هیجان برادران رایت در مریخ

عمادالدین قاسمی پناه_خبرنگار

انسان قرار است آسمان یک سیاره دیگر را تسخیر کند. ناسا به‌عنوان بخشی از ماموریت بعدی خود به مریخ که در تابستان امسال انجام می‌شود، تلاش خواهد کرد کاری را انجام دهد که قبلا انجام نشده است؛ به پرواز درآوردن یک هلی‌کوپتر در اتمسفر رقیق مریخ. نیویورک‌تایمز در گزارشی نوشته است: درصورت موفقیت این هلی‌کوپتر کوچک که با نام Ingenuity به معنی «نبوغ» شناخته می‌شود، راه جدیدی برای کاشفان آینده صنعت روباتیک باز می‌شود تا به این ترتیب دانشمندان بتوانند «نمای دید پرنده» مریخ و جهان‌های دیگر را در منظومه شمسی ببینند. نمای دید پرنده، حالت نگاه‌کردن از بالا به اشیا، افراد و... است که معمولا در نقشه‌های جغرافیایی و ساختمانی استفاده می‌شود.

دشواری پرواز در مریخ

میمی آنگ، مدیر پروژه هلی‌کوپتر مریخ در آزمایشگاه پیشران جت ناسا، می‌گوید: این اتفاق بسیار شبیه به لحظه موفقیت برادران رایت است، اما در سیاره‌ای دیگر. پرواز در مریخ یک تلاش بی‌اهمیت نیست. هوای زیادی در آنجا وجود ندارد که بتوان از آن برای صعود استفاده کرد و در سطح مریخ، تراکم جو تقریبا یک‌صدم تراکم جو زمین است. جاذبه کمتر، یعنی یک‌سوم آنچه در زمین احساس می‌کنید، به پرواز هلی‌کوپتر در هوا کمک می‌کند. اما برخاستن از سطح مریخ معادل پرواز در ارتفاع 30کیلومتری بالای کره زمین است. تاکنون هیچ هلی‌کوپتری نتوانسته به این ارتفاع صعود و پرواز کند. این ارتفاع بیش از 2برابر ارتفاعی است که معمولا هواپیماهای مسافربری در آن پرواز می‌کنند. این هلی‌کوپتر سوار بر مریخ‌نورد perseverance به سیاره سرخ خواهد رفت. perseverance پنجمین مریخ نورد روباتیک است که ناسا به این سیاره فرستاده است. این ماموریت که قرار است در تاریخ 20ژوئیه آغاز شود، یکی از 3ماموریت مریخی است که امسال برنامه‌ریزی شده است. جیم بریدنشتین، مدیر ناسا، هفته گذشته در یک کنفرانس خبری که با پیش‌نمایش ماموریت  perseverance همراه بود، به نکته‌ای برای برجسته کردن اهمیت هلی‌کوپتر نبوغ اشاره کرد. او گفت: چیزی که مرا به‌عنوان یک مدیر ناسا بیش از همه هیجان‌زده کرده است، آماده شدن برای تماشای پرواز یک هلی‌کوپتر در جهانی دیگر است. همه سفینه‌های فضایی که تا سال1997 به سطح مریخ فرستاده شده بودند، سطح نشین بودند، اما در سال1997، ماموریت
 Pathfinder چیزی با خود داشت که برای ناسا یک انقلاب به شمار می‌آمد؛ یک روبات چرخ دار. این مریخ نورد که نامش «سوجورنر» بود تقریبا اندازه یک کابینت کوتاه کشودار بود. این موفقیت در سال2004 با 2مریخ نورد دیگر به نام‌های Spirit و Opportunity که اندازه ماشین‌های بازی گلف بودند و پس از آن با مریخ نورد Curiosity در سال2012 که ‌اندازه یک خودروی معمولی بود، ادامه پیدا کرد. برای یک کاوشگر روباتیک در سیاره‌ای دیگر، توانایی حرکت در محیط اطراف، مزیتی بزرگ به‌شمار می‌آید، چراکه باعث می‌شود دانشمندان فقط به یک نقطه خیره نشوند. چنین سطح‌نوردی می‌تواند به همه‌جا سرکشی کند و برای مشاهده دقیق‌تر سنگ‌های شگفت‌انگیز متوقف شود. این آزادی عمل برای دستیابی به درک فعلی ما از مریخ در اکتشافات اولیه مهم بود. الان می‌دانیم این سیاره که اکنون سرد و خشک است، زمانی مرطوب بوده و حداقل دارای برخی محیط‌هایی بوده که احتمالا برای زندگی قابل سکونت بوده‌اند.

ویژگی‌های فنی نبوغ

نبوغ در اصل همتای هوایی سوجورنر و نمایش یک فناوری جدید به‌حساب می‌آید که ممکن است در ماموریت‌های بعدی از آن استفاده بیشتری شود. بدنه نبوغ تقریبا  اندازه یک توپ سافت‌بال با 4پای باریک است که به آن چسبیده و دارای 2مجموعه پرّه است که هرکدام از یک سر تا سر دیگر حدود 120سانتی‌متر طول دارند و در جهت مخالف می‌چرخند. وزن آن هم فقط 1800گرم است و در حالت ایستاده تقریبا 45سانتی‌متر طول دارد. باب بالارام، مهندس ارشد هلی‌کوپتر، در دهه1990 کار خود را با برخی از همکارانش برای توسعه این ایده شروع کرد. بالارام می‌گوید: من واقعا به جایی نرسیدم. ما چندین آزمایش کوچک انجام دادیم، اما بعد از گذشت حدود 7-6 سال به نتیجه نرسیدیم. او توضیح می‌دهد که چارلز الاچی، مدیر آزمایشگاه پیشران جت به این پروژه علاقه‌مند شد و پول بیشتری برای مطالعات ما تأمین کرد. بالارام می‌گوید: همین موضوع باعث پیشرفت ما در این پروژه شد. انجام کاری که قبلا انجام نشده بود، یک چالش مهندسی به شمار می‌آمد که برای خانم آنگ جذاب بود و باعث شد که در اواسط سال2014 به‌عنوان مدیر پروژه به این گروه بپیوندد. خانم آنگ که پیش از پیوستن به پروژه مریخ، معاون مدیر سیستم‌های خودران آزمایشگاه پیشران جت بود، می‌گوید: حدود 20سال پیش، واقعا به دلایل ریاضی و محاسباتی این کار امکان‌پذیر نبود. اما بعضی از پیشرفت‌ها، مانند کوچک‌سازی‌ وسایل الکترونیکی و باتری‌هایی که انرژی و مواد بیشتری را می‌توانند در تیغه‌های سبک‌وزن ذخیره کنند، سرانجام رؤیای ماشین‌های پرنده مریخ را به یک امکان فناورانه تبدیل کرده است.

پایان خوش

گریپ در همان زمان، مدیریت توسعه الگوریتم‌های رایانه‌ای را که هدایت و تنظیم سریع پرواز هلی‌کوپتر را ممکن می‌کرد برعهده داشت. توسعه این الگوریتم‌ها باعث می‌شد تا این وسیله بتواند به‌طور خودکار به تغییر شرایط جوی در مریخ پاسخ دهد.
نمونه اولیه بعدی در‌ماه مه 2016 آماده شد. در همان محفظه‌ای که اتمسفر سبک مریخی را شبیه‌سازی‌ می‌کند، هلی‌کوپتر برخاست و سپس به‌طور یکنواخت و به‌آرامی به زمین نشست. برای نخستین بار، یک نمونه اولیه هلی‌کوپتر در شرایطی که جو مریخ را شبیه‌سازی‌ کرده بود، تحت کنترل پرواز قرار گرفت؛ اگرچه هنوز به یک منبع تغذیه خارجی و رایانه متصل بود.
طراحی کامل (با باتری‌ها، یک پردازنده Qualcomm Snapdragon که همان پردازنده تلفن‌های همراه است، سیستم‌های ارتباطی و سنسورها، به ‌صورت یکپارچه) انجام و در ژانویه سال2018 آماده شد. برای تقلید از کشش گرانشی ضعیف‌تر مریخ، یک قرقره به سمت جلو قرار داده شد تا بخشی از گرانش زمین را خنثی کند. تراکم هوا از محفظه دوباره تخلیه شد. اما این بار، به‌جای هوای زمین، مقداری دی‌اکسید‌کربن (ماده اصلی تشکیل‌دهنده هوای مریخ) به محفظه پمپ شد. به این ترتیب بالگرد از زمین بلند شد و پرواز کرد.

آزمون و خطا تا موفقیت
تبدیل این امکان فناورانه به یک هلی‌کوپتر آماده کار، نتیجه سال‌ها آزمون و خطا بوده است. مهندسان تا پایان سال2014 نمونه اولیه کوچکی را ساخته بودند. این هلی‌کوپتر کوچک در محفظه‌ای قرار گرفته بود که بیشتر هوای آن مکیده شده بود و همین کار، تراکم جو مریخ را شبیه‌سازی‌ می‌کرد. از آنجا که آنها هنوز نتوانسته بودند نرم‌افزاری را برای هلی‌کوپتر بنویسند که خودش پرواز کند، یکی از اعضای این تیم سعی کرد که آن را با جوی‌استیک هدایت کند. در حالی‌ که پرّه‌ها می‌چرخید، هلی‌کوپتر برخاست، اما بلافاصله از کنترل خارج شد. آنها هلی‌کوپتر را بالا بردند، اما نمی‌توانستند آن را مهار کنند.
هاوارد گریپ، مهندسی که در زمینه آیرودینامیک و دستیابی به کنترل پرواز کار می‌کند، می‌گوید: ما کاری را انجام دادیم که در آن مقطع باید انجام می‌شد و این کار برخاستن از زمین بود، بنابراین، این کار یک موفقیت محسوب می‌شد. اما در عین حال مشخص بود که برای فهم چگونگی رفتار این وسیله باید کارهای بیشتری انجام می‌شد. بالارام و گریپ می‌گویند یکی از مشکلات این بود که تیغه‌ها به سرعت بالا و پایین می‌رفتند و در هر دقیقه با سرعت 2 تا 3هزار بار می‌چرخیدند. فشار هوا در زمین، پرش پره‌ها را به حداقل می‌رساند، اما در جو رقیق مریخ، پرش باعث ناپایداری می‌شود و کنترل حرکت هلی‌کوپتر را سخت می‌کند. به‌نظر می‌رسید که این مشکل را می‌توان با پرّه‌های سخت‌تر و سنگین‌تر حل کرد، اما این کار باعث افزایش وزن آنها می‌شد.
گریپ می‌گوید: رسیدن به یک طراحی مناسب برای این هلی‌کوپتر، یکی از بزرگ‌ترین مشکلات در اوایل کار بود، اما سرانجام یک راه‌حل مناسب پیدا شد.

او می‌گوید: وقتی یکی از این پرّه‌ها را بلند می‌کنید، بسیار حیرت‌انگیز است. زمانی که آن را در دست خود می‌گیرید، فکر می‌کنید که قرار است یک چیز سنگین را بلند کنید، اما این پرّه‌ها به سبکی هوا و در عین حال بسیار محکم هستند.
این مهندسی حاصل مجموعه‌ای از سازگاری‌های مورد نیاز برای مناسب‌سازی‌ محدودیت‌های اندازه، وزن و قدرت باتری بود.

عملکرد نبوغ در مریخ

طی 30روز، این بالگرد تا 5پرواز انجام می‌دهد و بیشتر در انتظار پنل‌های خورشیدی برای شارژ مجدد باتری‌ها خواهد بود. اولین مرحله این است که این هلی‌کوپتر حدود چندمتر بالا برود و تا 30ثانیه شناور بماند و سپس فرود بیاید. پروازهای بعدی، طولانی‌تر، در ارتفاع بیشتر و دورتر خواهند بود. در پرواز پنجم، اگر همه‌‌چیز درست کار کند، نبوغ حدود 5/4متر بالا می‌رود، 152متر پرواز می‌کند و سپس به همان جایی برمی‌گردد که پروازش را آغاز کرده بود. این هلی‌کوپتر 2دوربین دارد: یک دوربین رو به پایین و سیاه و سفید که برای ردیابی مکان هلی‌کوپتر مورد استفاده قرار می‌گیرد و یک دوربین رنگی برای مشاهده نمای مورب مناظر مریخ. نبوغ پس از انجام پروازها، در محل فرود نهایی خود باقی می‌ماند و Perseverance برای بقیه ماموریت خود به حرکت ادامه می‌دهد.
آنگ می‌گوید که این فناوری می‌تواند با یک سفینه بزرگ‌تر سازگار شود و وزنش به‌جای 8/1کیلوگرم به 13کیلوگرم برسد. در این صورت می‌تواند چندجفت دوربین سنگین‌تر و ابزارهای دیگر را با خود حمل کند.
اکنون، ناسا برای ارسال Dragonfly به تایتان (بزرگ‌ترین قمر کیوان) برنامه‌هایی را درنظر دارد. اما تایتان اتمسفر غلیظی دارد که پرواز در آنجا اقتضائات خود را دارد و شبیه چالش‌های تکنولوژیکی پرواز در مریخ نیست. Dragonfly یک بالگرد هسته‌ای است.
حتی اگر هلی‌کوپترهای آینده به سمت مریخ حرکت کنند، آنها مطمئنا هرگز یک وسیله حمل‌ونقل مناسب برای فضانوردان در آن منطقه نخواهند بود.
خانم آنگ می‌گوید: شما نمی‌توانید آنگونه که انسان‌ها در زمین پرواز می‌کنند، این تکنولوژی را برای پرواز در نقاط دیگر توسعه دهید.

اتصال به Perseverance

ناسا تا 6ماه بعد از این اتفاق، برای افزودن این هلی‌کوپتر به مریخ نورد بعدی خود، یعنی Perseverance، به تلاش خود ادامه داد.
نبوغ، اکنون به بدنه Perseverance که در حال آماده‌سازی نهایی برای پرتاب از کیپ کاناورال ایالت فلوریداست متصل شده.
در عین حال، خانم آنگ و تیمش در حال تمرین آن چیزی هستند که نبوغ قرار است در مریخ انجام دهد. با تعطیلی آزمایشگاه پیشران جت ناسا به‌دلیل همه‌گیر‌شدن ویروس کرونا، همه کارها از طریق ویدئوکنفرانس انجام شده است و همه اعضای گروه از خانه به‌کار خود مشغول هستند.
حدود 2‌ماه پس از فرود آمدن perseverance در مریخ، در ماه فوریه2021، آزمایش نبوغ آغاز خواهد شد. مریخ‌نورد یک مکان مناسب و مسطح پیدا می‌کند، بالگرد را روی سطح مریخ قرار می‌دهد و سپس حداقل 100متر از آن دور می‌شود. خانم آنگ می‌گوید: هلی‌کوپتر هرگز به مریخ‌نورد بازنمی‌گردد.