انقر هنا لمشاهدة فيديو "ملخص مرئي" لهذا الاختراع.
اختراعات علي پور أحمد | التصنيف: اختراعات جديدة في العالم | ذات صلة: الاكتشافات العلمية والاختراعات التكنولوجية
تصميم جديد لبالون عالي الارتفاع (بالون ستراتوستاتس ذو الضغط الصفري التابع لوكالة ناسا) مع قدرة على مقاومة الحرارة الشمسية
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
◉ المقدمة والأهداف:
في هذه المقالة، نشرح بشكل موجز اختراع نظام مضاد للتباطؤ في "البالون الضغط الصفري" الجديد الذي يحمل الأقمار الصناعية والمعدات الفضائية إلى طبقة الستراتوسفير الأرضية.
يُعدّ نقل معدات البحث والاتصالات إلى الغلاف الجوي للأرض من أكثر التحديات تكلفةً واستهلاكًا للوقت بالنسبة لوكالات الفضاء الكبرى مثل ناسا. وتستخدم ناسا منذ عقود بالونات الضغط العالي (بدون ضغط) بدلًا من الصواريخ لأغراض البحث والأرصاد الجوية في طبقة الستراتوسفير، نظرًا للتكاليف الباهظة لإطلاق كل قمر صناعي. وتُعدّ بالونات الستراتوسترات عالية الارتفاع مركبات طيران عالية الضغط، يمكنها الوصول إلى طبقة الستراتوسفير عبر طبقة التروبوسفير وتنفيذ مهام في منتصفها، فيما يُعرف بالمدار الأرضي المنخفض (LEO).
تُعرَّف طبقة التروبوسفير بأنها المنطقة الممتدة من سطح الأرض إلى ارتفاع 12 كيلومترًا، وتُعرَّف طبقة الستراتوسفير بأنها المنطقة الممتدة من 12 كيلومترًا إلى 50 كيلومترًا، إلا أن قدرة بالونات ناسا عالية الارتفاع على الوصول إلى ارتفاعات مدار الأرض المنخفض (LEO) محدودة. ووفقًا لغابرييل غارد (رئيس مكتب برنامج البالونات التابع لناسا في منشأة والوبس للطيران التابعة للوكالة في فرجينيا)، فإن رحلة بالون ناسا البحثية عالية الضغط التي انطلقت من نيوزيلندا في 21 أبريل 2025، اضطرت إلى إنهاء مهمتها مبكرًا في 4 مايو بعد 17 يومًا و13 ساعة و47 دقيقة من الطيران في خطوط العرض الوسطى في نصف الكرة الجنوبي. هبطت ناسا بالبالون بسلام في المحيط الهادئ، على بُعد حوالي 813 ميلًا شرق نيوزيلندا. دعونا نلقي نظرة على ما حدث في مهمة بالون الضغط الصفري!
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
في الواقع، كانت التغيرات الناجمة عن تمدد غاز الهيليوم وتسربه بسبب زيادة درجة حرارة غلاف البالون بفعل ضوء الشمس أثناء النهار وانخفاض حجم غاز الهيليوم أثناء تبريده وانكماشه ليلًا هي العوامل الرئيسية في الانخفاض المستمر لارتفاع البالون. ووفقًا لغابرييل جارد، بحلول اليوم العاشر من المهمة، تم استخدام كل الصابورة (الرمل) تقريبًا للحفاظ على ارتفاع البالون، لكن فقدان الارتفاع كان لا يزال يحدث بسرعة على الرغم من إطلاق كل الصابورة لتخفيف البالون. كانت ناسا قد خططت في الأصل لمهمة تستمر لعدة أشهر، ربما تصل إلى 100 يوم من الطيران، لكن فقدان الارتفاع هذا قدم تحديات ومشاكل غير متوقعة. لذلك، لتجنب خطر الهبوط الاضطراري على الجمهور، أعلنت ناسا عن إنهاء مبكر للمهمة في اليوم السابع عشر.
على الرغم من أن مناطيد ناسا عالية الارتفاع قد حققت أرقامًا قياسية أعلى، مثل 46 يومًا أو 32 يومًا قبل رحلات أوائل عام 2025، إلا أن هناك تحديًا مشتركًا في جميع مهمات مناطيد ناسا عالية الارتفاع، وهو الهبوط الحاد (حتى 10 كيلومترات) ليلًا بسبب تسرب الهيليوم نهارًا. لا تستطيع معظم مناطيد الضغط الصفري (ستراتوستات) البقاء على ارتفاع يتراوح بين 30 و36 كيلومترًا فوق الأرض لمدة أسبوع تقريبًا دون هبوط، ولكن بعد ذلك، تعاني من فقدان الارتفاع ليلًا.
على الرغم من أن نجاح الوصول إلى ارتفاعات مثل 54 كم في مدة قصيرة جدًا على هذا الارتفاع قد تحقق من قبل بواسطة منطاد الضغط الصفري BS 13-08. ومع ذلك، فإن الصعود إلى ارتفاعات أعلى من طبقة الستراتوسفير أو البقاء في طبقات الغلاف الجوي العليا لفترة أطول هو أحد القيود والتحديات الخطيرة لهذه الفئة من البالونات لأن هذه البالونات تبدأ في فقدان ارتفاعها بشكل حاد بعد بضعة أيام بسبب تمدد وانكماش الهيليوم. بالطبع، يختلف معدل فقدان الارتفاع أيضًا حسب خط العرض الذي يطير فيه البالون. على سبيل المثال، فإن البالونات ذات الضغط الصفري خارج خطوط العرض الوسطى وبالقرب من المناطق القطبية، وخاصة في مواسم الصيف حيث يمكن لأشعة الشمس والإشعاع أن تضع الهيليوم في حالة من التمدد لفترة طويلة، يكون لها فقدان ارتفاع أقل من تلك الموجودة في خطوط العرض الوسطى.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
في مثل هذه الظروف، ونظرًا لمشكلة تقليل ارتفاع بالونات ستراتوستات التابعة لوكالة ناسا وعدم قدرتها على البقاء في الغلاف الجوي لفترة طويلة، تلجأ المنظمات الحكومية ووكالات الفضاء عادةً إلى حل بديل، وهو إطلاق صواريخ الأقمار الصناعية. ولكن، لا توجد إمكانية للاستمرار الدائم ومنخفض التكلفة للمشاريع العلمية والبحثية التي تستخدم إطلاق الصواريخ نظرًا للتكاليف الباهظة لكل إطلاق صاروخي في مدار منخفض (LEO). على سبيل المثال، إذا أردنا إرسال معدات يمكن حملها بواسطة منطاد بدون ضغط باستخدام صاروخ شبه مداري مثل Sounding Rockets أو New Shepard أو Electron، فسيتعين علينا إنفاق ما بين مليون وسبعة ملايين دولار لكل عملية إطلاق. أما الآن، فإذا اخترنا صواريخ أكثر قوة لإرسال معدات أثقل، فستكون التكاليف أعلى بكثير. على سبيل المثال، تُقدر تكلفة إرسال 6000 كيلوغرام من البضائع بصاروخ Falcon 9 وكبسولة Dragon إلى محطة الفضاء الدولية بحوالي 140 مليون دولار.
في الواقع، دفعني تحدي تقليل ارتفاع بالونات ستراتوستات التابعة لوكالة ناسا وعدم البقاء في مهام طويلة الأمد، إلى جانب التكاليف الباهظة لكل إطلاق صاروخي دون مداري من قِبل وكالات الفضاء، إلى ابتكار فكرة بناء منطاد لا يتأثر بحرارة الشمس، بحيث لا يفقد ارتفاعه، ولكنه سيكون قادرًا على إرسال حمولات ثقيلة والبقاء في الفضاء لفترة طويلة. بعبارة أخرى، فكرتي هي حل بديل لاستخدام صواريخ التعزيز لإرسال حمولات فضائية إلى مدار أرضي منخفض (LEO) بتكلفة ومخاطر أقل. وبهذه الطريقة، يتم أولاً تقسيم حجم الحمولة الإجمالي إلى أجزاء أصغر وأقل، ثم من خلال زيادة وتيرة الرحلات، من الممكن إرسال المعدات بأكملها بتكلفة أقل بكثير. بواسطة منطاد مزود بفكرتي، وهي عبارة عن طلاء يصد أشعة الشمس الساخنة.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
◉ الوصف الفني للاختراع:
لقد أطلقت على هذا البالون الجديد اسم "بالون الارتفاعات العالية المضاد للحرارة" لأنه مع النظام الذي أضفته إلى "بالون الضغط الصفري" هذا، فإن إمكانية اختراق الإشعاع الشمسي لغلاف البالون قد وصلت إلى الصفر لأن الإشعاع الشمسي لا يتم امتصاصه في جزيئات غاز الهيليوم وبالتالي، لا يحدث تفاعل كيميائي لزيادة اهتزاز الجزيئات وتوسيع حجم غاز الهيليوم، والذي بالطبع لا يضع ضغطًا على منظمات التحكم لإطلاق الغاز أو التسبب في تسرب غير مرغوب فيه.
لفهم آلية عمل هذا البالون الجديد بشكل أفضل، أودُّ أن أذكر بإيجاز الخصائص السلوكية لجزيئات غاز الهيليوم. الهيليوم (He) عنصر كيميائي متعادل، عديم اللون والرائحة، وله أدنى درجة غليان بين العناصر الكيميائية الأخرى، وهو أيضًا ثاني أكثر العناصر وفرةً في الكون بعد الهيدروجين. وقد أدت هذه الوفرة والرخص إلى استخدام الهيليوم في صناعات مختلفة، مثل أجهزة تبريد المفاعلات النووية أو أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، وغيرها. ومن أكثر استخدامات غاز الهيليوم شيوعًا صناعة الطيران، حيث يُستخدم الهيليوم لنفخ غلاف بالونات الأبحاث دون المدارية والمدارات الأرضية المنخفضة (LEO) للصعود إلى ارتفاعات عالية في الغلاف الجوي.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
يتمتع غاز الهيليوم بموصلية حرارية عالية جدًا، مما يجعله يتمدد حتى في درجات الحرارة المعتدلة، ويزداد معدل تفاعله الكيميائي عند ارتفاع درجات الحرارة. يتفاعل الهيليوم مع تغيرات درجة الحرارة أكثر من الغازات الأخرى، لأن الطاقة الحركية لجزيئاته تتغير بشكل كبير مع تغير درجة الحرارة، وهذا التغير في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات يؤدي إلى زيادة أو نقصان في كثافة الهيليوم (حسب درجة الحرارة المحيطة).
بمعنى آخر، عندما يصل غلاف غاز الهيليوم المضغوط للبالون إلى نهاية طبقة التروبوسفير وبداية طبقة الستراتوسفير، فإنه يتعرض لزيادة في درجة الحرارة بسبب التعرض للإشعاع الشمسي المباشر غير المفلتر، ويزداد متوسط الطاقة الحركية لجزيئاته. يؤدي هذا إلى انتشار جزيئات الغاز بشكل أكبر وزيادة حجمها داخل غلاف البالون وتصبح أكبر نسبيًا. مع استمرار التعرض للإشعاع الشمسي، يزداد أيضًا تواتر الاصطدامات بين جزيئات الغاز. يؤدي هذا في النهاية إلى زيادة الضغط وتسرب الغاز من خلال منظمات التحكم، مما يصبح عاملاً قويًا في انخفاض الارتفاع غير المرغوب فيه. خلال فترة الليل، عندما لا يتعرض غلاف البالون لأشعة الشمس ولا يتلقى الحرارة، تبدأ الجزيئات في الانكماش والتكثيف، مما يتسبب في انخفاض أكبر وأسرع في ارتفاع البالونات الحالية ذات الضغط الصفري.
◉انقر على أي من صور المعرض أدناه للتكبير:
الفكرة التي استخدمتها لمنع تغلغل حرارة أشعة الشمس في جزيئات الهيليوم هي إضافة ألواح عاكسة خفيفة الوزن إلى نصف غلاف البالون.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
تتميز ألياف هذا القماش بمقاومتها للرطوبة ومعظم المذيبات، كما أنها تتميز بأداء طويل الأمد ضد تلف الأشعة فوق البنفسجية أو غيرها من الإشعاعات الكهرومغناطيسية الشمسية ذات الأطوال الموجية المختلفة. تعكس هذه الأقمشة العاكسة للحرارة أكثر من 97% من أي حرارة مشعة تصل إلى سطحها، وهي عازل ممتاز يمنع تسرب الحرارة. يُصنع هذا القماش من مزيج من مواد أساسية تشمل: الأراميد، والكربون، والسيليكا، مع طبقة من الألومنيوم. كما يُستخدم هذا النوع من القماش في صناعة الطيران والفضاء.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
لمنع زيادة وزن البالون، استخدمتُ ألواحًا عاكسة للحرارة على جانب واحد فقط من نصف كرة البالون. صممتُ هذا النصف بحيث تكون المسافة بينه وبين غلافه 50 سنتيمترًا، بحيث تصل نفاذية الحرارة إلى الصفر في الظروف العادية وفي ظل الإشعاع المغناطيسي الشمسي القوي. الألواح، المغطاة بنسيج عاكس للحرارة، متصلة ببعضها البعض على شكل صفائح نافذة مستطيلة، ومثبتة على طول المحور الخارجي لنصف قطر الهيكل على قضيب دائري. هذا القضيب مصنوع من مادة خفيفة الوزن وقوية للغاية، مع مزيج من التيتانيوم والألمنيوم، يقسم السطح الخارجي لغلاف البالون إلى قسمين: منطقة الضوء ومنطقة الظل. كما أن جميع المعدات المستخدمة في الإرسال إلى الفضاء مثبتة على هذا القضيب الدائري. بمعنى آخر، هذا القضيب هو الهيكل الرئيسي لربط جميع أجزاء البالون ببعضها البعض.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
التحدي التالي الذي سيواجهه هذا المنطاد هو دورانه بسبب قوى طبيعية كالرياح والضغط واختلاف درجات الحرارة أثناء الصعود، مما سيؤدي إلى إزاحة نصفي الكرة الأرضية (النصف المزود بلوحة عاكسة للحرارة والنصف الخالي منها). وكما ترون في الفيديو في نهاية المقال، استخدمتُ ستة وحدات تحكم كهربائية خفيفة الوزن مزودة بكاميرات كاشفة للضوء لحل هذه المشكلة. هذه الكاميرات الصغيرة قادرة على تتبع ضوء الشمس باستمرار، وهي متصلة بصندوق مشغل كهربائي مزود بنظام ذكي للحفاظ على توازن المنطاد.
إن تتبع الضوء في هذا النظام هو بحيث أنه مع أي انحراف في ضوء الشمس المباشر، يقوم المستشعر الكهربائي للكاميرات بإرسال نبضة لتنشيط النظام الكهربائي داخل صندوق المحرك ويقوم المحرك الكهربائي، عند تلقي هذه الرسالة ومقدار الانحراف، بتطبيق صدمة ميكانيكية في الاتجاه المعاكس للضوء لإعادة البالون إلى موضعه السابق.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
هذا البالون، بتصميمه الفريد من نوعه "درع الحرارة الشمسية"، لا يفقد ارتفاعه أثناء النهار أو الليل، وبالإضافة إلى قدرته على الوصول إلى ارتفاعات أعلى في طبقة الستراتوسفير، فإنه سيكون قادرًا أيضًا على البقاء في مهام أطول في هذه الطبقة.
◉ الاختراع: بالون بدون ضغط ضد حرارة أشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
كنتُ قد ابتكرتُ فكرة هذا التصميم في الأصل باستخدام غلاف عاكس للحرارة فقط دون نظام تشغيل تفاعلي مع الضوء، ولكن لتقليل الوزن، وتحسين التحكم في دوران البالون، وتحسين توصيل معدات القمر الصناعي بالهيكل، أضفتُ نظام تحكم في الاتجاه إلى فكرتي الأساسية. أيٌّ من هذين التصميمين ممكن، ويمكن أن يكون بلا شك بديلاً أفضل للبالونات الحالية عديمة الضغط.
وكما هو الحال مع الاختراعات الأخرى، يتمتع هذا الاختراع أيضًا بإمكانية التطوير والتحسين بشكل أكبر، ومن خلال تسويقه تجاريًا، يمكننا تقليل تكاليف إطلاق المركبات الفضائية بشكل كبير، وزيادة عدد البعثات الفضائية، والمساعدة في توسيع نطاق البحث العلمي المتعلق بالفضاء.
نهاية المقال//
◉ فيديو لبالون عالي الارتفاع (بالون بدون ضغط) ذو قدرة على مقاومة الحرارة الشمسية / التصنيف: "اختراعات علي پور أحمد"
◉ صانع الرسوم المتحركة لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ ملحن الموسيقى لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ الراوي: علي بورأحمد
◉ اللغة: الانجليزية
◉ الترجمة: لا يوجد
نبذة عن مخترع ومؤلف هذه المقالة:
◉ الاختراعات العلمية لعلي پورأحمد
◉ أفلام الخيال العلمي لعلي پورأحمد
◉ جوائز علي پور أحمد
◉ لوحات للفنان علي پورأحمد
◉ موسيقى علي بورأحمد الآلية
إعلان
