بزرگ‌ترین خلأ مصنوعی جهان؛ ناسا در این اتاق غول‌پیکر چه می‌سازد؟

اگر به فضا فکر کنیم، احتمالاً نخستین چیزی که به ذهن می‌رسد تاریکی، ستاره‌ها و سیاره‌های دوردست است. اما یکی از مهم‌ترین ابزارهای دانشمندان برای شناخت و آزمایش فناوری‌های فضایی، نه در مدار زمین، بلکه روی خود زمین قرار دارد.

در مرکز تحقیقاتی گلن ناسا در ایالت اوهایو آمریکا، سازه‌ای عظیم قرار گرفته که Space Power Facility یا SPF نام دارد. این سازه بزرگ‌ترین محفظه خلأ جهان معرفی شده است؛ محفظه‌ای با حدود 22.653 مترمکعب حجم، 30.5 متر قطر و 37.2 متر ارتفاع. اما چرا ناسا به چنین فضای عظیمی نیاز دارد؟ پاسخ را باید در یک مشکل ساده جست‌وجو کرد: فضاپیماها قبل از رفتن به فضا باید روی زمین آزمایش شوند.

بزرگ‌ترین اتاق خلأ جهان کجاست؟

این محفظه در مجموعه‌ای به نام Plum Brook Station در نزدیکی شهر سنداسکی در ایالت اوهایو قرار دارد و بخشی از مرکز تحقیقاتی گلن ناسا است. ساخت این تأسیسات به دهه 1960 بازمی‌گردد و این مرکز در سال 1969 فعالیت خود را آغاز کرد. محفظه SPF در ابتدا برای آزمایش سامانه‌های انرژی هسته‌ای مورد استفاده در فضاپیماها طراحی شده بود، اما در نهایت آزمایش هسته‌ای در آن انجام نشد و کاربردهای آن به حوزه‌های مختلف فناوری فضایی گسترش پیدا کرد.

ابعاد آن واقعاً قابل توجه است. قطر محفظه حدود 30 متر و ارتفاع آن بیش از 37 متر است؛ بنابراین با یک محفظه آزمایشگاهی معمولی طرف نیستیم، بلکه فضایی عظیم است که امکان قرار دادن تجهیزات و سازه‌های بزرگ فضایی درون آن را فراهم می‌کند.

چرا باید روی زمین خلأ ایجاد کنیم؟

فضا محیطی کاملاً متفاوت با زمین دارد.

روی زمین، تجهیزات در معرض فشار هوا، جریان‌های طبیعی هوا و شرایط حرارتی متفاوت قرار دارند. اما بسیاری از تجهیزات فضایی باید در محیطی با فشار بسیار پایین و شرایط حرارتی خاص کار کنند. فرستادن یک نمونه آزمایشی به فضا برای اولین آزمایش، بسیار پرهزینه و پرریسک است. اگر یک قطعه در مدار زمین خراب شود، معمولاً امکان تعمیر یا تعویض ساده آن وجود ندارد. به همین دلیل مهندسان تلاش می‌کنند تا حد ممکن شرایط فضا را روی زمین شبیه‌سازی کنند.

اینجاست که محفظه‌های خلأ اهمیت پیدا می‌کنند.

داخل این محفظه چه اتفاقی می‌افتد؟

در یک آزمایش خلأ، هوا از داخل محفظه خارج می‌شود تا فشار داخلی به سطح بسیار پایینی برسد. هدف این نیست که محیط داخل محفظه دقیقاً تمام ویژگی‌های فضای واقعی را بازسازی کند؛ بلکه مهندسان بسته به نوع آزمایش، شرایط موردنیاز را ایجاد می‌کنند.

در مورد Space Power Facility، اندازه بزرگ محفظه اجازه می‌دهد تجهیزات و سازه‌های بزرگ فضایی نیز در آن آزمایش شوند.

ناسا می‌گوید این مرکز برای آزمایش‌هایی مانند سامانه‌های فرودگرهای مریخی، پنل‌های خورشیدی و بادبان‌های خورشیدی، رادیاتورهای ایستگاه فضایی بین‌المللی و سازه‌های مرتبط با پرتابگرها مورد استفاده قرار گرفته است.

ناسا در این اتاق غول‌پیکر چه چیزی را آزمایش می‌کند؟

یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های SPF این است که تنها یک آزمایشگاه برای یک فناوری خاص نیست. اندازه و امکانات آن اجازه می‌دهد پروژه‌های مختلف فضایی در مقیاس بزرگ آزمایش شوند. برای نمونه، یکی از کاربردها آزمایش آرایه‌های خورشیدی بزرگ است. فضاپیماها و ایستگاه‌های فضایی برای تولید برق به پنل‌های خورشیدی وابسته هستند و این پنل‌ها باید در شرایط متفاوت محیط فضا عملکرد قابل اعتمادی داشته باشند.

در سال 2014، یک نمونه از آرایه خورشیدی MegaFlex در این محفظه آزمایش شد. این فناوری برای سامانه‌های بزرگ‌تر تولید انرژی خورشیدی و پیشرانش الکتریکی فضایی در نظر گرفته شده بود.

همچنین نمونه‌هایی از سامانه‌های خورشیدی مرتبط با فضاپیمای Orion نیز در این مجموعه آزمایش شده‌اند.

آزمایش تجهیزات مریخ روی زمین

یکی دیگر از کاربردهای جالب این تأسیسات، آزمایش فناوری‌های مربوط به مریخ است.

برای مثال، ناسا از این محفظه برای آزمایش سامانه‌های فرودگرهای مریخی استفاده کرده است. در چنین آزمایش‌هایی مهندسان می‌توانند بخشی از شرایط محیطی مورد انتظار را پیش از فرستادن تجهیزات به مأموریت واقعی بررسی کنند.

این کار اهمیت زیادی دارد، زیرا یک فناوری که در آزمایشگاه زمینی عملکرد مناسبی دارد، لزوماً در محیط فضا یا سطح یک جرم آسمانی نیز همان عملکرد را نخواهد داشت.

فقط خلأ مهم نیست؛ دما هم اهمیت دارد

یکی از اشتباهات رایج این است که تصور کنیم آزمایشگاه خلأ فقط برای خارج کردن هوا ساخته شده است. در واقع، محیط فضا از نظر حرارتی نیز بسیار متفاوت از زمین است. یک فضاپیما ممکن است در بخشی از مسیر خود در معرض تابش خورشید قرار بگیرد و پس از ورود به سایه، شرایط حرارتی کاملاً متفاوتی را تجربه کند.

به همین دلیل در آزمایش‌های فضایی باید اثرات حرارتی نیز مورد بررسی قرار گیرد.

ناسا از تأسیسات مختلف خلأ و حرارتی خود برای شبیه‌سازی چنین شرایطی استفاده می‌کند و در برخی آزمایشگاه‌های تخصصی، از سامانه‌هایی برای ایجاد سرمای بسیار شدید و شبیه‌سازی تابش خورشید استفاده می‌شود.

چرا اندازه محفظه اهمیت دارد؟

شاید بتوان یک ماهواره کوچک را در یک محفظه خلأ نسبتاً کوچک آزمایش کرد. اما وقتی صحبت از سازه‌های بزرگ فضایی باشد، دیگر چنین امکانی وجود ندارد. برای مثال، یک پنل خورشیدی بزرگ یا بخشی از یک فضاپیما هنگام آزمایش باید بتواند در محیطی نزدیک به شرایط واقعی خود قرار بگیرد. محفظه SPF با قطر بیش از 30 متر و ارتفاع بیش از 37 متر، فضای کافی برای انجام آزمایش‌های بسیار بزرگ‌تر را فراهم می‌کند.

درهای این محفظه نیز حدود 15.24 در 15.24 متر هستند تا تجهیزات بزرگ بتوانند وارد آن شوند.

آیا این بزرگ‌ترین آزمایشگاه فضایی ناسا است؟

نه لزوماً. نکته مهم این است که «بزرگ‌ترین محفظه خلأ» با «بزرگ‌ترین مرکز آزمایش موتور موشک» یا «بزرگ‌ترین تأسیسات آزمایش فضایی» یکی نیست. ناسا چندین تأسیسات تخصصی دارد که هر کدام برای یک نوع آزمایش طراحی شده‌اند.

برای نمونه، In-Space Propulsion Facility در مرکز گلن امکان آزمایش موتورهای موشکی و سامانه‌های پرتاب در شرایط شبیه‌سازی‌شده ارتفاع بالا را فراهم می‌کند. این تأسیسات می‌تواند موتورهایی با نیروی رانش بسیار بالا را آزمایش کند.

بنابراین هر آزمایشگاه نقش خاص خود را در توسعه فناوری فضایی دارد.

چرا چنین آزمایش‌هایی برای آینده فضا مهم هستند؟

هر مأموریت فضایی هزینه بسیار زیادی دارد و شکست یک سامانه می‌تواند سال‌ها کار مهندسی و سرمایه‌گذاری را از بین ببرد.

به همین دلیل آزمایش روی زمین اهمیت بسیار زیادی دارد.

مهندسان با استفاده از محفظه‌های خلأ می‌توانند پیش از پرتاب، رفتار تجهیزات را در محیطی کنترل‌شده بررسی کنند، مشکلات احتمالی را پیدا کنند و طراحی را تغییر دهند.

این آزمایش‌ها به ویژه برای مأموریت‌های دوردست اهمیت دارند؛ زیرا هرچه فاصله فضاپیما از زمین بیشتر شود، تعمیر یا مداخله مستقیم انسان دشوارتر خواهد بود.

آیا این محفظه واقعاً فضا را شبیه‌سازی می‌کند؟

تا حد زیادی، اما نه به شکل کامل. هیچ آزمایشگاهی روی زمین نمی‌تواند تمام ویژگی‌های یک محیط فضایی واقعی را به‌طور کامل بازسازی کند. فضا فقط خلأ نیست. تابش، ذرات پرانرژی، میدان‌های مغناطیسی، ریزشهاب‌واره‌ها و عوامل دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند روی تجهیزات تأثیر بگذارند.

بنابراین محفظه‌های خلأ معمولاً برای شبیه‌سازی بخش مشخصی از شرایط فضا طراحی می‌شوند.

این موضوع باعث می‌شود آزمایش‌های زمینی در کنار آزمایش‌های مداری و داده‌های مأموریت‌های واقعی قرار بگیرند.

یک غول قدیمی که هنوز کاربرد دارد

شاید جالب باشد که بدانیم این سازه عظیم فناوری جدیدی نیست. Space Power Facility از دهه 1960 وجود داشته است، اما همچنان بخشی از زیرساخت آزمایش فناوری‌های فضایی ناسا محسوب می‌شود.

این موضوع نشان می‌دهد که در فناوری فضایی، یک زیرساخت آزمایشگاهی مناسب می‌تواند برای چندین نسل از پروژه‌ها کاربرد داشته باشد. در طول زمان، تجهیزات و روش‌های آزمایش تغییر کرده‌اند و این مرکز نیز برای نیازهای جدید مورد استفاده قرار گرفته است.

جمع‌بندی

بزرگ‌ترین محفظه خلأ جهان در مرکز تحقیقاتی گلن ناسا در اوهایو قرار دارد. Space Power Facility با حجمی حدود 22.653 مترمکعب، قطری بیش از 30 متر و ارتفاعی بیش از 37 متر، یکی از بزرگ‌ترین زیرساخت‌های آزمایش فناوری فضایی روی زمین است.

اما اهمیت این سازه فقط به اندازه آن مربوط نمی‌شود. مهندسان می‌توانند در این محفظه شرایطی نزدیک به محیط فضا ایجاد کنند و تجهیزات بزرگی مانند آرایه‌های خورشیدی، سامانه‌های فرود مریخی و بخش‌هایی از فناوری‌های فضایی را پیش از استفاده در مأموریت واقعی آزمایش کنند.

در نهایت، این اتاق غول‌پیکر یک هدف ساده اما بسیار مهم دارد: قبل از اینکه یک فناوری میلیون‌ها کیلومتر از زمین دور شود، باید تا حد امکان روی زمین آزمایش شده باشد. به همین دلیل، یکی از بزرگ‌ترین خلأهای مصنوعی ساخته‌شده توسط انسان، در واقع محلی برای آماده‌سازی فناوری‌هایی است که قرار است روزی به فضا بروند.