جرار الجاذبية

الجرار الجاذبي مركبة فضائية نظرية قادرة على تغيير مسار جسم آخر في الفضاء، عادةً ما يكون كويكبًا خطيرًا قد يصطدم بالأرض، دون ملامسته فعليًا، مستخدمةً مجال جاذبيتها فقط لنقل الدفعة المطلوبة . ^{[ 1 ] [ 2 ]} على الرغم من صغر قوة جاذبية مركبة فضائية قريبة، إلا أنها قادرة على تغيير مسار كويكب أكبر بكثير إذا مكثت المركبة بالقرب منه لفترة كافية؛ كل ما هو مطلوب هو أن تدفع المركبة في اتجاه ثابت بالنسبة لمسار الكويكب، وألا تتلامس المركبة أو كتلة رد الفعل المنبعثة منها مع الكويكب بشكل مباشر. يمكن للمركبة الجرارة إما أن تحوم بالقرب من الجسم المراد تغيير مساره، أو أن تدور حوله، موجهةً عادمها عموديًا على مستوى المدار.

يتميز هذا المفهوم بميزتين رئيسيتين: الأولى، أنه لا حاجة لمعرفة أي شيء تقريبًا عن التركيب الميكانيكي وبنية الكويكب مسبقًا؛ والثانية، أن القوة الضئيلة نسبيًا المستخدمة تُمكّن من التحكم الدقيق للغاية في مدار الكويكب حول الشمس وتحديده . فبينما تتطلب طرق الانحراف الأخرى تحديد مركز كتلة الكويكب بدقة، وقد يتطلب الأمر جهدًا كبيرًا لإيقاف دورانه، فإن استخدام طريقة الجرّ يجعل هذه الاعتبارات غير ذات صلة.

تُثار عدة اعتبارات بشأن وسائل تجنب الاصطدام المدمر مع جسم كويكبي، في حال اكتشافه على مسار يُرجّح أن يؤدي إلى اصطدامه بالأرض في المستقبل. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في كيفية نقل الدفعة المطلوبة (والتي قد تكون كبيرة جدًا) إلى كويكب ذي كتلة وتركيب وقوة ميكانيكية غير معروفة، دون تحطيمه إلى شظايا، قد يُشكّل بعضها خطرًا على الأرض إذا تُرك في مدار تصادمي. يحلّ الجرار الجاذبي هذه المشكلة عن طريق تسريع الجسم تدريجيًا على مدى فترة زمنية طويلة، مستخدمًا كتلة المركبة الفضائية ومجال جاذبيتها لتوليد قوة الانحراف اللازمة. نظرًا لشمولية الجاذبية ، التي تؤثر على جميع الكتل بالتساوي، سيتسارع الكويكب بشكل شبه منتظم ككل، ولن تُسبب سوى قوى المد والجزر (التي يُفترض أن تكون ضئيلة للغاية) أي إجهادات على بنيته الداخلية.

ومن المزايا الأخرى أن جهاز الإرسال والاستقبال الموجود على المركبة الفضائية، من خلال المراقبة المستمرة لموقع وسرعة نظام الجر/الكويكب، يمكن أن يمكّن من معرفة مسار الكويكب بدقة بعد الانحراف، مما يضمن وضعه النهائي في مدار آمن. ^{[ 3 ]}

تشمل قيود مفهوم الجرار تصميم نظام العادم. ففي التصميم الأمثل للتحليق (أي توجيه العادم مباشرةً نحو الهدف لتحقيق أقصى قوة لكل وحدة وقود)، تصطدم كتلة رد الفعل المنبعثة بالهدف مباشرةً، مما يُولّد قوةً في الاتجاه المعاكس تمامًا لقوة جاذبية الجرار. ^{[ 4 ]} لذلك، سيكون من الضروري استخدام نظام الجرار المداري الموصوف أدناه، أو تصميم الجرار المُحلّق بحيث يكون عادمه موجهًا بزاوية طفيفة بعيدًا عن الهدف، مع الحفاظ على توجيهه "للأسفل" بما يكفي للحفاظ على تحليق ثابت. ^{[ 5 ]} يتطلب هذا قوة دفع أكبر، وبالتالي زيادة في استهلاك الوقود لكل متر في الثانية من التغير في سرعة الهدف.

أُثيرت مسائل تتعلق بتأثير قوة الدفع الأيوني على غبار الكويكبات، مما يشير إلى ضرورة النظر في وسائل بديلة للتحكم في موقع الجرار الجاذبي. وفي هذا الصدد، اقتُرحت الأشرعة الشمسية . ^{[ 6 ]}

بحسب راستي شويكارت ، فإن طريقة الجرّ الجاذبي مثيرة للجدل أيضاً، لأنه خلال عملية تغيير مسار الكويكب، ستنتقل النقطة على الأرض التي يُحتمل أن يصطدم بها تدريجياً عبر دول مختلفة. وهذا يعني أن التهديد الذي يواجه الكوكب بأكمله سيُقلل على حساب أمن بعض الدول. ويرى شويكارت أن اختيار طريقة "جرّ" الكويكب سيكون قراراً دبلوماسياً صعباً. ^{[ 7 ]}

إذا كان هناك جسم قريب من الأرض بحجم حوالي 100 متر وكتلة مليون طن متري يهدد بالاصطدام بالأرض، وكان تصحيح السرعة بمقدار 1  سنتيمتر في الثانية كافياً لوضعه في مدار آمن ومستقر، بعيدًا عن الأرض، فسيتعين تطبيق التصحيح على مدى 10 سنوات.

بناءً على هذه المعطيات، ستكون الدفعة المطلوبة: V  × M  = 0.01 م/ث  ×  10⁹ كجم = 10⁷ ^{نيوتن.ث ،}  وبالتالي فإن متوسط ​​قوة الجذب على الكويكب لمدة 10 سنوات (أي 3.156 × 10⁸ ^ثانية ) سيحتاج إلى حوالي 0.032 نيوتن . مركبة فضائية أيونية كهربائية ذات دفعة نوعية تبلغ 10,000 نيوتن.ث لكل كجم، ما يعادل سرعة شعاع أيوني تبلغ 10  كيلومترات في الثانية (أي حوالي 20 ضعف السرعة التي يتم الحصول عليها باستخدام أفضل الصواريخ الكيميائية)، ستحتاج إلى 1,000  كجم من كتلة التفاعل ( يُفضل استخدام الزينون حاليًا) لتوفير الدفعة. ستكون الطاقة الحركية للشعاع الأيوني حينها حوالي 158 واط؛ أما الطاقة الكهربائية الداخلة إلى محول الطاقة ومحرك الأيونات فستكون بالطبع أعلى بكثير. يجب أن تمتلك المركبة الفضائية كتلة كافية وأن تبقى قريبة بما يكفي من الكويكب بحيث تساوي أو تتجاوز مركبة متوسط ​​قوة الجاذبية المؤثرة على الكويكب في الاتجاه المطلوب 0.032 نيوتن. وبافتراض أن المركبة الفضائية تحوم فوق الكويكب على مسافة 200 متر من مركز كتلته، فإن ذلك يتطلب أن تكون كتلتها حوالي 20 طنًا متريًا، نظرًا لقوة الجاذبية التي...

${\displaystyle m_{2}={\frac {Fr^{2}}{Gm_{1}}}={\frac {0.032\ N\times (200\ m)^{2}}{6.674\times 10^{-11}\ N\!\cdot \!m^{2}\!\cdot \!kg^{-2}\times 10^{9}\ kg}}\approx 19200\ kg}$

عند النظر في مواقع التحليق أو المدارات المحتملة للجرار حول الكويكب، تجدر الإشارة إلى أنه إذا كان جسمان مرتبطين جاذبيًا في مدار مشترك، فإن تلقي أحدهما دفعةً عشوائيةً أقل من تلك اللازمة لتحريره من مداره حول الآخر، سيؤدي، بسبب قوى الجاذبية بينهما، إلى تغيير زخم كليهما، باعتبارهما نظامًا مركبًا. أي، طالما بقي الجرار في مدار مرتبط، فإن أي قوة دافعة تُطبق عليه ستنتقل فعليًا إلى الكويكب الذي يدور حوله. وهذا يتيح مجموعة واسعة من المدارات أو استراتيجيات التحليق للجرار. أحد الاحتمالات الواضحة هو أن تدور المركبة الفضائية حول الكويكب القريب من الأرض بحيث يكون العمودي على المدار في اتجاه القوة المطلوبة. عندئذٍ، سيتم توجيه شعاع الأيونات في الاتجاه المعاكس، عموديًا أيضًا على مستوى المدار. سيؤدي هذا إلى إزاحة مستوى المدار قليلًا عن مركز الكويكب، "لسحبه"، بينما تظل السرعة المدارية، العمودية على قوة الدفع، ثابتة. ستكون الفترة المدارية بضع ساعات، وهي مستقلة بشكل أساسي عن الحجم، ولكنها تعتمد بشكل ضعيف على كثافة الجسم المستهدف.

قد تختبر مركبة مهمة إعادة توجيه الكويكب تقنية الدفاع الكوكبي باستخدام الجرار الجاذبي على كويكب ذي حجم خطير. تعتمد هذه التقنية على كتلة المركبة الفضائية لتطبيق قوة جاذبية على الكويكب، مما يؤدي إلى تغيير مساره تدريجيًا.

• ناشيونال جيوغرافيك، 17 فبراير 2007
• مجلة نيو ساينتست، 9 نوفمبر 2005
• مؤسسة B612