واشنطن العاصمة - جمعت الرحلات الأولى إلى المريخ البيانات أثناء الطيران أو الدوران حول الكوكب الأحمر. ثم جاءت المهمات مع مركبات الهبوط و المركبات الجوالة . في يوم من الأيام ، قد تقوم الرحلات الاستكشافية - سواء كانت تحمل طاقمًا بشريًا أم لا - باستكشاف الكوكب باستخدام نوع من الطائرات بدون طيار. ويستعد جيمس فاغان البالغ من العمر 12 عامًا ، والذي يدرس في مدرسة ريفرسايد الافتراضية في ريفرسايد بولاية كاليفورنيا ، لذلك. لقد بنى بالفعل نفقًا بسيطًا للرياح لاختبار المركبات التي يجري تصميمها للطيران على كوكب المريخ.
لا أحد يعلم كيف يمكن أن تبدو مثل هذه الطائرة بدون طيار. قد يكون مسبارًا صغيرًا يشبه الطائرات مع أجنحة ومروحة. أو قد يكون جهازًا شبيهًا بالمروحية يتم دفعه بواسطة عدة دوارات. مهما كان التصميم ، سيحتاج المهندسون إلى اختبار أيٍّ منها في ظل ظروف واقعية قبل شحنها إلى الكوكب الأحمر. على وجه الخصوص ، يحتاج الباحثون إلى إظهار أنهم قادرون على البقاء عالياً في الغلاف الجوي البارد الرقيق للمريخ. أفضل طريقة لاختبار ذلك هي استخدام نفق هوائي .
عادة ما يكون هذا المرفق كبيرًا ومكلفًا. لكن الذي بناه جيمس ليس كذلك. نوباته على طاولة العمل في المنزل. عرض المهندس الشاب تصميمه هنا ، الشهر الماضي ، في مسابقة Broadcom MASTERS السنوية الثامنة. يجمع هذا الحدث 30 طالبًا من المدارس المتوسطة في الولايات المتحدة ، كل عام ، لمواجهة تحديات الفريق. (يرمز MASTERS إلى الرياضيات والعلوم التطبيقية والتكنولوجيا والهندسة للنجوم الصاعدة.) تم إنشاء البرنامج بواسطة جمعية العلوم والجمهور التي تنشر أخبار العلوم للطلاب وهذه المدونة. مؤسسة Broadcom ، ومقرها في إيرفين ، كاليفورنيا ، ترعى الحدث.
على عكس معظم المسابقات العلمية ، يعتمد حوالي خُمس النتيجة الإجمالية للمتسابقين النهائيين فقط على البحث المؤهل الذي شارك فيه في معرض العلوم العام السابق. تأتي نتائج بقية المتسابقين من الإبداع الذي أظهروه ومدى نجاحهم في العمل كجزء من الفريق.
ثار تنفخ
غالبًا ما يستخدم المهندسون والمصممين أنفاق الرياح لتحليل تدفق الهواء حول النماذج المصغرة للمركبات. هذا يتيح لهم قياس مدى انسيابية هذه الكائنات. وهذا بدوره يمكن أن يساعد الناس على تقدير مدى جودة الطيران التي يمكن أن تطير بها طائرة أو صاروخ. يمكن أن يساعد أيضًا في قياس نوع الأميال التي قد تحصل عليها سيارة أو طائرة هليكوبتر.
جيمس يريد أن يصبح مهندس طيران. وكان دائمًا مهتمًا بالمريخ. قبل عامين ، وصل إلى نهائيات Broadcom MASTERS. حاول مشروعه في ذلك العام اكتشاف نوع تصميم الجناح الذي قد يوفر أكبر رفع في هواء المريخ. كان جيمس واحدًا من اثنين من المتسابقين في عام 2016 للفوز بجوائز "النجوم الصاعدة". هذا العام ، بنى جيمس نفقًا للرياح يمكن أن يساعد في اختبار تصميمات الأجنحة هذه والتحقق منها.
معظم أنفاق الرياح بها تدفق عبر التصميم. يرسمون الهواء في أحد طرفي النفق ويرسلونه من الطرف الآخر. ولكن لمحاكاة المريخ ، كان يجب أن يكون نفق جيمس الهوائي مختلفًا. يبلغ ضغط الهواء على سطح الكوكب الأحمر حوالي 1 في المائة فقط من ارتفاع مستوى سطح البحر على الأرض. كما يحتوي الهواء على غازات مختلفة. على الأرض ، يتكون أكثر من 99 في المائة من الهواء من النيتروجين والأكسجين. على كوكب المريخ ، حوالي 96 في المائة من الهواء هو ثاني أكسيد الكربون ، أو ثاني أكسيد الكربون (يشكل هذا الغاز 0.04 في المائة فقط من الهواء على الأرض.)
للتأكد من قدرته على الحفاظ على ظروف تشبه المريخ داخل نفق الرياح ، بنى جيمس نظامًا مغلقًا. يمكنه إغلاق مجموعته الكبيرة من الأنابيب من الغلاف الجوي للأرض. كلما أجرى اختبارًا ، يستخدم المضخات لامتصاص كل الهواء من نفقه. بعد ذلك ، يضيف القليل من ثاني أكسيد الكربون إلى أن يتطابق الضغط داخل نفقه مع الظروف على المريخ. تسحب مروحة صغيرة أول أكسيد الكربون من خلال قسم الاختبار من نفقه الهوائي. هذا هو المكان الذي يختبر فيه نماذج صغيرة من الأجنحة وما شابه.
يقول جيمس:"إنه احتمال رائع أن أكون قادرًا على محاكاة الغلاف الجوي للمريخ في النفق الخاص بي".
قام بصياغة نفقه باستخدام أنابيب ووصلات PVC (البولي فينيل كلوريد) التي اشتراها من متجر لتحسين المنزل. يبلغ قطر معظم الأجزاء حوالي 7.6 سم (3 بوصات). يبلغ سمك جدران الأنابيب حوالي 0.5 سم (0.2 بوصة). هذا أمر جيد:يلاحظ جيمس أنه إذا كانت الجدران أرق ، فإن الضغط الأكبر للغلاف الجوي للأرض خارجه قد يسحق الأنابيب.
واجه جيمس بعض المفاجآت. على سبيل المثال ، تدور المروحة التي تحرك الهواء عبر النفق بسرعة 23000 دورة في الدقيقة (rpm) أثناء التجارب التي استخدمت ظروفًا شبيهة بالأرض. ولكن عندما أجرى جيمس اختبارات محاكاة المريخ داخل النفق ، قامت المروحة بتدوير أسرع بنسبة 39٪. من المحتمل أن يكون ذلك بسبب انخفاض ضغط الهواء أثناء تلك الاختبارات ، وهو يشك الآن في ذلك.
يقول جيمس إنه بالنسبة لطائرة مريخية كاملة الحجم ، قد تكون نتائج الاختبار هذه أخبارًا جيدة. على سبيل المثال ، قد تكون طائرة بدون طيار قادرة على الطيران على سطح المريخ ببطارية أصغر بكثير مما هو مطلوب على الأرض. أو ، قد تغطي المهام الاستكشافية للطائرة بدون طيار منطقة أوسع دون الحاجة إلى وقود إضافي.
