برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
اختراعات علمی: علی پوراحمد | طبقه بندی: اختراعات جدید در ایران و جهان | دسته: اختراعات ثبت شده در ایران و جهان
بالن فشار بالا (فشار صفر ناسا) Stratostats Balloon با طراحی جدید و قابلیت ضد گرمای نور خورشید
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ مقدمه و اهداف:
در این مقاله بطور مختصر به بررسی اختراع سیستم ضد کاهش ارتفاع در بالن جدید "فشار صفر" حمل ماهواره و تجهیزات فضایی به لایه استراتوسفر زمین میپردازیم.
حمل تجهیزات تحقیقاتی و مخابراتی به جو زمین یکی از چالش های پر هزینه و زمانبر سازمان های بزرگ فضایی مثل ناسا است. هزینه های بسیار بالای هر پرتاب موشک ماهواره بر باعث شده که از چندین دهه گذشته این سازمان برای مقاصد تحقیقاتی و هواشناسی که مرتبط با لایه استراتوسفر است از بالن های فشار بالا ( یا فشار صفر) استفاده نماید. بالونهای ارتفاع بالا یا استراتوستاتها Stratostats بالنهایی با تحمل فشار جوی بالا هستند که می توانند با عبور از لایه تروپوسفر به لایه استراتوسفر رسیده و در میانه ارتفاع استراتوسفر و جایی که بعنوان محدوده مدار پایین زمین (LEO) Low Earth Orbit شناخته میشود انجام ماموریت نمایند.
محدوده لایه تروپوسفر از سطح زمین تا ارتفاع 12 کیلومتری و لایه استراتوسفر از 12 کیلومتری تا ارتفاع 50 کیلومتری تعیین شده است حال آنکه بالن های ارتفاع بالای ناسا برای رسیدن به ارتفاعات بالاتر مدار LEO دچار محدودیت هستند. طبق اظهار گابریل گارد، رئیس دفتر برنامه بالن ناسا در مرکز پرواز والوپس در ویرجینیا, پرواز بالن فشار بالای تحقیقاتی ناسا که در 21 آوریل 2025 از نیوزلند شروع شد و پس از گذشت ۱۷ روز و ۱۳ ساعت و ۴۷ دقیقه پرواز در باند عرض جغرافیایی میانی نیمکره جنوبی، در ۴ مه مجبور به پایان دادن زود هنگام این ماموریت شد. ناسا این بالن را در اقیانوس آرام، حدود ۸۱۳ مایلی شرق نیوزیلند به آرامی به زمین بازگردانید. حال باید ببینیم چه مشکلی منجر به عدم ادامه ماموریت این بالن فشار صفر شده بود.
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در حقیقت, تغییرات ناشی از انبساط گاز هلیم و نشت آن بدلیل افزایش دمای پوسته بالن توسط تابش نور خورشید در روز و مجددا کاهش حجم گاز هلیوم با سرد شدن و انقباض آن در شب عامل اصلی کاهش مداوم ارتفاع این بالن بوده است. طبق گفته گابریل گارد در روز دهم ماموریت تقریبا تمام بالاست (ماسه) صرف مدیریت پایداری ارتفاع بالن شده بود و علیرغم رها سازی تمام بالاست برای سبک سازی بالن, اما همچنان کاهش ارتفاع به سرعت در حال رخ دادن بود. هر چند در ابتدا برنامه ریزی ناسا برای انجام یک ماموریت چندین ماهه تا مرز رسیدن به صد روز پرواز بوده است اما این کاهش ارتفاع ناخواسته چالش ها و مشکلات غیر قابل پیش بینی را بوجود آورد. بنابراین برای جلوگیری از وقوع ریسک عمومی ناشی از فرود مخاطره آمیز, ناسا پایان زود هنگام این ماموریت را در روز هفدهم اعلام کرد.
هر چند بالن های ارتفاع بالای ناسا به رکوردهای بالاتری نظیر 46 روز و یا 32 روز در قبل از پروازهای ابتدای 2025 دست یافته بودند اما در تمامی ماموریت های بالن فشار بالای ناسا یک چالش مشترک در پرواز وجود داشته است و آن کاهش ارتفاع زیاد (تا مرز ده کیلومتر) در طول شب بدلیل نشت گاز هلیوم در طول روز بوده است. تقریبا تمامی بالن های فشار صفر (Stratostats) در ارتفاعی بین 30 تا 36 کیلومتری زمین می توانند فقط برای یک هفته بدون کاهش ارتفاع باقی بمانند و پس از آن در طی دوره های شب دچار معضل کاهش ارتفاع می شوند.
علیرغم اینکه موفقیت های دستیابی به ارتفاعاتی نظیر 54 کیلومتری با ماندگاری بسیار کوتاهی در این ارتفاع توسط بالن فشار صفر BS 13-08 قبلا بدست آمده است اما صعود به ارتفاعات بالاتر استراتوسفر و یا ماندگاری بالن با زمانی بیشتر در لایه های جوی بالا یکی از محدودیتها و چالش های جدی این دسته از بالن ها است زیرا این بالن ها پس از گذشت چند روز بدلیل انبساط و انقباض هلیوم شروع به کاهش شدید ارتفاع می کنند. البته بسته به عرض جغرافیایی که بالن در آن پرواز می کند میزان کاهش ارتفاع نیز متغیر است, بعنوان مثال بالنهای با فشار صفر در خارج از عرضهای جغرافیایی میانه و نزدیک به مناطق قطبی خصوصا در فصول تابستان که پرتوها و تششعات خورشید می تواند در مدت زمان طولانی هلیوم را در حالت انبساط قرار دهد, دارای کاهش ارتفاع کمتری نسبت به عرض های جغرافیایی میانه هستند.
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در چنین شرایطی بدلیل مشکل کاهش ارتفاع بالن های استراتوستات ناسا و عدم قابلیت ماندگاری بالن بمدت طولانی در جو, معمولا سازمان های دولتی و شرکتهای خصوصی فضایی به سراغ راه حل جایگزین یعنی پرتاب موشک ماهواره بر می روند که آنهم بدلیل هزینه های بالای هر پرتاب موشک مدار پایین (LEO) به نسبت بودجه مصوب برای هر پروژه, مداومت در انجام پروژه های علمی و تحقیقاتی به آسانی میسر نمیشود زیرا نیازمند تهیه بودجه های بالایی برای هر پرتاب است. بعنوان مثال, اگر بخواهیم ارسال تجهیزاتی را که می توان با یک بالن فشار صفر انجام داد با یک موشک زیر مداری نظیر Sounding Rockets و New Shepard و یا Electron انجام دهیم باید از 1 تا 7 میلیون دلار در هر پرتاب هزینه نمائیم. حال اگر به سراغ موشک های قوی تر برای ارسال تجهیزات سنگین تر برویم هزینه ها بسیار بالاتر خواهد رفت, بعنوان مثال هزینه ارسال ۶۰۰۰ کیلوگرم بار با موشک فالکون ۹ بهمراه کپسول دراگون به ایستگاه فضایی بینالمللی ISS حدود ۱۴۰ میلیون دلار برآورد شده است.
در حقیقت چالش کاهش ارتفاع بالن های استراتوستات ناسا و عدم ماندگاری در ماموریت های بلند مدت بهمراه هزینه های بالای هر پرتاب موشک زیر مداری شرکت های فضایی باعث گشت که من ایده ساخت یک بالن بدون تاثیر پذیری از گرمای نور خورشید را خلق کنم تا ضمن نداشتن کاهش ارتفاع, توانایی ارسال محموله های سنگین بهمراه امکان حضور بلند مدت در فضا را داشته باشد. بعبارتی ایده من راه حل جایگزین استفاده از موشک های بالابر است تا بتوان ارسال محموله های فضایی را به مدار پایین (LEO) با هزینه و ریسک کمتری به انجام رسانید بدین صورت که ابتدا حجم بار کل به بخش های کوچکتر و کمتر تقسیم بندی می شود و سپس با افزایش دفعات پرواز با استفاده از بالن جدید مجهز به پنل های دفع کننده پرتوهای گرم خورشیدی, امکان ارسال کل تجهیزات با هزینه بسیار کمتر فراهم می گردد.
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ توضیحات فنی اختراع:
من اسم این بالن جدید را " بالن ارتفاع بالای ضد دما" گذاشتم زیرا با سیستمی که به این "بالن فشار صفر" اضافه کرده ام امکان نفوذ پذیری تابش های خورشیدی به پوسته بالن به صفر رسیده و بدلیل عدم جذب تابش های خورشیدی به درون مولکولهای گاز هلیوم, هیچگونه فعل و انفعال شیمیایی در جهت افزایش ارتعاش مولکول ها و انبساط حجم گاز هلیوم رخ نمی دهد که بالطبع فشاری به رگولاتور های کنترل کننده برای خروج اتوماتیک گاز و یا نشت ناخواسته آن نیز وارد نخواهد شد.
برای درک بهتر نحوه عملکرد این بالن جدید میبایست اشاره ای کوتاه به خصوصیات رفتاری مولکول های گاز هلیوم نمایم. هلیوم (He)، یکی از عناصر شیمیایی خنثی است که بیرنگ و بیبو بوده و دارای پایینترین نقطه جوش در میان سایر عناصر شیمیایی است و بلحاظ فراوانی در کل کیهان, مقام دوم را بعد از هیدروژن به خود اختصاص داده است. همین فراوانی و ارزانی موجب استفاده از هلیوم در کاربردهای صنعتی متنوعی نظیر دستگاههای خنک کننده راکتورهای هستهای و یا دستگاههای MRI شده است اما شاید یکی از پرکاربردترین استفاده ها از گاز هلیوم در صنایع هوانوردی و فضایی باشد زیرا در این صنایع از هلیوم برای متراکم کردن کیسه بالن های تحقیقاتی زیر مداری و مدار پایین (LEO) برای صعود به ارتفاعات بالا در جو استفاده میشود.
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
گاز هلیوم دارای خاصیت گرما پذیری بسیار بالایی است بشکلی که در دماهای متوسط نیز شروع به منبسط شدن می کند و در دماهای بالاتر سرعت واکنش شیمیایی آن افزایش می یابد. واکنش هلیوم به تغییرات دما بیشتر از سایر گازها است زیرا انرژی جنبشی مولکولهای هلیوم با تغییر دما به طور قابل توجهی تغییر می یابند و این تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی مولکول ها منجر به افزایش یا کاهش تراکم هلیوم (بسته به دمای محیط) میشود.
بعبارتی وقتی که کیسه متراکم از گاز هلیوم بالن به انتهای لایه تروپوسفر و ابتدای استراتوسفر می رسد بدلیل قرار گیری در معرض تابش مستقیم و بدون فیلتر تششعات خورشیدی دچار افزایش دما شده و میانگین انرژی جنبشی مولکولهای آن افزایش مییابد. این امر باعث میشود مولکولهای گاز بیشتر پخش شوند و حجم آنها در درون کیسه بالن افزایش یافته و نسبتاً بزرگتر شوند و با ادامه روند قرارگیری در معرض تابشهای خورشیدی, فرکانس برخورد بین مولکولهای گاز نیز افزایش مییابد که نهایتا منجر به افزایش فشار و نشت گاز از طریق رگولاتور های کنترل کننده شده و تبدیل به عاملی قوی برای کاهش ناخواسته ارتفاع می شود. در دوره زمانی شب که بالن در معرض نور خورشید قرار نمی گیرد و گرمایی نیز دریافت نمی کند عامل قبلی نشت در روز بعلاوه انقباض و متراکم شدن مولکولها در شب باعث کاهش بیشتر و سریعتر ارتفاع بالن های فعلی فشار صفر می شود.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
ایده ای که من برای جلوگیری از نفوذ نور و گرمای ناشی از جذب تابش های خورشیدی به درون مولکولهای هلیوم استفاده کردم اضافه کردن پنل های سبک منعکس کننده تششعات به یک نیمه از کیسه بالن است. در طراحی این پنل ها من از پارچه مخصوص Heat Reflective Fabrics با الیاف و پوشش تشکیل شده از مواد بازتابنده تابش حرارتی استفاده
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
مواد بکار رفته در الیاف این پارچه همچنین در برابر رطوبت و بیشتر حلال ها مقاوم است و می تواند با عملکردی طولانی مدت در برابر تخریب اشعه ماوراء بنفش و یا سایر تششعات الکترومغناطیسی خورشیدی با طول موج های متفاوت مقاومت کند. پارچه بازتابنده گرما (Heat Reflective Fabrics) بیش از 97% از هر نوع گرمای تابشی که با سطح آن برخورد کند را منعکس کرده و یک عایق بسیار عالی برای جلوگیری از نفوذ گرما محسوب میشود. این پارچه در دمای بالا با استفاده از ترکیب آرامید، کربن و سیلیس بعنوان مواد پایه با پوشش لایه آلومینیومی ساخته شده و استفاده های زیادی در صنایع فضایی دارد.
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
برای جلوگیری از افزایش وزن بالن من فقط در یک سمت نیمکره کیسه محتوی گاز هلیوم از پنل های بازتابنده گرما استفاده کردم. من این نیمکره را بشکلی طراحی کردم که یک فاصله 50 سانتیمتری با پوسته کیسه بوجود آید تا میزان نفوذ پذیری دما هم در حالت عادی و هم در تششعات مغناطیسی فوق قوی خورشیدی به صفر برسد. پنل های تر کیب شده با پارچه بازتابنده گرما بصورت صفحات چهار گوش پنجره ای به یکدیگر متصل و در امتداد محور بیرونی شعاع سازه بر روی یک میله دایره ای مستقر شده اند. این میله از جنس بسیار سبک و فوق مستحکم ترکیب تیتانیوم و آلومینیوم است که نمای بیرونی کیسه بالن را به دو بخش منطقه برخورد نور و منطقه قرار گرفته در سایه تقسیم می کند. همچنین تمامی تجهیزات مورد استفاده برای ارسال به فضا بر روی این میله دایره ای شکل نصب شده است و بعبارتی این میله, سازه اصلی برای اتصال تمام بخش های بالن به یکدیگر است.
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
چالش بعدی که چنین بالنی با آن روبرو خواهد شد چرخش قطعی بالن بر اثر نیروهای طبیعی نظیر باد یا اختلاف فشار و دما در حین صعود کردن است که منجر به جابجایی دو نیمکره ( نیمکره پنل بازتابنده گرما و نیمکره بدون پنل) خواهد گردید. همانگونه که در ویدیوی انتهای مقاله قابل مشاهده است من برای رفع این مشکل از 6 کنترل کننده بسیار سبک مجهز به دوربین نور یاب استفاده کردم. این دوربین های بسیار کوچک قابلیت دنبال کردن مداوم نور خورشید را داشته و با سیستم هوشمند به جعبه تولید فشار برای بالانس نگاه داشتن وضعیت بالن متصل هستند.
ردیابی نور در این سیستم بدین گونه است که با هر میزان انحراف در دریافت نور مستقیم خورشید سنسور الکتریکی دوربین ها پالس فعال سازی سیستم الکتریکی درون جعبه تولید فشار را ارسال می کند و جعبه فشار با دریافت این پیام و بمیزان انحراف بوجود آمده یک ضربه مکانیکی را در جهت مخالف نور وارد می کند تا بالن به وضعیت قبلی
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
این بالن با داشتن طراحی منحصر بفرد "سپر ضد گرمای خورشید" در دوره های شب یا روز دچار کاهش ارتفاع نمی شود و علاوه بر قابلیت رسیدن به ارتفاعات بالاتر لایه استراتوسفر امکان ماندگاری بیشتر برای انجام ماموریت های طولانی تر را نیز در این
◉ اختراع: بالن فشار صفر ضد گرمای نور خورشید
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
من ایده اولیه این طرح را فقط با استفاده از کیسه بازتابنده گرما بدون سیستم جهت یاب نوری خلق کرده بودم که بلحاظ کاهش وزن, کنترل بهتر چرخش بالن و نیز اتصال بیشتر تجهیزات ماهواره ای به سازه بالن, سیستم کنترل کننده جهت را به آن اضافه کردم. هر کدام از این دو طرح قابلیت اجرای دقیق را دارند و یقیننا می توانند جایگزین مناسب تری برای بالن های فشار صفر فعلی باشند.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر را داشته و با تجاری سازی آن می توان ضمن کاهش چشمگیر هزینه های پرتاب های فضایی, تعدد ماموریت های فضایی را افزایش داده و به گسترش بیشتر تحقیقات علمی مرتبط با فضا کمک کنیم.
پایان مقاله//
◉ ویدیوی بالن فشار صفر با قابلیت ضد گرمای نور خورشید / از دسته «اختراعات علی پوراحمد
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
سایر مقالات علی پوراحمد :
◉ آیا هوش مصنوعی میتواند خالق هنر و جایگزینی برای هنرمند و خلاقیت انسانی باشد؟
◉ چرا در سینمای ایران ژانر علمی تخیلی وجود ندارد!
◉ عوامل تاثیر گذار در خلق اختراعات, چگونه میتوانیم یک مخترع شویم!
◉ آیا خدا وجود دارد؟ آیا وجدان می تواند جایگزین خدا شود؟
تبلیغات
