بزرگترین چالش‌های پیش روی بشر

به گزارش پایگاه خبری دانا، گروه دانش و فناوری:

مریخ همواره به عنوان همسایه قابل دسترس‌ترین سیاره برای سکونت انسان، ذهن دانشمندان و عموم مردم را به خود مشغول کرده است. این سیاره به دلیل داشتن آب یخ‌زده در زیر سطح، شباهت‌های اقلیمی (هرچند بسیار سردتر و با جو بسیار رقیق‌تر) با زمین، و پتانسیل آن برای تبدیل شدن به دومین خانه بشریت، هدف اصلی برنامه‌های فضایی بلندمدت ناسا، اسپیس‌ایکس و سایر نهادهای بین‌المللی است. با این حال، تبدیل این رویا به واقعیت، نیازمند رویارویی با مجموعه‌ای از چالش‌های سهمگین است که ماهیت آن‌ها نه تنها مهندسی، بلکه عمیقاً انسانی است. بزرگترین موانع پیش روی یک سفر سرنشین‌دار موفق به مریخ را می‌توان در سه دسته اصلی طبقه‌بندی کرد: چالش‌های محیطی و فیزیکی، چالش‌های بیولوژیکی و پزشکی، و چالش‌های روانشناختی و عملیاتی.

 چالش‌های محیطی و فیزیکی: سفر طولانی و فرود

اولین مانع، خود سفر است. سفر یک‌طرفه به مریخ، بسته به تراز مداری زمین و مریخ، بین ۶ تا ۹ ماه به طول می‌انجامد. این مدت زمان طولانی، نیازمند سامانه‌های پیشرانش بسیار کارآمدتر از شیمیایی‌های فعلی است تا هم زمان سفر کاهش یابد و هم جرم محموله مورد نیاز به حداقل برسد.

 پیشرانش و کاهش زمان سفر

پیشرانه‌های شیمیایی فعلی (مانند موتورهای موشک هیدروژن-اکسیژن) دارای تکانه ویژه (I_{sp}) نسبتاً پایینی هستند. برای کاهش زمان سفر به زیر ۶ ماه، ناسا و شرکای آن به دنبال توسعه پیشرانش‌های با (I_{sp}) بالاتر هستند:

پیشرانش هسته‌ای حرارتی (NTP): این سیستم‌ها از یک راکتور هسته‌ای برای گرم کردن یک پیشران (معمولاً هیدروژن مایع) به دمای بسیار بالا استفاده می‌کنند و سپس آن را از نازل خارج می‌کنند. این روش می‌تواند (I_{sp}) را تا دو برابر سیستم‌های شیمیایی افزایش دهد.

پیشرانش الکتریکی (مانند پیشرانش یونی): این سیستم‌ها بازدهی انرژی فوق‌العاده‌ای دارند، اما توان خروجی پایینی تولید می‌کنند. آن‌ها برای سفرهای طولانی‌مدت و شتاب‌دهی آهسته، اما پیوسته، مناسب هستند و می‌توانند در ترکیب با سیستم‌های دیگر به کار روند.

کاهش زمان سفر، مستقیماً میزان قرار گرفتن در معرض تشعشعات و اثرات ریزگرانش را کاهش می‌دهد، که خود یک مزیت بیولوژیکی بزرگ محسوب می‌شود.

محافظت در برابر تشعشعات فضایی

خارج از میدان مغناطیسی محافظ زمین، فضانوردان در معرض دو نوع اصلی از تشعشعات قرار می‌گیرند: پرتوهای کیهانی کهکشانی (GCRs) و ذرات پرانرژی خورشیدی (SEPs).

• GCRs: این‌ها ذرات با انرژی بسیار بالا (مانند هسته‌های آهن) هستند که نفوذپذیری بالایی دارند و به سختی می‌توان آن‌ها را مسدود کرد. دوز کلی قرار گرفتن در معرض GCR در یک مأموریت سه‌ساله به مریخ می‌تواند از حد مجاز عمر شغلی فضانوردان فراتر رود.

• SEPs: این‌ها طوفان‌های پرتابی از خورشید هستند که می‌توانند در عرض چند دقیقه دوزهای کشنده‌ای از تشعشع را تحمیل کنند.

برای مقابله با این خطرات، نیاز به پناهگاه‌های محافظ است. اگرچه مواد با چگالی بالا (مانند سرب) در برابر GCRها مؤثر هستند، اما افزودن جرم زیاد به فضاپیما عملی نیست. راه‌حل‌های متداول عبارتند از:

1. پوشش مبتنی بر هیدروژن: موادی مانند آب، پلی‌اتیلن، یا حتی ادرار بازیافتی که سرشار از هیدروژن هستند، در برابر GCRها مؤثرتر از فلزات هستند زیرا کمتر باعث ایجاد ذرات ثانویه رادیواکتیو می‌شوند.

2. پناهگاه طوفان: یک ناحیه کوچک‌تر، با حفاظ ضخیم‌تر که فضانوردان در زمان وقوع طوفان‌های خورشیدی (SEP) به آن پناه می‌برند.

جورود، کاهش سرعت و فرود (Entry, Descent, and Landing - EDL)

فرود بر مریخ یکی از دشوارترین مراحل عملیات فضایی است. جو مریخ حدود یک درصد چگالی جو زمین را دارد.

• مشکل نازکی جو: این رقت جو برای استفاده موثر از چترهای نجات (مانند آنچه در مریخ‌نوردها استفاده می‌شود) بسیار رقیق است، به ویژه برای فرود بارهای بسیار سنگین.

• گرمای ورود: با این حال، جو به اندازه کافی غلیظ است که گرمای اصطکاک زیادی در هنگام ورود ایجاد کند.

مریخ‌نوردهای کنونی (مانند کنجکاوی یا استقامت) معمولاً جرمی زیر ۱۰۰۰ کیلوگرم دارند و از سیستم‌های پیچیده ایروبیک با سپر حرارتی و در نهایت موشک‌های ضد جاذبه (Sky Crane) استفاده می‌کنند. برای فرود سرنشین‌دار، تخمین زده می‌شود که جرم محموله به ۲۰ تا ۴۰ تن برسد. برای ترمز کردن این جرم عظیم، فناوری‌های جدیدی نیاز است:

[ \text{نیروی ترمز} \propto \text{جرم} \times \text{سطح مقطع} \times \text{چگالی جو} ]

از آنجا که چگالی جو ثابت است، نیاز به افزایش سطح مقطع (استفاده از بادبان‌های هوایی عظیم‌تر) یا افزایش قابل توجه نیروی رانش موشکی در مراحل پایانی است. سیستم‌های ترمز آیرودینامیکی مافوق صوت (Hypersonic Aerodynamic Deceleration) که بتوانند این جرم را به سرعت کافی برسانند تا موشک‌ها بتوانند بقیه کار را انجام دهند، هنوز در مقیاس سرنشین‌دار آزمایش نشده‌اند.

 چالش‌های بیولوژیکی و پزشکی: تأثیرات طولانی‌مدت بر بدن

سلامت فضانوردان در طول مأموریت‌های طولانی مدت، به دلیل گرانش متفاوت و انزوا، شدیداً تهدید می‌شود.

 اثرات ریزگرانش و گرانش مریخ

بدن انسان برای زندگی در گرانش یک‌سومی مریخ ((0.38g)) و محیط کم‌گرانش فضا ((0g)) تکامل نیافته است.

1. تراکم استخوان و عضله: در فضا، بدون نیروی گرانش مداوم، تحلیل رفتن توده استخوانی (استئوپروز فضایی) و ضعف عضلانی رخ می‌دهد. اگرچه ورزش‌های شدید در ISS (حدود ۲ ساعت در روز) این روند را کند کرده است، اما برای مأموریت‌های چند ساله، احتمالاً نیاز به توسعه تمرینات مقاومتی شدیدتر یا حتی ایجاد گرانش مصنوعی در فضاپیما (با چرخش) خواهد بود.

2. سندرم عصبی-چشمی مرتبط با پرواز فضایی (SANS): این سندرم که با تغییر شکل دیسک بینایی و اختلال در میدان دید همراه است، نگرانی جدی برای فضانوردان در مأموریت‌های طولانی است. علت دقیق آن احتمالاً تغییر توزیع مایعات بدن در غیاب گرانش است.

خودکفایی پزشکی در فاصله دور

بزرگترین چالش پزشکی، مدیریت اضطراری پزشکی در فاصله‌ای است که ارتباط دوطرفه تقریباً غیرممکن است. تأخیر ارتباطی (حدود ۳ تا ۲۲ دقیقه برای یک پیام یک‌طرفه بسته به موقعیت مداری) امکان مشاوره زنده از زمین را از بین می‌برد.

• تشخیص و درمان: خدمه باید بتوانند شرایط حاد مانند آپاندیسیت، شکستگی‌های پیچیده، یا عفونت‌های شدید را به تنهایی تشخیص دهند و درمان کنند. این امر نیازمند توسعه سیستم‌های تشخیصی پیشرفته (مانند سونوگرافی‌های خودکار یا آزمایشگاه‌های بیولوژیکی کوچک) و همچنین ربات‌های جراحی است که می‌توانند با راهنمایی‌های از پیش برنامه‌ریزی شده یا از راه دور (با تأخیر) کار کنند.

• فارماکولوژی خودکفا: ایجاد ذخایر دارویی که برای سال‌ها در برابر تشعشعات محافظت شده و از بین نروند، و همچنین توانایی تولید داروهای ضروری (مانند آنتی‌بیوتیک‌ها) در محل، یک اولویت است.

چالش‌های روانشناختی و عملیاتی: انزوای مرگبار

انزوا، محدودیت فضا و تأخیر در ارتباطات، اثرات عمیقی بر سلامت روان و پویایی گروه خواهد داشت.

انزوای طولانی‌مدت و پویایی گروه

فضای تنگ فضاپیما و دوری از خانه (Earth Out of View) به مدت بیش از ۱۰۰۰ روز می‌تواند منجر به مشکلات جدی شود:

اختلالات روانی:

افسردگی، اضطراب، و به ویژه "ملال" (Boredom) می‌تواند عملکرد شناختی را مختل کند.


تعارضات گروهی:

کوچکترین اختلاف نظرها در محیطی که هیچ راه فراری وجود ندارد، می‌تواند به درگیری‌های مخرب تبدیل شود. انتخاب فضانوردانی که نه تنها از نظر فنی شایسته باشند، بلکه از نظر سازگاری روانی در بالاترین سطح قرار داشته باشند (با آزمون‌های روان‌سنجی پیچیده)، بسیار حیاتی است.مدیریت

منابع اطلاعاتی:

فضانوردان باید بتوانند با تأخیر زیاد، اخبار زمین را مدیریت کنند، زیرا دریافت خبر بد یا تأخیر در برقراری ارتباط با عزیزان می‌تواند تأثیرات روانی ویرانگری داشته باشد.

 خودکفایی منابع در محل (ISRU) و لجستیک

مأموریت‌های سرنشین‌دار مریخ نمی‌توانند تمام منابع خود را از زمین ببرند؛ مفهوم «خودکفایی» در مریخ ضروری است.

تولید سوخت و پیشران بازگشت:

مهم‌ترین کاربرد ISRU (In-Situ Resource Utilization) تولید سوخت برای بازگشت به زمین است. مریخ دارای دی‌اکسید کربن ((\text{CO}_2)) در جو خود است. با استفاده از واکنش ساباتیر (Sabatier Reaction) می‌توان متان ((\text{CH}_4)) و آب ((\text{H}_2\text{O})) تولید کرد:
[ \text{CO}_2 + 4\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Catalyst}} \text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O} ]

اگر هیدروژن از قبل از زمین آورده شود، می‌توان متان (سوخت موشک) و اکسیژن (برای تنفس و اکسیدکننده موشک) را تولید کرد. این کار باید قبل از رسیدن خدمه انجام شود و سیستم باید کاملاً قابل اعتماد باشد.

آب و اکسیژن:
آب یخ‌زده زیر سطح مریخ فراوان است. استخراج و الکترولیز این آب می‌تواند اکسیژن تنفسی و هیدروژن لازم برای سوخت را فراهم کند.

ساخت و ساز:
ساخت پناهگاه‌های دائم در برابر تشعشع و دمای شدید نیازمند استفاده از مواد محلی (Regolith). فناوری‌های چاپ سه‌بعدی فضایی (Additive Manufacturing) برای تبدیل خاک مریخ به مصالح ساختمانی ضروری است، زیرا حمل سازه‌های بزرگ از زمین مقرون به صرفه نیست.

نتیجه‌گیری:
عزم و نوآوری

سفر به مریخ تلاشی است که بزرگترین توانایی‌های بشری در زمینه علم، مهندسی و همکاری بین‌المللی را به آزمون می‌کشد. چالش‌ها عظیم هستند، از محافظت در برابر تشعشعات گرفته تا حفظ سلامت روان در انزوا و اطمینان از اینکه زیرساخت‌های حیاتی پیش از ورود انسان فعال هستند. با این حال، هر چالش فنی که برای مریخ حل شود، مستقیماً به بهبود زندگی بر روی زمین نیز کمک خواهد کرد (مانند پیشرفت در تله‌مدیسین یا مدیریت سیستم‌های حلقه بسته). عزم انسان برای گام نهادن بر این سیاره سرخ، موتور محرک این نوآوری‌های بنیادین است.