فرانسيسكو. تأسست في عام 2013 ، بعد أن أعلنت وكالة ناسا مباشرة عن مهمة المريخ 2020 ، استخدمت تيمبو العمل لتحسين عمليات التصنيع.

كما يوحي اسمها ، تركز Tempo Automation على الإنتاج السريع والآلي للوحات الدوائر المطبوعة ، حتى على دفعات صغيرة. تتمثل إحدى مجموعات الأدوات التي تقدمها الشركة لتحقيق هذه الغاية في عملية جعل كل مكون "قابلاً للتتبع" ، لتتبع من لمسه وما تم القيام به في كل مرحلة من عملية إنتاج مجلس الإدارة ، بالإضافة إلى مجموعة المكونات التي قطعة جاءت من. قال شاشانك سامالا ، أحد مؤسسي Tempo ، إن هذه المعلومات تجعل من السهل التركيز على سبب المشكلة ومعرفة المجالس الأخرى التي ربما تكون قد تأثرت.

لتلبية متطلبات التوثيق الصارمة لمختبر الدفع النفاث ، أضافت Tempo صور الأشعة السينية ، وبيانات النظافة الأيونية ، وبيانات من الفحص البصري الآلي لكل مكون ، وكلها أصبحت الآن جزءًا من الإجراء القياسي للشركة.

أداة فريدة من نوعها لـ Tempo هي ما تسميه محاكاة التصنيع - برنامج يترجم نموذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) إلى تمثيل واقعي لما ستبدو عليه اللوحة النهائية. قال سامالا إن فريقًا كان يصنع نماذج أولية للأداة عندما بدأ العمل في مختبر الدفع النفاث في أوائل عام 2018 ، وقد ساعدهم هذا العمل على إكمالها. ظهرت لأول مرة في العام التالي.

وقال إن المحاكاة تتيح للعملاء التحقق من تصميماتهم بحثًا عن أي مشكلات أو عيوب قبل بدء الإنتاج. "خطأ بسيط يمكن أن يكلف الكثير من المال والوقت."

بينما تم تصميمه لمساعدة العملاء على الانتهاء من تصميماتهم ، اكتشفت الشركة أنه كان مفيدًا داخليًا أيضًا. وأوضح سامالا أن عملية التصنيع يمكن أن تؤدي إلى تناقضات بين نموذج CAD الأصلي والمنتج النهائي. المحاكاة "بمثابة مصدر للحقيقة في المصنع ، لتوصيل نية المصمم. أول شيء ننظر إليه هو المحاكاة ".

وقال إن تسليم منتج يفي بمعايير ناسا ساعد الشركة على الدخول في العديد من أنظمة الفضاء الأخرى ، بما في ذلك الأقمار الصناعية والصواريخ.

وفي الوقت نفسه ، يتطلع كريس باسيت ، الذي صمم لوحة الدوائر في مختبر الدفع النفاث ، إلى اللحظة التي يتم فيها بث لقطات الكاميرا من المريخ بعد هبوط المثابرة في 18 فبراير 2021. "هذا بعيدًا جدًا عما نفعله عادةً ، إنه رائع- قال. "لا أطيق الانتظار لرؤية تلك الصور."

مسح الليزر فوق البنفسجي بحثًا عن أدلة كيميائية

هناك تقنية أخرى تعود جذورها إلى برنامج استكشاف المريخ التابع لناسا وهي تطير أيضًا لأول مرة على المثابرة ولديها العديد من التطبيقات المحتملة هنا على الأرض.

عندما أسس اثنان من الزملاء القدامى أنظمة الفوتون في عام 1997 ، أظهر البحث وعدًا لا يُصدق لمقاييس الطيف - الأجهزة التي تستخدم الضوء لتحديد تكوين العينة - التي تعمل بأطوال موجات فوق بنفسجية عميقة (UV). كان لها القدرة على تحديد البكتيريا أو اكتشاف حتى أدنى آثار كيميائية. لكن مصادر الضوء في نطاق 220 إلى 250 نانومتر كانت كبيرة جدًا وثقيلة وحساسة للتدخل البيئي ، وكان لها العديد من المشكلات الأخرى.

شرع William Hug و Ray Reid في تطوير مصدر ليزر الأشعة فوق البنفسجية العميقة المصغر وخفيف الوزن والمتين للتحليل الطيفي في هذا المجال. جاء أول استثمار خارجي لهم في عام 1998 من زوج من عقود SBIR مع JPL ، والتي كانت مهتمة بمقياس طيفي يمكنه اكتشاف الأحماض النووية والأمينية ، والمواد العضوية الأساسية لجميع أشكال الحياة المعروفة. منذ ذلك الحين ، تلقت شركة Covina ، ومقرها كاليفورنيا ، عددًا من أجهزة NASA SBIR ، معظمها مع JPL ، بالإضافة إلى تمويل من برامج NASA التي تهدف إلى تطوير أدوات لعلوم الكواكب والبيولوجيا الفلكية.

ستحصل وكالة الفضاء الآن على أول عوائد كبيرة على استثمارها الطويل في التكنولوجيا: المثابرة مجهزة بمسح البيئات الصالحة للسكن باستخدام أداة Raman و Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC) ، والتي تستخدم ليزر أنظمة الفوتون لاكتشاف الأدلة غير المرئية سابقًا. في بحثها عن علامات الحياة الماضية على المريخ. 

بينما لا يتوقع الفريق العثور على بكتيريا على سطح المريخ ، يمكن التعرف على المواد العضوية الموجودة في السطح القريب باستخدام SHERLOC. على الأرض ، يمكن استخدام نفس التقنية لتحديد المواد العضوية لمجموعة متنوعة من الأغراض الأخرى.

تتفاعل فوتونات الأشعة فوق البنفسجية العميقة بقوة مع العديد من المواد ، خاصة تلك التي تحتوي على جزيئات عضوية. ينتج عن هذا حساسية أعلى للكشف ودقة أكبر عند مقارنتها بمصادر الأشعة تحت الحمراء أو حتى مصادر الليزر ذات الضوء المرئي.

ساعد تمويل وكالة ناسا على مدار أكثر من 20 عامًا أنظمة فوتون في خفض تكلفة التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية العميقة (UV) وتقليصها إلى حجم محمول باليد. يطير أحد أجهزة الليزر للأشعة فوق البنفسجية العميقة للشركة إلى المريخ لأول مرة على متن بيرسفيرانس.

تم إجراء التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية العميقة في المعامل البحثية ، لكن Hug و Reid ابتكروا بنية أصغر بكثير وأبسط وأرخص في البناء من أي بديل موجود. تبدأ أشعة الليزر بالأشعة فوق البنفسجية العميقة من 100000 دولار. هذا هو سبب عدم استخدامها في الصناعة ، "قال هوغ ، مشيرًا إلى أن الأدوات المختبرية التي تستخدم التكنولوجيا قد تتطلب ثلاثة طاولات معملية وتستغرق إعدادها شهرًا.

كان أحد التحديات الرئيسية هو مستوى الكمال الذي تتطلبه التكنولوجيا. نفس الحساسيات التي تمكن الأطوال الموجية الصغيرة عالية الطاقة من اكتشاف حتى الفيروس تجعلهم عرضة لأدنى العيوب. يمكن أن يؤدي النقص المجهري في العدسة أو أي سطح آخر إلى تعطيلها أو تشتيتها ، وقال هوغ إنه حقق تقدمًا عبر العديد من الصناعات لتلبية المعايير اللازمة.

تركز أنظمة الفوتون على نوعين من التحليل الطيفي حيث توفر مصادر الليزر بالأشعة فوق البنفسجية العميقة مزايا رئيسية تفوق تقنية مقياس الطيف الطويل ، وستستخدم SHERLOC كليهما. يرصد التحليل الطيفي الفلوري الضوء الذي تصدره معظم المواد العضوية والعديد من المواد غير العضوية عند إثارة بعض الأطوال الموجية فوق البنفسجية ، تمامًا مثل المنظف المتوهج تحت الضوء الأسود. يصدر كل منها "بصمة" طيفية مميزة.

من ناحية أخرى ، يلاحظ مطياف رامان الضوء الذي يتشتت الجزيء ، والذي سيتحول بعضه إلى أطوال موجية مختلفة بسبب التفاعل مع اهتزازات الرابطة الجزيئية داخل العينة. يمكن استخدام هذه التحولات في الطول الموجي لتحديد المواد في العينة. تثير فوتونات ضوء الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة إشارة تشتت رامان أقوى بكثير من الجزيئات العضوية من الضوء ذي التردد المنخفض. ونظرًا لعدم وجود ضوء الأشعة فوق البنفسجية العميقة في التألق الطبيعي أو في ضوء الشمس ، فإن استخدام هذه الأطوال الموجية القصيرة جدًا يزيل مصادر التداخل.

في السنوات الأخيرة ، بدأت الشركة في تطوير التكنولوجيا إلى منتجات ، بما في ذلك أجهزة الاستشعار المحمولة والأجهزة التي تراقب التعرض الشخصي للملوثات ، بالإضافة إلى معدات المختبرات. قال هوغ إن أكبر أسواقهم الآن في الصناعات الدوائية وتجهيز الأغذية ومعالجة مياه الصرف الصحي. يمكن للأشعة فوق البنفسجية العميقة تحديد وقياس مركبات معينة بتركيزات أقل بكثير من أي طريقة أخرى ، مما يوفر دقة غير مسبوقة في مراقبة الجودة ، سواء كان قياس المكونات النشطة في المستحضرات الصيدلانية أو ضمان نظافة الآلات والمرافق.

في معالجة مياه الصرف الصحي ، يمكن للتقنية تحديد الملوثات وقياسها ، مما يسمح للمشغل بتخصيص عملية المعالجة وتوفير الطاقة لتسريب الأوزون والتهوية. قال هوغ "بالنسبة لمحطة صغيرة لمعالجة مياه الصرف الصحي ، فإن النظام بأكمله يدفع عن نفسه في أقل من شهر".

أحد التطبيقات التي استثمر الجيش فيها هو التعرف على البكتيريا والفيروسات. إن معرفة البكتيريا الموجودة في الجرح ، على سبيل المثال ، سيساعد في تحديد المضاد الحيوي المناسب لعلاجه ، بدلاً من استخدام المضادات الحيوية واسعة النطاق التي قد تسبب مقاومة للأدوية.

كما أن التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية العميقة والسريع والميسور التكلفة يبشر بالخير للبحث الطبي ، من التشخيص إلى تحديد البروتينات والببتيدات والمواد البيولوجية الأخرى.

قال هوغ: "لقد كانت ناسا رفيقًا دائمًا في رحلتنا حتى الآن ، والليزر ليس سوى جزء من القصة". "إنها أيضًا أدوات Raman ذات الأشعة فوق البنفسجية العميقة وأدوات التألق التي أنشأناها لوكالة ناسا ووزارة الدفاع على مر السنين والتي تقدم الآن اختراقات للأدوية ومياه الصرف وجودة المياه بشكل عام ، والآن الاختبارات السريرية للفيروسات." 

قال لوثر بيغل ، الباحث الرئيسي في شيرلوك في مختبر الدفع النفاث ، إن على المريخ ، ستبحث شيرلوك عن المواد العضوية وتحلل المعادن المحيطة بأي علامات محتملة للحياة حتى يتمكن الباحثون من فهم سياقها. سيوفر هذا مزيدًا من التفاصيل حول تاريخ المريخ ويساعد أيضًا في تحديد عينات للعودة إلى الأرض. ستكون الأداة ، التي تشتمل أيضًا على كاميرا قادرة على التصوير المجهري ، قادرة على تحديد التركيب المعدني والعضوي للصخور بتفاصيل عالية ، مما يوفر الكثير من البيانات المهمة.

قال بيجل: "سنجري قياسًا جديدًا للعلامة التجارية على المريخ". "هذا شيء لم تتم تجربته من قبل. نعتقد أننا سنقوم حقًا بتحريك الإبرة في علم المريخ والعثور على بعض العينات الرائعة لإعادتها ".

لدى ناسا تاريخ طويل في نقل التكنولوجيا إلى القطاع الخاص . يقدم منشور Spinoff للوكالة لمحة عن تقنيات ناسا التي تحولت إلى منتجات وخدمات تجارية ، مما يدل على الفوائد الأوسع لاستثمارات أمريكا في برنامجها الفضائي. Spinoff هو منشور لبرنامج نقل التكنولوجيا في إدارة مهام تكنولوجيا الفضاء التابعة لناسا.

مصدر: وكالة ناسا الفضائية الامريكية

الترجمة: فريق الجيوستراتيجي