حلقة مدارية

الحلقة المدارية هي مفهوم عبارة عن حلقة اصطناعية تُوضع حول جسم ما وتُدار بسرعة كافية لتوليد قوة طرد مركزي ظاهرية تُعادل قوة الجاذبية . بالنسبة للأرض ، تبلغ السرعة المطلوبة حوالي 10  كيلومترات في الثانية، مقارنةً بسرعة مدارية نموذجية في مدار أرضي منخفض تبلغ 7.9 كيلومترات في الثانية. يُقصد استخدام هذا الهيكل كمحطة فضائية أو كمركبة كوكبية للنقل فائق السرعة أو لإطلاق المركبات الفضائية . 

نظرًا لأن الكابل يدور بسرعة تفوق سرعة دورانه حول الأرض، تتولد قوة خارجية صافية تُوازنها قوة شد داخلية في الكابل. هذا الشد يقاوم أي محاولة لثنيه، مما يسمح له بحمل الأحمال. في التصاميم التقليدية، تُوضع منصة آلية على الكابل، وتتحرك في الاتجاه المعاكس بسرعة تجعلها تبدو ثابتة فوق سطح الأرض. فوق خط استواء الأرض،  ستبدو المنصة التي تتحرك بسرعة 9.5 كم/ثانية في الاتجاه المعاكس للكابل ثابتة، مما يسمح بإنزال الكابل لتشكيل مصعد فضائي . يبلغ طول هذا المصعد حوالي 500 كيلومتر (310 أميال) ، ويمكن بناؤه باستخدام المواد المتوفرة حاليًا. 

يُعدّ بناء كابل بحجم كوكب في مدار أرضي منخفض وتسريعه إلى سرعة تفوق سرعة المدار مشكلة عملية واضحة. ولذلك، اقتُرحت بنى أخرى تستخدم دعمًا نشطًا بطرق مختلفة، ما يُتيح تجاوز بعض هذه القيود. حلقة الإطلاق عبارة عن حلقة جزئية، ربما  بطول 2000 كيلومتر، تمتد بين محطتين أرضيتين بدلًا من إحاطة الكوكب. تستخدم حلقة الجسيمات سلسلة من الأجسام المنفصلة التي يُمكن إطلاقها بشكل فردي لتكوين مجموعة تُشبه حلقة صلبة، ثم يتم التحكم بها مغناطيسيًا، مع عيب يتمثل في عدم وجود توتر داخلي فيها، وبالتالي تُستمد قوة الرفع بشكل منفصل. نافورة الفضاء هي نسخة رأسية من مفهوم حلقة الجسيمات، تُشكل مصعدًا فضائيًا. الحلقة المربوطة هي بنية ديناميكية تستخدم حلقة واحدة على الأقل كاملة ومستمرة غير مدارية، بقطر أصغر من قطر الكوكب. يُمكن بناؤها على سطح الكوكب، وتسريعها إلى سرعة التشغيل، ورفعها إلى ارتفاع شاهق ميكانيكيًا عن طريق شدّ حبالها العديدة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُشبه الحلقة المدارية إلى حدٍ ما مفهوم المصعد الفضائي "الكلاسيكي" . في المصعد الفضائي التقليدي، تُوضع محطة كبيرة في مدار ثابت بالنسبة للأرض (GEO) بحيث تبقى في موقع واحد فوق خط استواء الأرض. ثم يُبنى كابل ويُخفض باتجاه الأرض، بينما يُبنى كابل ثانٍ، يُوفر ثقلًا موازنًا، ويرتفع من المحطة ويبقى في مكانه بفعل قوى المد والجزر . عند اكتمال الهيكل، تستطيع عربات تشبه المصاعد ركوب الكابل إلى الفضاء. تكمن المشكلة الرئيسية في عدم وجود مادة معروفة يُمكن تصنيعها بكميات كبيرة وتتمتع بقوة الشد اللازمة للامتداد من المدار الثابت بالنسبة للأرض إلى سطح الأرض. تستخدم الحلقات المدارية آلية مختلفة.

في نسخة الحلقة المدارية، تدور حلقة حركية حول الأرض بسرعة أعلى من سرعة الدوران المداري. ينتج عن ذلك قوة خارجية صافية تُعاكسها الجاذبية المؤثرة على المكونات الثابتة. يمكن تحقيق ذلك على أي ارتفاع، مع أن بناء النظام على ارتفاع يزيد عن 500 كيلومتر (310 أميال) لتجنب معظم الغلاف الجوي يُعدّ شرطًا عمليًا. بعد ذلك، يُنزل كابل من الحلقة إلى الأرض ويُستخدم بنفس طريقة مصعد الفضاء التقليدي، مع اختلاف أن طول الكابل الرأسي يبلغ 500 كيلومتر (310 أميال) فقط بدلًا من 100,000 كيلومتر (62,000 ميل) . هذا الطول يقع ضمن قدرات العديد من المواد المعروفة.   

لدعم المصعد، لا يكون شكل الحلقة دائريًا بل بيضاويًا قليلًا. توضع محطتان أو أكثر عند طرفي المسار، أسفل النقطة التي يكون عندها مدار المصعد عادةً في أوج مساره. تقوم المحطة بثني الكابل لأسفل أثناء مروره عبر الحلقة لتوليد قوة رفع عليها. يبدو المدار الناتج لنظام المحطتين أقرب إلى شكل كرة القدم الأمريكية منه إلى شكل بيضاوي مستدير. يمكن تقليل مقدار الشد في الحلقة المدارية إلى أي مستوى مطلوب عن طريق زيادة مقدار الرفع الناتج عن ثني الكابل. أما العيب الرئيسي فهو أن كابل المصعد معلق الآن من أعلى نقطة في النظام، بدلًا من أن يكون قريبًا من الأرض.

لا يشترط أن تكون الحلقة المتحركة صلبة، ولا أن تكون مغلفة بغلاف صلب بالكامل. بدلاً من ذلك، يمكن وضع عدد كبير من الأجسام المغناطيسية الفردية في المدار المطلوب، وتقوم المحطات بتغيير مسارها باستخدام المغناطيس أثناء مرورها. يتميز هذا النوع من الحلقات بسهولة بنائه، حيث أن كل عنصر فيها منفصل تمامًا ويمكن إطلاقه بشكل فردي دون الحاجة إلى أي معالجة إضافية بعد وصوله إلى الفضاء. ^{[ أ ]} كما لا يشترط أن تكون حلقة كاملة؛ فبحسب قوة الرفع المطلوبة، قد تكون الكتلة الإجمالية للأجسام أصغر بكثير من أرفع كابل يدور حول الأرض. أما العيب الرئيسي فهو أن عملية تبادل الزخم تُغير سرعة الأجسام عشوائيًا، مما يستدعي وجود نظام آخر لإعادة توجيهها إلى مداراتها الصحيحة.

قدّم بول بيرش وصفًا تفصيليًا للمفهوم وحلّله في عام 1982، مقترحًا حلقة ضخمة تُحيط بالكرة الأرضية في مدار منخفض، تتدلى منها كابلات إلى سطح الأرض. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

في عام 1982، اقترح المخترع السوفيتي أناتولي يونيتسكي مسارًا كهرومغناطيسيًا يحيط بخط الاستواء، أطلق عليه اسم "إلى الفضاء بواسطة عجلة" ^{[ 6 ]} (لاحقًا، "نظام النقل بالخيط"). عندما تتجاوز سرعة الخيط 10  كم/ثانية، تعمل قوى الطرد المركزي على فصل الخيط (المرن والقابل للتمدد) عن سطح الأرض ورفع الحلقة إلى الفضاء.

قدّم أندرو مولنبرغ وطلابه، بين عامي 2008 و2011، ونشروا عددًا من الأبحاث التي تتناول أنواع وتطبيقات الحلقات المدارية المنخفضة حول الأرض، باعتبارها "خطوات تمهيدية" للبشرية نحو الفضاء. ويشير أحد العروض التقديمية إلى أربعة تطبيقات للحلقات المدارية: الاتصالات عبر حلقة من الألياف الضوئية ، والنقل من سطح الأرض إلى المدار باستخدام نظام "الرفع الحلقي"، والطاقة الشمسية الفضائية ، والتخفيف من آثار تغير المناخ باستخدام مظلة شمسية فضائية . ويعتمد نظام "الرفع الحلقي" على حبال دوارة (مصنوعة من أنابيب كربونية ضخمة ) متصلة بالحلقة المدارية، تهبط في الغلاف الجوي. ويصل طرف كل حبل إلى ارتفاع يتراوح بين 13 و15  كيلومترًا عند أدنى نقطة له، ويؤدي دورانه إلى انخفاض سرعته المماسية إلى ما يقارب الصفر بالنسبة لسطح الأرض. وبالتالي، يمكن للحبل التقاط حمولة من طائرة تقليدية تحلق على ذلك الارتفاع، ثم رفع هذه الحمولة إلى الحلقة المدارية. ^{[ 7 ]}

نشر بول بيرش سلسلة من ثلاث مقالات في مجلة الجمعية البريطانية لعلم الكواكب عام 1982، والتي وضعت الأساس الرياضي لأنظمة الحلقات. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

في أبسط تصميم لنظام الحلقة المدارية، يُوضع كابل دوار، أو ربما هيكل فضائي قابل للنفخ، في مدار أرضي منخفض فوق خط الاستواء. لا تدور هذه الحلقة في مدار، بل تطفو عليها مدعومة كهرومغناطيسيًا بمغناطيسات فائقة التوصيل ، وهي محطات حلقية تبقى في مكان واحد فوق نقطة محددة على سطح الأرض. تتدلى من هذه المحطات كابلات رفع قصيرة مصنوعة من مواد ذات نسبة عالية من قوة الشد إلى الكتلة.

على الرغم من أن هذا النموذج البسيط يعمل بكفاءة أعلى فوق خط الاستواء، فقد حسب بول بيرش أنه بما أن محطة الحلقة المدارية تُستخدم لتسريع الحلقة المدارية شرقًا، فضلًا عن تثبيت الحبل، فإنه من الممكن جعل الحلقة المدارية تدور حول الأرض بدلًا من بقائها ثابتة في الفضاء بينما تدور الأرض تحتها. ومن خلال تدوير الحلقة مرة كل 24 ساعة، ستحوم الحلقة المدارية فوق أي خط زوال مُختار على سطح الأرض. أما الكابلات المتدلية من الحلقة، فهي الآن ثابتة بالنسبة للأرض دون الحاجة إلى الوصول إلى ارتفاع الثبات الجغرافي أو وضعها في مستوى خط الاستواء. هذا يعني أنه باستخدام مفهوم الحلقة المدارية، يمكن وضع زوج أو أكثر من المحطات فوق أي نقطة على الأرض، أو نقلها إلى أي مكان على الكرة الأرضية. وبالتالي، يمكن خدمة أي نقطة على الأرض بواسطة مصعد فضائي. كما يمكن بناء شبكة كاملة من الحلقات المدارية، والتي، بعبورها فوق القطبين، يمكنها تغطية الكوكب بأكمله وتكون قادرة على تولي معظم عمليات نقل البضائع والركاب. بفضل مجموعة من المصاعد والعديد من المحطات الحلقية الثابتة بالنسبة للأرض، يمكن استقبال مواد الكويكبات أو القمر ووضعها برفق في المواقع التي تحتاج إلى ردم. ستغطي الطاقة الكهربائية المتولدة في هذه العملية تكاليف توسيع النظام، وقد تمهد الطريق في نهاية المطاف لنشاط شامل لتشكيل بيئة صالحة للحياة وهندسة الفضاء على مستوى النظام الشمسي، وذلك على أساس اقتصادي سليم.

أبسط أنواعها هو حلقة مدارية دائرية في مدار أرضي منخفض .

كما حدد بول بيرش نوعين آخرين:

• أنظمة الحلقات المدارية اللامركزية - وهي حلقات على شكل شكل مغلق ذات ارتفاعات متفاوتة
• أنظمة الحلقات المدارية الجزئية ^{[ 3 ]} - وهي في الأساس حلقة إطلاق

بالإضافة إلى ذلك، اقترح مفهوم "العوالم فوق الطبيعية" مثل "الكواكب" فوق كوكب المشتري وفوق النجوم. وهي كواكب اصطناعية مدعومة بشبكة من الحلقات المدارية التي تقع فوق كوكب أو عملاق فائق أو حتى نجم. ^{[ 9 ]}

• هندسة الميغا سكيبل
• إطلاق فضائي بدون صاروخ
• حلقة نيفن (في رواية عالم الحلقات ): حلقة مدارية حول نجم
• حبل الفضاء
• سكاي هوك
• مصعد الجاذبية

• فيديو: الهياكل الضخمة 01: الحلقات المدارية والمصاعد الفضائية
• فيديو أحدث وأفضل: الحلقات المدارية
• أرشيف بول بيرش على الإنترنت في أوريون آرم
• أنظمة النقل بالخيوط: على الأرض وفي الفضاء (كتاب أناتولي يونيتسكي)

الوسائط المتعلقة بحلقة المدار على ويكيميديا ​​كومنز