ما هي السرعة القصوى التي يمكن للبشر السفر من خلالها عبر الفضاء

يبدو أننا نحن معشر البشر مخلوقات مهوسة بالسرعة، فخلال الأشهر الأخيرة مثلاً، كانت الأخبار التي اجتاحت المحطات الإعلامية تتمحور حول كيف استطاع طلاب من ألمانيا كسر الرقم القياسي لأسرع سيارة كهربائية، وكيف تخطط القوات الجوية الأمريكية لتطوير طائرات تفوق سرعتها سرعة الصوت بخمس أضعاف، ولكن المثير في الأمر أن هذه الطائرة لن تحمل على متنها أي طاقم، وهذا لا يعود لكون البشر لا يستطيعون السفر ضمن هذه السرعات العالية، بل في الواقع، استطاع الإنسان بالفعل السفر بسرعات تفوق سرعة الصوت بعدة مرات، وهذا يطرح سؤال مهم، هل هناك حدود لقدرتنا على تحمل السرعات العالية، وإلى أي حد لا يعود الجسم البشري قادراً على تحمل وطأة السرعة؟

أقصى سرعة استطاع الإنسان السفر فيها تم تحديدها من قبل رواد الفضاء الثلاثة الذين حلقوا في الفضاء في بعثة ناسا (أبولو 10)، فخلال طريق عودتهم من رحلتهم حول القمر في عام 1969، وصلت كبسولة رواد الفضاء إلى ذروة سرعتها عند 24،790ميل/ سا أي ما يساوي ( 39،897كم/سا)، وتبعاً لـ(جيم براي) من شركة الطيران لوكهيد مارتن، فإننا لم نكن لنتصور قبل مئات السنين أنه يمكن للإنسان أن يسافر في الفضاء ضمن سرعة تقارب الـ40,000 كيلومتر في الساعة.

ولكن من المفترض أن يتم التغلب على هذا الرقم بعد وقت قريب نسبياً، فتبعاً لـ(براي)، وهو مدير مشروع وحدة طاقم أوريون في وكالة الفضاء الأمريكية ناسا، فإنه من المفترض أن تكون المركبة الفضائية الجديد (أوريون) التي ستحمل رواد الفضاء إلى المدار الأرضي المنخفض، قادرة على تحطيم الرقم القياسي الذي تم وضعه قبل 46 عام لأكبر سرعة وصل إليها البشر في السفر حتى الآن.

من المفترض أن تكون أول مهمة مأهولة لصاروخ برنامج نظام الإطلاق الفضائي، وهو صاروخ جديد من المقرر أن يقوم بنقل سفينة الفضاء (أوريون) إلى الأعلى، في عام 2021، حيث أن هذه المهمة ستتضمن رحلة رحلة تحليق بالقرب من كويكب يدور ضمن فلك القمر، وبعد ذلك من المقرر أن تنطلق المركبة في بعثة تمتد لأشهر طويلة إلى المريخ في المستقبل القريب، أما في الوقت الحاضر، فإن المصممين يتصورون بأن أقصى سرعة ستصل إليها مركبة (أوريون) النموذجية ستكون حوالي 19,900 ميل/سا (32,000 كم/ سا)، ومع أن هذه السرعة هي أقل من سرعة (أبولو 10)، إلا أن الرقم القياسي الذي حققته هذه البعثة يمكن تجاوزه، فتبعاً لـ(براي)، تصميم مركبة (أوريون) الحالي مجهز لتأدية العديد من المهام المختلفة على مدى فترة حياتها، ولذلك فإن سرعتها يمكن أن ترتفع لتصبح أكثر بكثير مما تم التخطيط له بالفعل.

ولكن حتى مركبة (أوريون) لا تمثل ذروة إمكانية السرعة لدينا، فتبعاً لـ(براي)  ليس هناك حدود عملية حقيقية لمدى السرعة التي يمكننا السفر بها، عدا عن سرعة الضوء، وهي حوالي مليار كيلومتر في الساعة، فهل يمكننا أن نأمل بأن نصل من سرعة 40,000 كم/سا إلى تلك السرعة بأمان؟

من المثير للاهتمام، بأن السرعة – التي تعرف بكونها معدل الحركة – لا تطرح أي مشكلة بالنسبة لنا جسدياً بحد ذاتها، وذلك طالما كانت ثابتة نسبياً، وفي اتجاه واحد، لذلك، يجب على البشر أن يكونوا قادرين – أقله من الناحية النظرية- على السفر بسرعات لا تحدها سوى حدود السرعة الكونية، والتي هي سرعة الضوء.

ولكن على افتراض أننا تمكنا من التغلب على العقبات التكنولوجية الكبيرة التي تتمثل في بناء مركبة فضائية تمتلك مثل هذه السرعة، عندها سيتعين على أجسادنا الهشة والتي تتكون في معظمها من الماء أن تتعامل مع مخاطر جديدة قد تأتي مع هذا النوع من السفر عالي السرعة، كما وسيكون هناك أيضاً مخاطر نظرية إذا ما تمكن البشر من الوصول لسرعة سفر تصل إلى أسرع من سرعة الضوء، وذلك إما عن طريق استغلال الثغرات في الفيزياء المعروفة أو من خلال الوصول إلى اكتشافات تحطم النظريات القديمة.

تحمل قوة الجاذبية

ومع ذلك، فعند الوصول إلى سرعات تزيد عن 40,000 كم/ سا، سيكون علينا الوصول إلى هذه السرعات (والحد منها) بأناة وروية، حيث أن التسارع والتباطؤ السريعين يمكن أن يكونا أمراً قاتلاً للكائن البشري، وذلك يبدو جلياً إذا ما أخذنا بعين الاعتبار الصدمة الجسدية التي تصيب البشر أثناء حوادث السيارات، مع العلم أن التحول في السرعة في مثل هذه الحوادث يكون من بضع عشرات الكيلومترات في الساعة إلى الصفر في غضون ثوان.

يعود السبب في ذلك إلى خاصية كونية معروفة باسم “القصور الذاتي” أو “العطالة”، وهي مقاومة أي كائن ذو كتلة لأي تغيير يمكن أن يطرأ على حالته الحركية، وقد عبر (نيوتن) عن هذا المفهوم في قانونه الأول للحركة، والذي يقول بأن الجسم الساكن يبقى ساكناً والجسم المتحرك يبقى متحركاً في ذات السرعة وبذات الاتجاه ما لم تؤثر عليه قوة خارجية، لذلك وفي حالة الجسم البشري، فإن الثبات يبدو أمراً جيداً، ولكن تبعاً لـ(براي) فإن المشكلة تكمن في التسارع.

منذ حوالي قرن من الزمان، أدى اختراع الطائرات القوية التي يمكنها تنفيذ مناورات سريعة، إلى جعل الطيارين يعانون من أعراض غريبة تتعلق بالسرعة وتغيرات الاتجاه، وقد شملت هذه الأعراض فقدان الرؤية بشكل مؤقت والإحساس إما بالوزن الزائد أو بخفة الوزن، والسبب في ذلك يعود إلى قوة الجاذبية، أو ما يعرف بالفيزياء برمز G)) ، والتي يتم حسابها من خلال ضرب قوة التسارع بالكتلة، وإذا ما كانت الكتلة هي جسم الإنسان، فإن (G) تساوي قوة سحب الجاذبية الأرضية لجسم الإنسان نحو مركز الكوكب في 9.8 متر مربع في الثانية (عند مستوى سطح البحر).

إن الشد العمودي لقوة تسارع الجاذبية (التي تجذب الإنسان من الرأس إلى أخمص القدمين أو بالعكس)، هي التي تشكل المشكلة الحقيقية بالنسبة للطيارين والركاب، فتدفق الدم إلى الرأس نتيجة لتأثير قوة تسارع الجاذبية السلبية- من أخمص القدمين إلى الرأس- يتسبب في إعطاء ذلك الشعور بالاحتقان الكبير المشابه لما يحدث عند الوقوف على اليدين، حيث يبدأ الوجه بالاحتقان والتورم نتيجة لتدفق الدم إليه، ويبدأ الجفن السفلي للعين بالارتفاع ليغطي البؤبؤ، وبالعكس، فعندما يكون التسارع إيجابياً، من الرأس إلى القدمين، تكون العينين والدماغ في حالة حرمان من الأكسجين، ويتجمع الدم في الأطراف السفلية، كما تحدث حالة بدائية من ضعف الرؤية تسمى “بالرؤية النفقية”، والتي يليها فقدان الرؤية بشكل تام، أو “التعتيم”، وإذا وصل التسارع الإيجابي إلى مستويات مرتفعة، فإن هذا يمكن أن يؤدي إلى الإغماء التام، وهي حالة يطلق عليها اسم “القوة G التي تسبب فقدان الوعي” (جي- لوك)، والجدير بالذكر أن العديد من وفيات الطيران كانت ناتجة عن إصابة الطيارين بالتعتيم.

يمكن للشخص العادي أن يصمد أمام قوة تسارع جاذبية إيجابية تصل إلى خمسة أضعاف قوة تسارع الجاذبية العادية، قبل أن يفقد الوعي، في حين يستطيع الطيارون المتمرسون والذين يرتدون ملابس واقية خاصة ويتم تدريبهم للتحكم بعضلات جذعهم بحيث يحافظون على تدفق الدم إلى رؤوسهم، أن يظلوا صامدين حتى حوالي تسعة أضعاف قوة تسارع الجاذبية العادية، فتبعاً لـ(جيف سفينتيك) المدير التنفيذي لجمعية الفضاء الطبية، والتي يقع مقرها بولاية فرجينيا، فإن الجسم البشري يستطيع تحمل تسارع أكبر بكثير من تسعة أضعاف تسارع الجاذبية العادي ضمن فترة قصيرة، ولكن الحفاظ على هذه القدرة لفترة طويلة من الزمن، لا يستطيع القيام به سوى عدد قليل جداً من البشر.

في الفضاء

يتعرض رواد الفضاء في مركباتهم إلى قوة تسارع جاذبية عالية أيضاً، تتراوح بين ثلاثة وثمانية عند الإقلاع من الغلاف الجوي وإعادة الدخول إليه على التوالي، ولكن هذا التأثير يكون عادة لطيفاً نوعاً ما، حيث أن محوره يؤثر من الأمام إلى الخلف، وذلك لأن رواد الفضاء يكونون مربوطين إلى مقاعد يتم توجيهها باتجاه وجهتهم للسفر، وبمجرد أن يصبح رواد الفضاء تحت تأثير قوة سرعة انطلاق ثابتة تصل لحوالي 16,150 ميل/سا (26.000كم/سا) في المدار، لا يعودون يشعرون بسرعتهم أكثر مما يشعر ركاب الطائرات التجارية بسرعة الطائرة أثناء السفر.

من جهة ثانية، فإن لم تكن قوى الجاذبية مشكلة بالنسبة لبعثات (أوريون) على المدى الطويل، فإن الصخور الفضائية الصغيرة -“النيازك الدقيقة” – قد تكون كذلك، فهذه الجزيئات التي لا يتجاوز حجمها حجم الحبوب يمكن أن تصل سرعتها إلى سرعات مدمرة تتجاوز 186,000 ميل /سا (أي ما يقارب 300,000 كم / ساعة)، لذلك ولحماية السفينة وطاقمها، تمتلك (أوريون) طبقة الخارجية واقية تختلف سماكتها ما بين مكان إلى آخر من 18 إلى 30 سم، بالإضافة إلى غيرها من الدروع والمعدات ذات التموضع الذكي.

ولكن من المؤكد أن النيازك الدقيقة ليست العثرة الوحيدة التي يمكن أن تعيق بعثات الفضاء في المستقبل حيث تكون سرعات البشري أثناء السفر أعلى بكثير مما هي عليه الآن، ففي مهمة المريخ، سيكون هناك أمور أخرى يجب معالجتها، بما في ذلك إمدادات الطاقم الغذائية وزيادة نسبة مخاطر الإصابة بالسرطان جراء التعرض للإشعاع الكوني وغيرها من المسائل العملية، ولكن على الرغم من ذلك، فإن تقصير مدة السفر، من شأنها أن تخفف من وطأة هذه الأمور، وهذا يجعل نهج السرعة أمر أكثر تطلباً.

السفر إلى الفضاء، والجيل الجديد

الحاجة إلى السرعة تطرح عقبات جديدة، حيث أن ناقلات ناسا الجديدة التي قد تهدد بتحطيم سجل (أبولو 10) في السرعة لا تزال تعتمد على أنظمة دفع الصواريخ الكيميائية التي كانت تستخدم منذ البعثات الفضائية الأولى، ولكن هذه تقيد الوصول إلى السرعات الكبيرة بطرق عديدة، وذلك لأنها لا تنتج سوى كميات قليلة من الطاقة لكل وحدة من الوقود.

لذلك، ومن أجل الوصول إلى سرعات سفر أكبر بشكل ملحوظ تلبي طموح البشر الذين يسعون للذهاب إلى المريخ وما بعده، يدرك العلماء أن هناك حاجة لإيجاد مناهج جديدة، حيث يشير (براي)، إلى أن النظم الموجودة اليوم ستكون جيدة بما فيه الكفاية للوصول إلى هناك، ولكن مع ذلك، فإنه سيكون هناك حاجة للوصول إلى ثورة جديدة في أنظمة الدفع.

يحدد (إريك ديفيس)، وهو باحث فيزيائي كبير في معهد الدراسات المتقدمة في أوستن، ثلاثة وسائل يمكن أن تكون واعدة أكثر من غيرها – وذلك على افتراض استمرار العمل بالفيزياء التقليدية – في إيصال الإنسانية إلى سرعات معقولة تمكن البشر من السفر بين الكواكب، وهي ظواهر إطلاق الطاقة من الانشطار، والانصهار وإفناء المادة المضادة.

يعتمد الأسلوب الأول على مبدأ إنقسام الذرات، كما هو الحال في المفاعلات النووية التجارية، أما الأسلوب الثاني، أي الانصهار، فهو يجمع الذرات لينتج ذرات أثقل، كما هو الحال في رد الفعل الذي يولد طاقة الشمس، والتكنولوجيا التي لا تزال بعيدةً عن متناولنا، وتبعاً لـ(ديفيس)، فعلى الرغم من أن هذه التقنيات تعتبر من التقنيات المتقدمة، ولكنها تعتمد على الفيزياء التقليدية التي تم ترسيخها منذ فجر العصر الذري، والأمر الذي يبعث على التفاؤل هو أن مختلف نظم الدفع التي تقوم على أساس مفاهيم الانشطار والانصهار، يمكنها نظرياً تسريع السفن الفضائية حتى 10% من سرعة الضوء – أي ما يقارب 62,000,000 ميل /سا (100,000,000 كم/سا).

تعتبر المادة المضادة أفضل طريقة لتزويد الطاقة للمركبات الفضائية السريعة، وهي مادة يمكن اعتبارها بأنها المادة القرينة للمادة العادية، فعندما تتصل المادتان معاً، فإن إحداهما تلغي الأخرى، وهذه العملية تنتج طاقة نقية، والجدير بالذكر أن تقنيات توليد وتخزين كميات (ضئيلة ومسالمة) من المادة المضادة موجودة حالياً بالفعل، ولكن إنتاج المادة المضادة بكميات مفيدة سوف يحتاج لإيجاد مرافق مخصصة للجيل القادم، كما أن العديد من التحديات الهندسية قد تواجه هذه السفينة الفضائية، لكن (ديفيس) يشير إلى أن هناك الكثير من الأفكار الجيدة التي يتم طرحها حالياً.

باستخدام المحركات التي تعمل بوقود المادة المضادة، يمكن للمركبات الفضائية أن تسير بسرعة تصل تقريباً إلى مستوى سرعة الضوء على مدى فترات طويلة تصل إلى أشهر أو سنوات، وهذا يمكن أن يبقي على مستوى قوة جاذبية التسارع بمعدل مقبول للركاب، ولكن هذه السرعات الجديدة الرائعة، يمكن تدخل جسم الإنسان في مخاطر جديدة.

وابل الطاقة

عند سرعة تصل إلى عدة مئات من ملايين الكيلومترات في الساعة، يتحول كل جزيء صغير في الفضاء، من ذرات غاز هيدروجين الطائشة للنيازك الدقيقة، إلى رصاصة ذات مفعول كبير قادرة على اختراق بدن السفينة، فتبعاً لـ(آرثر ادلشتاين)، وهو نجل أستاذ الأشعة الراحل (وليام ادلشتاين)، اللذان كانا يعملان معاً على استكشاف آثار ذرات الهيدروجين الكونية على الرحلات الفضائية الفائقة السرعة، فإنه عندما تتحرك المركبة الفضائية بسرعات عالية، فإن هذا يعادل في تأثيره تحرك الجسيمات نحوها بسرعات عالية.

حتى وإن وجدت السفينة في مناطق ذات كثافات قليلة تصل لنحو ذرة واحدة في السنتيمتر المكعب، فإن الكون المحيط بالهيدروجين سيتحول إلى وابل من الإشعاع الكثيف، حيث تتحطم ذرة الهيدروجين إلى جسيمات دون ذرية من شأنها أن تنتقل إلى السفينة، وتصيب بإشعاعها كل من الطاقم والمعدات، وبسرعة تصل لحوالي 95% من سرعة الضوء، فإن التعرض يكون شبه قاتلاً بطريقة شبه فورية، ففي تلك الحالة يمكن أن تصل حرارة السفينة الفضائية لدرجات حرارة يمكن أن تكون قادرة على إذابة أي مادة يمكن تصورها، في حين تبدأ المياه التي توجد في أجسام الطاقم بالغليان على الفور، لذلك يعتقد (ادلشتاين) أنه لا يمكن للسفن الفضائية أن تسير بسرعة أكبر من نصف سرعة الضوء دون قتل ركابها البشريين.

ولكن تبعاً لـ(مارك ميلز)، وهو فيزيائي في مجال الدفع، فإن القلق حول الحد الأقصى للسرعة السفر البشري يبقى مصدر قلق بعيد، فبناءاً على الفيزياء الحالية، الوصول إلى سرعات تتجاوز 10% من سرعة الضوء سوف يكون أمراً صعباً للغاية، لذلك نحن لم نصل لمرحلة الخطر بعد، ولا داعي للقلق بشأن الغرق إذا لم نستطع الوصول إلى المياه حتى الآن.

هل نحن محكومون بسرعات مقيدة؟

أخيراً، ومن خلال ما تقدم، هل يمكن القول بأننا سنظل عالقين إلى الأبد في سرعات شبه خفيفة بسبب بيولوجية جسمنا الواهية؟

إن جواب هذا السؤال لا يهم فقط من أجل الوصول إلى رقم قياسي إنساني جديد في السرعة، بل أيضاً لإمكانية وصول جنسنا لإنشاء مجتمعات بين النجوم، ففي الحد الأقصى الذي وضعه (ادلشتاين) للسرعة، والذي يتمثل بنصف سرعة الضوء، فإن رحلة إلى أقرب نجم إلينا ستستغرق أكثر من 16 سنة ذهاباً وإياباً، ولكن تبعاً لـ(ميليس)، فإن هناك أمل دائماً، فهو متفائل بإمكانية اختراع البشر لبذلات ذات مقاومة عالية لتسارع الجاذبية، ودروع مقاومة للنيازك الدقيقة، مما سيسمح بالسفر بشكل آمن بسرعات مذهلة في الفضاء، حيث أشار بأن البشر سيبتكرون دائماً طريقة جديدة للبقاء مهما كانت حدود السرعة التي سنواجهها في المستقبل.