دانش فضایی

دانش فضایی

صفحه نخست . مقاله‌های علمی . مهندسی فضایی . سفر به فضا و مشكلی به نام الكتریسیته ساكن

 

شنبه, ۷ امرداد ۱۳۹۶

این مطلب تا کنون ۱۹۰۱۲ بار خوانده شده است

يكشنبه، ۱۵ مرداد ۱۳۸۵

سفر به فضا و مشكلی به نام الكتریسیته ساكن

 
سفر به فضا و مشكلی به نام الكتریسیته ساكن

تخلیه بار الکتريكی ساکن در فضا یكی از مشکلات اساسی فضانوردانی خواهد بود که برای کاوش به ماه یا مریخ اعزام می‌شوند. در جایی مثل سیاره بهرام (مریخ) كه هوا به شدت خشک است و هیچ رطوبتی در خاک وجود ندارد، چند قدم راه رفتن روی سطح سیاره می‌تواند بار الکتریكی زيادی در پوسته لباس فضایی فضانورد ایجاد كند.

 

Static discharge is merely annoying to anyone on Earth living where winters have exceptionally low humidity. But to astronauts on the Moon or on Mars, static discharge could be real trouble.On Mars, we think the soil is so dry and insulating that if an astronaut were out walking, once he or she returned to the habitat and reached out to open the airlock, a little lightning bolt might zap critical electronics," explains Geoffrey A. Landis, a physicist with the Photovoltaics and Space Environmental Effects Branch at NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio.This phenomenon is called triboelectric charging. The prefix "tribo" (pronounced TRY-bo) means "rubbing." When certain pairs of unlike materials, such as wool and hard shoe-sole leather, rub together, one material gives up some of its electrons to the other material. The separation of charge can create a strong electric field. Here on Earth, the air around us and the clothes we wear usually have enough humidity to be decent electrical conductors, so any charges separated by walking or rubbing have a ready path to ground. Electrons bleed off into the ground instead of accumulating on your body.But when air and materials are extraordinarily dry, such as on a dry winter's day, they are excellent insulators, so there is no ready pathway to ground. Your body can accumulate negative charges, possibly up to an amazing 20 thousand volts. If you touch a conductor, such as a metal doorknob, then--ZAP!--all the accumulated electrons discharge at once. On the Moon and on Mars, conditions are ideal for triboelectric charging. The soil is drier than desert sand on Earth. That makes it an excellent electrical insulator. Moreover, the soil and most materials used in spacesuits and spacecraft (e.g., aluminized mylar, neoprene-coated nylon, Dacron, urethane-coated nylon, tricot, and stainless steel) are completely unlike each other. When astronauts walk or rovers roll across the ground, their boots or wheels gather electrons as they rub through the gravel and dust. Because the soil is insulating, providing no path to ground, a space suit or rover can build up tremendous triboelectric charge, whose magnitude is yet unknown. And when the astronaut or vehicle gets back to base and touches metal--ZAP! The lights in the base may go out, or worse. Physicist Joseph Kolecki and colleagues at NASA Glenn first noticed this problem in the late 1990s before Mars Pathfinder was launched. "When we ran a prototype wheel of the Sojourner rover over simulated Martian dust in a simulated Martian atmosphere, we found it charged up to hundreds of volts," he recalls.That discovery so concerned the scientists that they modified Pathfinder's rover design, adding needles half an inch long, made of ultrathin (0.0001-inch diameter) tungsten wire sharpened to a point, at the base of antennas. The needles would allow any electric charge that built up on the rover to bleed off into the thin Martian atmosphere, "like a miniature lightning rod operating in reverse," explains Carlos Calle, lead scientist at NASA's Electrostatics and Surface Physics Laboratory at Kennedy Space Center, Florida. Similar protective needles were also installed on the Spirit and Opportunity rovers.On the Moon, "Apollo astronauts never reported being zapped by electrostatic discharges," notes Calle. "However, future lunar missions using large excavation equipment to move lots of dry dirt and dust could produce electrostatic fields. Because there's no atmosphere on the Moon, the fields could grow quite strong. Eventually, discharges could occur in vacuum."On Mars," he continues, "discharges can happen at no more than a few hundred volts. It's likely that these will take the form of coronal glows rather than lightning bolts. As such, they may not be life threatening for the astronauts, but they could be harmful to electronic equipment. Here on Earth, it's simple: we minimize static discharge by grounding electrical systems. Grounding them means literally connecting them to Earth--pounding copper rods deep into the ground. Ground rods work well in most places on Earth because several feet deep the soil is damp, and is thus a good conductor. The Earth itself provides a "sea of electrons," which neutralizes everything connected to it, explains Calle. There's no moisture, though, in the soil of the Moon or Mars. Even the ice believed to permeate Martian soil wouldn't help, as "frozen water is not a terribly good conductor," says Landis. So ground rods would be ineffective in establishing a neutral "common ground" for a lunar or Martian colony.On Mars, the best ground might be, ironically, the air. A tiny radioactive source "such as that used in smoke detectors," could be attached to each spacesuit and to the habitat, suggests Landis. Low-energy alpha particles would fly off into the rarefied atmosphere, hitting molecules and ionizing them (removing electrons). Thus, the atmosphere right around the habitat or astronaut would become conductive, neutralizing any excess charge. Achieving a common ground on the Moon would be trickier, where there's not even a rarefied atmosphere to help bleed off the charge. Instead, a common ground might be provided by burying a huge sheet of foil or mesh of fine wires, possibly made of aluminum (which is highly conductive and could be extracted from lunar soil), underneath the entire work area. Then all the habitat's walls and apparatus would be electrically connected to the aluminum.Research is still preliminary. So ideas differ amongst the physicists who are seeking, well, some common ground.

.   منبع : Crackling Planets   .

درمواقعی از سال که رطوبت هوا بسیار کاهش می‌یابد، بعد از چند قدم راه رفتن روی فرش منزل با کفشی که تخت چرمی یا پشمی داردُ اگر دستگیره فلزی درب اتاق را لمس کنید، تخلیه شدید بار الکتریکی منجر به سوزش خفیفی در نوک انگشتان‌تان خواهد شد. الکتریسیته ساکنی که در این مواقع از بدن انسان تخلیه می‌شود تا صدها ولت اختلاف پتانسیل دارد. برای اینکه بفهمیم این بار الکتریکی چگونه در بدن ما به وجود می‌آید باید با ساختمان اتمها آشنا شویم.

اتمها از هسته و پوسته تشکیل شده‌اند. در هسته نوترونهای فاقد بار الکتریکی و پروتونهای دارای بار مثبت قرار دارند که در مجموع بخش اعظم جرم یک اتم را تشکیل می‌دهند. الکترونها به تعدادی در پوسته قرار می‌گیرند تا بار الکتریکی کل اتم خنثی باشد. بعضی اتمها الکترونهای خود را با قدرت تمام نگه داشته‌اند و در مقابل بعضی دیگر انرژی چندانی برای نگهداری الکترونهای خود هزینه نمی‌کنند. نیروی لازم برای کندن الکترونی از پوسته اتم به فاصله رویه پوسته تا هسته مرکزی اتم بستگی دارد. زمانی که دو جسم با جنسهای متفاوت به هم مالیده می‌شوند با توجه به میزان میل اتمها به نگهداری الکترون، یکی از آنها الکترونهای خود را از دست می‌دهد و تجمع بار الکتریکی مثبت در آن افزایش می‌یابد و در مقابل دیگری با دریافت الکترونهای آزاد شده بار منفی پیدا می‌کند. از آنجا که همیشه میل به جذب الکترون در اتمهای مختلف متفاوت است، می‌توان مطمئن بود که در اثر تماس دو جنس مختلف با هم، حتماً تبادل الکتریسیته صورت می‌گیرد اما میزان این تبادل برای مواد مختلف، متفاوت است.

در زمین، جاییکه ما زندگی می‌کنیم، هوا و لباسهایی که می‌پوشیم به قدر کافی رطوبت دارد تا در نقش هادی الکتریکی عمل کرده و الکتریسیته ساکن ذخیره شده در بدن ما را که در اثر تماس با سایر اجسام پدید می‌آید، به زمین هدایت کنند. تخلیه تدریجی و اندک‌اندک بار الکتریکی بدن به زمین باعث می‌شود درد و رنج و خطرات ناشی از تخلیه ناگهانی بار الکتریکی منتفی شود.

مراقب دستگيره فلزی درب باش!
 در جایی مثل مریخ که رطوبت محیط صفر است، بعد از یک راهپیمایی باید به شدت از وسایل هادی الکتریسیته پرهیز نمود

اما زمانی که هوا و سایر چیزهایی که در اطراف ما قرار دارد کاملاً خشک باشند، هیچ راهی برای انتقال بار الکتریکی ذخیره شده در بدن به زمین وجود نخواهد داشت. در چنین شرایطی بدن انسان همانند یک خازن الکتریکی به ذخیره‌سازی بار الکتریکی منفی می‌پردازد. تخلیه بار الکتریکی ساکن در سفرهای فضایی یکی از مشکلات اساسی فضانوردانی خواهد بود که برای کاوش به ماه یا مریخ اعزام می‌شوند. در جایی مثل مریخ که هوا به شدت خشک است و هیچ رطوبتی در خاک وجود ندارد، چند قدم راه رفتن روی سطح این سیاره می‌تواند بار الکتریکی زیادی در پوسته لباس فضایی فضانورد ایجاد کند. یک انسان معمولی می‌تواند تا بیست هزار ولت بار الکتریسیته در خود ذخیره کند، در چنین حالتی تماس با مثلاً دستگیره درب ورودی سکونتگاهی در مریخ یک فاجعه به بار خواهد آورد.

این موضوع می‌تواند منجر به جراحت عمیق فضانورد و ایجاد اشکالات احتمالی در سیستمهای الکترونیکی لباس فضایی وی و یا محل سکونتش شود.

در جایی مانند مریخ یا ماه شرایط برای تولید الکتریسیته ساکن کاملاً ایده‌آل است. خاک سطح آنها کاملاً خشک است، خشکتر از بی آب و علف‌ترین صحرای روی زمین و در چنین شرایطی سطح سیاره یا قمر همچون یک عایق کامل عمل خواهد کرد. علاوه بر این در ساخت لباس فضایی، اتومبیلهای فضایی و سکونت‌گاه‌های فضایی از تعداد بی‌شماری ماده مختلف استفاده شده است که هیچ سنخیتی با خاک ماه یا مریخ نیز ندارند. با این اوصاف راه رفتن در سطح سیاره با چکمه‌های فضانوردی و راندن روی مریخ باعث تبادل الکترون بین سطح سیاره و لباس فضایی یا وسیله حمل و نقل سطحنورد خواهد شد و از آنجا‌که خاک سطح سیاره یا ماه کاملاً عایق است (به دلیل خشک بودن مطلق) تمام بار منتقل شده در لباس فضایی، بدن فضانورد و وسیله نقلیه سطح‌نورد باقی خواهد ماند. هنوز تخمین دقیقی از بار ذخیره شده نداریم، اما حدس زده می‌شود مقدار آن بسیار زیاد باشد.

مريخ‌نورد پتس‌فايندر
اولین بار دانشمندان هنگام امتحان مریخ‌نورد پتس‌فایندر  متوجه مشکل الکتریسیته ساکن شدند

موضوع مشکلات ناشی از بارهای الکترواستاتیکی اولین بار در اواخر دهه نود میلادی، در مرکز تحقیقات گلن - ناسا، جاییکه فیزیکدانی به نام جوزف کلوکی (Joseph Kolecki) به همراه همکارانش روی نمونه‌ای با ابعاد واقعی از مریخ‌نورد پتس‌فایندر (Path Finder) کار می‌کردند شناخته شد. آنها قبل از پرتاب مریخ‌نورد، شرایطی واقعی شامل سطح و جو مریخ را در آزمایشگاهی به وجود آوردند و با نمونه‌ای واقعی از مریخ‌نورد پتس‌فایندر به گشت و گذار در آن پرداختند. در آن شرایط بود که کلوکی و همکارانش متوجه صدها ولت بار الکترواستاتیکی شدند که مریخ‌نورد را در بر گرفته بود.

این کشف باعث شد که پژوهشگران ناسا به تکاپو افتند تا به گونه‌ای بر این مشکل فائق آیند. بار الکتریکی طبق یک اصل طبیعی در مناطق و موقعیتهای تیز جسم تجمع می‌کند.

از این رو دانشمندان با نصب رشته‌های بسیار نازکی از  جنس تنگستن روی بدنه فلزی آنتن تلاش کردند تا قسمت اعظم بار الکترواستاتیکی ایجاد شده روی مریخ‌نورد پتس‌فایندر را در این تارهای نازک فلزی جمع کنند. ایجاد اختلاف پتانسیل خیلی زیاد بین این رشته‌ها و جو رقیق مریخ باعث می‌شود بخش زیادی از بار اندك‌اندک توسط جو سیاره جذب گردد. چنین وسیله‌ای روی مریخ‌نوردهای روح (Spirit) و فرصت (Opportunity) نیز نصب شده است.

کارلوس کیل (Carlos Calle) از آزمایشگاه الکترواستاتیک و فیزیک سطح که در مرکز فضایی کندی مستقر است می‌گوید : "از فضانوردان مأموریت آپولو هیچ گزارشی مبنی بر تخلیه بار الکتریکی دریافت نشده است. اما باید در نظر داشت که مأموریتهای آینده به ماه با ابزارهای بزرگتر و فعالیتهای بیشتری همراه خواهد بود که طبیعتاً منجر به تولید بار الکتریکی ساکن در ابزار و لباس فضانوردان خواهد شد. اما در ماه دیگر جوی وجود ندارد تا بتوان به تخلیه تدریجی الکتریسیته از این راه امیدوار بود. بنابراین بار الکتریکی ذخیره شده دائماً افزایش خواهد یافت تا اینکه شرایط برای تخلیه محیا شود که در آن صورت حتماً شرایط مورد پسند ما نخواهد بود." وی در ادامه می‌افزاید: " در مریخ با توجه به وجود جو رقیق می‌توان امیدوار بود که تخلیه بار الکتریکی حداکثر در محدوده اختلاف پتانسیل صد و یا دویست ولت صورت پذیرد. چنین تخلیه‌ای برای سلامتی فضانوردان تهدید محسوب نمی‌شود هرچند باعث آزار آنها خواهد شد. با این وجود با اطمینان می‌توان گفت که چنین تخلیه الکتریکی ضعیفی باعث ایجاد آسیبهای جدی در ابزار و ادوات الکتریکی و الکترونیکی همراه آنها می‌گردد.

رشته‌های بسیار نازک تنگستن در نقش تخليه ‌كننده‌های الكتریسیته به جو رقيق مريخ عمل می‌كنند
رشته‌های بسیار نازک تنگستن در نقش تخلیه ‌کننده‌های الکتریسیته به جو رقیق مریخ عمل می‌کنند 

این مشکل در زمین به سادگی حل می‌شود. کافی است ادوات الکترونیکی و یا تجهیزاتی که بیم باردار شدن آنها می‌رود را با یک میله مسی به عمق یک تا دو متری زمین وصل کنیم. تقریباً در همه جای زمین این راه‌حل مشکل‌گشاست و به خوبی کار می‌کند. دلیل آن هم به رطوبت نسبی خاک در عمق یک تا دو متری زمین مربوط می‌شود. زمین مانند یک مخزن بسیار بزرگ هر چیزی را که با آن وصل کنیم، از نظر بار الکتریکی خنثی خواهد کرد.

اما خاک مریخ یا ماه فاقد رطوبت است و یخی که انتظار می‌رود در زیر سطح مریخ یافت شود نیز کارگشا نخواهد بود، چراکه یخ رسانای خوبی برای الکتریسیته نیست. بنابراین اتصال به سطح٬ ابزار ناکارآمدی برای تخلیه اکتریسیته ساکن در سطح مریخ یا ماه خواهد بود و نمی‌توان انتظار داشت چنین وسیله‌ای جهت خنثی‌سازی الکتریکی مجتمع‌های مسکونی مریخ یا ماه به کار رود!!!

شاید خنده‌دار به نظر برسد اما در مریخ می‌توان امیدوار بود که بهترین اتصال خنثی‌سازی را هوا برایمان فراهم کند. برای نیل به این منظور باید یک منبع رادیواکتیو بسیار ضعیف را به لباس فضایی، مریخ نورد و مسکن مریخی وصل کرد.

ذرات آلفای کم انرژی از منبع رادیواکتیو ضعیف به بیرون پرتاب شده و در اثر برخورد با مولکولهای جو رقیق مریخ و تحریک آنها، الکترون لایه بیرونی مولکولها را جدا کرده و آنها را یونیزه می‌کنند. به این ترتیب غشایی از هوای یونیزه شده با بار غالب مثبت به وجود می‌آید که باعث خنثی‌سازی منابع الکترواستاتیکی خواهد شد.

اما موضوع در ماه بسیار پیچیده‌تر است. در این قمر نه‌تنها خاک خشک است و رطوبتی برای رسانا کردن آن وجود ندارد بلکه حتی جو رقیقی نیز در دسترس نیست که بتوان با استفاده از ابزاری آن را به یک هادی الکتریسیته تبدیل نمود. شاید بتوان در ماه صفحات توری وسیعی از آلومینیوم که در همان‌جا قابل استحصال است، ساخت و سکونت‌گاه‌ها و کارگاه‌های فضایی را روی آن بنا نمود. در آن صورت این شبکه عظیم آلومینیومی در نقش خنثی‌کننده الکتریکی عمل خواهد کرد. تحقیقات در این زمینه هنوز در ابتدای راه است و هر روز ایده‌های جدیدی برای خنثی‌سازی الکتریسیته مزاحم ارائه و بررسی می‌شوند.

برای مطالعه بیشتر مراجعه فرمایید به :
     ...  Electrical Discharge on Mars
     ...  Triboelectric Charging of Common Objects
     ...  Electrostatic Charging of the Pathfinder Rover
     ...  طوفان در ماه

. شهرام یزدان پناه، پژوهشگر علوم و فناوری فضایی  .
 

مقاله‌های علمی   مهندسی فضایی   شهرام یزدان‌پناه   ماه   مریخ   الکتریسیته   سفر به ماه   سفر به مریخ   مشکلات سفر به فضا   

کلیدواژه‌ها:

ارسال به بالاترین  ارسال به دنباله  ارسال به فیس‌بوک  ارسال به دلیشز  ارسال به گوگل بوکمارک  ارسال به گوگل باز  ارسال به کلوب دات کام  


آخرین مطالب منتشر شده در دانش فضایی

چند مطلب تصادفی از دانش فضایی

نظر شما چیست؟                         
 
*  نام و نام خانوادگی
*  پست الکترونیک
(نمایش داده نخواهد شد)
آدرس وبگاه

دانش فضایی همواره آماده پاسخگویی به پرسش‌های شما درباره مقالات منتشر شده٬ است .

شما همچنین می‌توانید با استفاده از این فرم اطلاعات تکمیلی خود را درباره این مطلب با سایر خوانندگان دانش فضایی به اشتراک بگذارید.

 

صفحه نخست

رویدادهای فضایی

مقاله‌های علمی

مراكز فضایی دنیا

اینترنت و فضا

ارتباط با ما

درباره دانش فضایی

انوشه انصاری

ایران در فضا

رادیو دانش فضایی

تلویزیون دانش فضایی



آخرین مطلب:

 

RSS Feed

با عضو شدن در لیست علاقمندان دانش فضایی، اولین کسی باشید که مطالب این وب‌سایت را می‌خوانید٬ می‌بینید یا می‌شنوید:

::  عضو شوید  ::


دوست دانش فضایی شوید

فیدبرنر دانش فضایی دانش فضایی در توییتر دانش فضایی در فیس‌بوک دانش فضایی در فرندفا دانش فضایی در پیغامک 

تبلیغات
موسسه طبیعت آسمان شب٬ فروشنده انواع تلسکوپ و دوربین دوچشمی٬ میکروسکوپ٬ لوازم عکاسی٬ سه پایه و مقر٬٬ کتاب و پوستر و طراح و سازنده انواع رصدخانه و آسمان نما
خرید و فروش انواع تلسکوپ
 

 

معرفی یک کتاب فضایی
معاهدات و اصول فضای ماورای جو سازمان ملل متحد
معاهدات و اصول ماورای جو سازمان ملل متحد

 

دانشنامه فضایی٬ سازمان فضایی ایران
مجله نجوم
پارس اسکای

آویا٬ پایگاه اطلاع‌رسانی هوافضای ایران

نظر خود را درباره دانش فضایی به آلکسا بگویید

قطار وبگردی

ايروشاپ٬ اولين فروشگاه اينترنتي تخصصي مهندسي هوافضا

پرسش و پاسخ‌های کانوت

صفحه نخست   .  درباره دانش فضایی   .  نقشه سايت   .  تماس با دانش فضایی  انوشه انصاری٬ بانوی ایرانی در فضا

 برداشت از مطالب وب‌سايت   دانش فضایی  به شرط ذكر منبع و ايجاد لينك به صفحه مطلب مورد نظر،  آزاد است