این مطلب تا کنون 4136 بار خوانده شده است
يكشنبه، 15 مرداد 1385 | فضا و مشكلي به نام الكتريسيته ساكن |
| |
 | تخليه بار الكتريكي ساكن در فضا يكي از مشكلات اساسي فضانورداني خواهد بود كه براي كاوش به ماه يا مريخ اعزام ميشوند. در جايي مثل مريخ كه هوا به شدت خشك است و هيچ رطوبتي در خاك وجود ندارد، چند قدم راه رفتن روي سطح اين سياره ميتواند بار الكتريكي زيادي در پوسته لباس فضايي فضانورد ايجاد كند.Astronauts on the Moon and Mars are going to have to cope with an uncommon amount of static electricity. |
|
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 .
درمواقعي از سال كه رطوبت هوا بسيار كاهش مييابد، بعد از چند قدم راه رفتن روي فرش منزل با كفشي كه تخت چرمي دارد اگر دستگيره فلزي درب اتاق را لمس كنيد، تخليه شديد بار الكتريكي منجر به سوزش خفيفي در نوك انگشتانتان خواهد شد. الكتريسيته ساكني كه در اين مواقع از بدن انسان تخليه ميشود تا صدها ولت اختلاف پتانسيل دارد. براي اينكه بفهميم اين بار الكتريكي چگونه در بدن ما به وجود ميآيد بايد با ساختمان اتمها آشنا شويم.
اتمها از هسته و پوسته تشكيل شدهاند. در هسته نوترونهاي فاقد بار الكتريكي و پروتونهاي داراي بار مثبت قرار دارند كه در مجموع بخش اعظم جرم يك اتم را تشكيل ميدهند. الكترونها به تعدادي در پوسته قرار ميگيرند تا بار الكتريكي كل اتم خنثي باشد. بعضي اتمها الكترونهاي خود را با قدرت تمام نگه داشتهاند و در مقابل بعضي ديگر انرژي چنداني براي نگهداري الكترونهاي خود هزينه نميكنند. نيروي لازم براي كندن الكتروني از پوسته اتم به فاصله رويه پوسته تا هسته مركزي اتم بستگي دارد. زماني كه دو جسم با جنسهاي متفاوت به هم ماليده ميشوند با توجه به ميزان ميل اتمها به نگهداري الكترون، يكي از آنها الكترونهاي خود را از دست ميدهد و تجمع بار الكتريكي مثبت در آن افزايش مييابد و در مقابل ديگري با دريافت الكترونهاي آزاد شده بار منفي پيدا ميكند. از آنجا كه هميشه ميل به جذب الكترون در اتمهاي مختلف متفاوت ميباشد، ميتوان مطمئن بود كه در اثر تماس دو جنس مختلف با هم، حتماً تبادل الكتريسيته صورت ميگيرد اما ميزان اين تبادل براي مواد مختلف، متفاوت است.
در زمين، جاييكه ما زندگي ميكنيم، هوا و لباسهايي كه ميپوشيم به قدر كافي رطوبت دارد تا در نقش هادي الكتريكي عمل كرده و الكتريسيته ساكن ذخيره شده در بدن ما را كه در اثر تماس با ساير اجسام پديد ميآيد، به زمين هدايت كنند. تخليه تدريجي و اندكاندك بار الكتريكي بدن به زمين باعث ميشود درد و رنج و خطرات ناشي از تخليه ناگهاني بار الكتريكي منتفي شود.
در جايي مثل مريخ كه رطوبت محيط صفر است، بعد از يك راهپيمايي بايد به شدت از وسايل هادي الكتريسيته پرهيز نمود
| اما زماني كه هوا و ساير چيزهايي كه در اطراف ما قرار دارد كاملاً خشك باشند، هيچ راهي براي انتقال بار الكتريكي ذخيره شده در بدن به زمين وجود نخواهد داشت. در چنين شرايطي بدن انسان همانند يك خازن الكتريكي به ذخيرهسازي بار الكتريكي منفي ميپردازد. تخليه بار الكتريكي ساكن در سفرهاي فضايي يكي از مشكلات اساسي فضانورداني خواهد بود كه براي كاوش به ماه يا مريخ اعزام ميشوند. در جايي مثل مريخ كه هوا به شدت خشك است و هيچ رطوبتي در خاك وجود ندارد، چند قدم راه رفتن روي سطح اين سياره ميتواند بار الكتريكي زيادي در پوسته لباس فضايي فضانورد ايجاد كند. يك انسان معمولي ميتواند تا 20,000 ولت بار الكتريسيته در خود ذخيره كند، در چنين حالتي تماس با مثلاً دستگيره درب ورودي سكونتگاهي در مريخ يك فاجعه به بار خواهد آورد. |
اين موضوع ميتواند منجر به جراحت عميق فضانورد و ايجاد اشكالات احتمالي در سيستمهاي الكترونيكي لباس فضايي وي و يا محل سكونتش شود.
در جايي مانند مريخ يا ماه شرايط براي توليد الكتريسيته ساكن كاملاً ايدهآل است. خاك سطح آنها كاملاً خشك است، خشكتر از بي آب و علفترين صحراي روي زمين و در چنين شرايطي سطح سياره يا قمر همچون يك عايق كامل عمل خواهد كرد. علاوه بر اين در ساخت لباس فضايي، اتومبيلهاي فضايي و سكونتگاههاي فضايي از تعداد بيشماري ماده مختلف استفاده شده است كه هيچ سنخيتي با خاك ماه يا مريخ نيز ندارند. با اين اوصاف راه رفتن در سطح سياره با چكمههاي فضانوردي و راندن روي مريخ باعث تبادل الكترون بين سطح سياره و لباس فضايي يا وسيله حمل و نقل سطحنورد خواهد شد و از آنجاكه خاك سطح سياره يا ماه كاملاً عايق است (به دليل خشك بودن مطلق) تمام بار منتقل شده در لباس فضايي، بدن فضانورد و وسيله نقليه سطحنورد باقي خواهد ماند. هنوز تخمين دقيقي از بار ذخيره شده نداريم، اما حدس زده ميشود مقدار آن بسيار زياد باشد.
اولين بار دانشمندان هنگام امتحان مريخنورد پتسفايندر متوجه مشكل الكتريسيته ساكن شدند
| موضوع مشكلات ناشي از بارهاي الكترواستاتيكي اولين بار در اواخر دهه 1990، در مركز تحقيقات گلن - ناسا، جاييكه فيزيكداني به نام جوزف كلوكي (Joseph Kolecki) به همراه همكارانش روي نمونهاي با ابعاد واقعي از مريخنورد پتسفايندر (Path Finder) كار ميكردند شناخته شد. آنها قبل از پرتاب مريخنورد، شرايطي واقعي شامل سطح و جو مريخ را در آزمايشگاهي به وجود آوردند و با نمونهاي واقعي از مريخنورد پتسفايندر به گشت و گذار در آن پرداختند. در آن شرايط بود كه كلوكي و همكارانش متوجه صدها ولت بار الكترواستاتيكي شدند كه مريخنورد را در بر گرفته بود. اين كشف باعث شد كه پژوهشگران ناسا به تكاپو افتند تا به گونهاي موفق بر اين مشكل فائق آيند. بار الكتريكي طبق يك اصل طبيعي در مناطق و موقعيتهاي تيز جسم تجمع ميكند. |
از اين رو دانشمندان با نصب رشتههاي بسيار نازكي (حدود 0025/0 ميليمتر) از جنس تنگستن روي بدنه فلزي آنتن تلاش كردند تا قسمت اعظم بار الكترواستاتيكي ايجاد شده روي مريخنورد پتسفايندر را در اين تارهاي نازك فلزي جمع كنند. ايجاد اختلاف پتانسيل خيلي زياد بين اين رشتهها و جو رقيق مريخ باعث ميشود بخش زيادي از بار اندكاندك توسط جو سياره جذب گردد. چنين وسيلهاي روي مريخنوردهاي روح (Spirit) و فرصت (Opportunity) نيز نصب شده است.
كارلوس كيل (Carlos Calle) از آزمايشگاه الكترواستاتيك و فيزيك سطح كه در مركز فضايي كندي مستقر است ميگويد : "از فضانوردان مأموريت آپولو هيچ گزارشي مبني بر تخليه بار الكتريكي دريافت نشده است. اما بايد در نظر داشت كه مأموريتهاي آينده به ماه با ابزارهاي بزرگتر و فعاليتهاي بيشتري خواهد بود كه طبيعتاً منجر به توليد بار الكتريكي ساكن در ابزار و لباس فضانوردان خواهد شد. اما در ماه ديگر جوي وجود ندارد تا بتوان به تخليه تدريجي الكتريسيته از اين راه اميدوار بود. بنابراين بار الكتريكي ذخيره شده دائماً افزايش خواهد يافت تا اينكه شرايط براي تخليه محيا شود كه در آن صورت حتماً شرايط مورد پسند ما نخواهد بود." وي در ادامه ميافزايد: " در مريخ با توجه به وجود جو رقيق ميتوان اميدوار بود كه تخليه بار الكتريكي حداكثر در محدوده اختلاف پتانسيل صدو يا دويست ولت صورت پذيرد. چنين تخليهاي براي سلامتي فضانوردان تهديد محسوب نميشود هرچند باعث آزار آنها خواهد شد. با اين وجود با اطمينان ميتوان گفت كهچنين تخليه الكتريكي ضعيفي باعث ايجاد آسيبهاي جدي در ابزار و ادوات الكتريكي و الكترونيكي ميگردد.
رشتههاي بسيار نازك تنگستن در نقش تخليه كنندههاي الكتريسيته به جو رقيق مريخ عمل ميكنند
| اين مشكل در زمين به سادگي حل ميشود. كافي است ادوات الكترونيكي و يا تجهيزاتي كه بيم باردار شدن آنها ميرود را با يك ميله مسي به عمق يك تا دومتري زمين وصل كنيم. تقريباً در همه جاي زمين اين راهحل مشكلگشاست و به خوبي كار ميكند. دليل آن هم به رطوبت نسبي خاك در عمق يك تا دو متري زمين مربوط ميشود. زمين مانند يك مخزن بسيار بزرگ هر چيزي را كه با آن وصل كنيم، از نظر بار الكتريكي خنثي خواهد كرد. اما خاك مريخ يا ماه فاقد رطوبت است و يخي كه انتظار ميرود در زير سطح مريخ يافت شود نيز كارگشا نخواهد بود، چراكه يخ رساناي خوبي براي الكتريسيته نميباشد. بنابراين اتصال به سطح ابزار ناكارآمدي براي مريخ يا ماه خواهد بود و نميتوان انتظار داشت چنين وسيلهاي جهت خنثيسازي الكتريكي مجتمعهاي مسكوني مريخ يا ماه به كار روند!!! شايد خندهدار به نظر برسد در مريخ ميتوان اميدوار بود كه بهترين اتصال خنثيسازي را هوا برايمان فراهم كند. براي نيل به اين منظور بايد يك منبع راديواكتيو بسيار ضعيف را به لباس فضايي، مريخ نورد و مسكن مريخي وصل كرد. |
ذرات آلفاي كم انرژي از منبع راديواكتيو ضعيف به بيرون پرتاب شده و در اثر برخورد با مولكولهاي جو رقيق مريخ و تحريك آنها، الكترون لايه بيروني مولكولها را جدا كرده و آنها را يونيزه ميكنند. به اين ترتيب غشايي از هواي يونيزه شده با بار غالب مثبت به وجود ميآيد كه باعث خنثيسازي منابع الكترواستاتيكي خواهد شد.
اما موضوع در ماه بسيار پيچيدهتر است. در اين قمر نهتنها خاك خشك است و رطوبتي براي رسانا كردن آن وجود ندارد بلكه حتي جو رقيقي نيز در دسترس نيست كه بتوان با استفاده از ابزاري آن را به يك هادي الكتريسيته تبديل نمود. شايد بتوان در ماه صفحات توري وسيعي از آلومينيوم كه در همانجا قابل استحصال است، ساخت و سكونتگاهها و كارگاههاي فضايي را روي آن بنا نمود. در آن صورت اين شبكه عظيم آلومينيومي همچون مخزن بزرگي در نقش خنثيكننده الكتريكي عمل خواهد كرد.تحقيقات در اين زمينه هنوز در ابتداي راه است و هر روز ايدههاي جديدي براي خنثيسازي الكتريسيته مزاحم ارائه و بررسي ميشوند.
براي مطالعه بيشتر مراجعه فرماييد به :
... Electrical Discharge on Mars
... Triboelectric Charging of Common Objects
... Electrostatic Charging of the Pathfinder Rover
... Static Electricity
. شهرام یزدان پناه، پژوهشگر علوم و فناوری فضایی .