جماليات العلم (1) الاقمار الصناعية , Aesthetics OF SCIENCE (1) Satellites

مسَلم الكساسبة

الحوار المتمدن-العدد: 5018 - 2015 / 12 / 19 - 02:35
المحور: الطب , والعلوم
    

توطئة :

في العلم النظري وحتى البحت منه بدوره جمال وروعة خاصة ، لكن ربما المشكلة في انه لا يحس بجمالياته تلك ولا يتذوقها بشكل أعمق إلا دارسوه والمتخصصون به كل حسب اختصاصه .. حيث يقوم عائق المعرفة بين عامة الناس وبين ذلك التذوق الجمالي.

وهنا تأتي ميزة التكنولوجيا والصناعة في أنها تجسد هذا الجمال على ارض الواقع على شكل منتجات عملية متاحة للجميع لتقرب ذلك الإدراك بهذا الجمال ولكي يشعر به ويتذوقه الإنسان العادي ..

هنا في هذه السلسلة نحاول ذلك أيضا كلما وسعنا الأمر بان نكتب مقالات علمية بلغة شعرية أو أدبية بعيدا عن اللغة العلمية الرياضية الجافة -إن صح التعبير- لنقرب ونعكس تلك الجماليات للإنسان العادي غير المتخصص .. لاسيما في عالمنا العربي ، حيث يسود الجفاء والقطيعة مع العلم ويغلب على الثقافة العربية الموروث الأدبي والديني مضعفا الاهتمام بالعلوم

إلمامة تاريخية :
-----------
سبق الخيال العلمي المحاولات التكنولوجية الحقيقية وكان حافزا لها .. لكن أول محاولة لإطلاق الأقمار الصناعية كانت 1957 ، وكانت هي سبوتنك ون السوفيتية .. تلتها أمريكا 1960 بقمر Echo 1 وكان من نوع المرآة العاكسة فقط أو القمر الخامل Passive satellite دون تجهيزات الكترونية بداخله ثم 1962 بقمر المستكشف وهكذا توالت المحاولات والنجاحات البشرية لريادة الفضاء .

وفي السنوات الأخيرة وبفعل انتشار القنوات الفضائية واجهزة الاستقبال ، وبفعل التكنولوجيا الحديثة التي ترجمت وبسّطت العلوم النظرية على شكل منتجات عملية في متناول الجميع ، فكلنا نستخدم الأقمار الصناعية يوميا بفعل أجهزة الرسيفرات الفضائية في البيوت أو شبكات الأجهزة الخلوية التي بعضها تتواصل بينها عبر تلك الأقمار . حتى صار مألوفا للجميع مصطلح الأقمار الصناعية ..

كيف يدور القمر الصناعي في مدار ثابت حول الأرض
--------------------------------

تؤثر الأرض بقوة جاذبيتها على الأجسام في النطاق الخاضع لتلك الجاذبية بشكلين مختلفين وفي نطاقين مختلفين بصورة مختلفة لكل منهما ..

ففي نطاق معين وحتى مسافة محددة من سطحها فإن أي جسم ضمن ذلك النطاق ستعمل على جذبه وإرجاعه اليها ، أي جعله يسقط سقوطا حرا ويعود لها .. وغالبا ضمن الغلاف الجوي للأرض (حوالي 500 كم) فانه رغم تضاؤل الجاذبية هناك إلا أن الاحتكاك مع هواء ومكونات الغلاف الجوي يؤدي للإضرار بأي جسم يوجد في نطاق ذلك البعد وحركته ويعمل على تضييق مداره باستمرار مما سيؤدي في النهاية إلى سقوطه على الأرض.

فإذا خرج الجسم من ذلك النطاق يتغير شكل تأثير الجاذبية الأرضية عليه بحيث يصبح بشكل يجعل ذلك الجسم يدور حولها في مدار ثابت بسرعة لها علاقة بالمسافة بينها وبينه وتتناسب عكسيا مع تلك المسافة .. وهو نفس التأثير الذي تمارسه على القمر الفلكي الطبيعي ذاته (قمر الأرض ) الذي يدور حولها .

وفي مسافة معينة عن الأرض فإن أي جسم هناك سيدور حول الأرض بنفس سرعة دورانها حول محورها وهو ما يعرف بالمدار المتزامن .. وعندها تسمى الأقمار في ذلك المدار بدورها بالأقمار المتزامنة.
وفي الواقع فهناك مجموعة قوى تؤثر على القمر لتبقيه يدور حول الأرض في مداره الثابت ابدا ما لم يتحطم أو تؤثر عليه قوى أخرى ، منها المسافة بينه وبين الأرض (بعده عنها ) وقوة جذب الأرض له على تلك المسافة وقوة الطرد المركزي وسرعة دورانه .. .. فكلما ارتفع او انخفض المدار قلت أو زادت السرعة حسب قوانين كبلر للمدارات الفلكية ، اذ تتناسب السرعة عكسيا مع المسافة بين الجسم وبين الأرض في علاقة رياضية معينة .
وكلها في المحصلة قوى تحافظ على القمر ليبقى يدور في مداره الثابت حول الأرض .

كيف يطلق القمر ويُحمل لمداره :
-------------------
يطلق القمر من خلال محطات إطلاق خاصة ويحمل على صواريخ حاملة تأخذه إلى مداره وتنفصل عنه لتتركه هناك حيث قلنا في تلك المنطقة أي جسم يوضع هناك يتخذ له مدارا حول الأرض ويبقى فيه ، وما لم يتناقص هذا المدار حتى يدخل دائرة المنطقة التي تستطيع بها الأرض جذب إسقاط الأجسام إليها فانه سيبقى يدور في ذلك المدار أبدا .
ويتم حمل القمر الصناعي عادة إلى مدار يقع خارج نطاق المسافة التي تستطيع بها الأرض إسقاط الأجسام فوقها ، كما سبق وبيننا ..وتحمله عادة صواريخ حمل نفاثة تشتغل بالوقود السائل أو الصلب أو النووي لتضعه في المدار المخصص له ، ثم لتنفصل عنه هناك في الفضاء كنفايات فضائية ..

بدوره مجرد أن ينفصل عن الصاروخ يبدأ القمر بالدوران في مداره .. حيث يكون في كبسولة يتحرر منها ويفتح اذرع الخلايا الشمسية التي تزوده بالطاقة الكهربائية ويبدأ بالعمل !
لكن ربما يُحمل القمر أيضا إلى المدار على مكوك الفضاء ، وهذا يوصل القمر للمدار ويعود للأرض ليستخدم مرة أخرى بخلاف صواريخ الدفع النفاثة التي تستخدم لمرة واحدة وتتحطم في القضاء.
وهناك صواريخ روسية وأمريكية وأوروبية وكل له مدى إطلاق وحمولة معينة ومن تلك الصواريخ أطلس وتيتان الأمريكي و وبروتون وانريجيا الروسي واريان الأوروبي ...الخ

الأغراض التي تطلق لأجلها الأقمار :
----------------------
تطلق الأقمار لإغراض كثيرة لكن مبدأ عملها والاتصال معها هو ذاته ، ومن الأغراض التي تطلق لها هي :الاتصالات المدنية والبث الفضائي للقنوات التلفزيونية وأنظمة الملاحة (جي بي اس ) ، والاستشعار عن بعد والرصد الجوي وتصوير الأرض ومسحها ، والكشف عن المعادن داخل الأرض وللأغراض العسكرية والتجسس وللرصد الفلكي وللأغراض العلمية المختلفة "محطات أبحاث الفضاء" ....الخ.

كيف لا تتصادم الأقمار :
--------------
عدد الأقمار المرسلة للفضاء كثير جدا لذا توضع في مدارات متباعدة حتى لا تتصادم وهناك جهة تشرف على تحديد تلك المدارات لتضمن ذلك.

كيف يغطي القمر مساحات شاسعة من الأرض :
----------------------------
الأرض كما هو معلوم كرة ..وكلما ارتفعنا عن الأرض تنكشف لنا مساحات أوسع إلى أن نصل إلى ارتفاع ينكشف لنا تقريبا نصف الكرة كاملا أو اقل بقليل (نصفها باستثناء الأقطاب) بالتالي فان الشعاع المرسل من القمر يكون مشاهدا أو مرئيا على أية نقطة من تلك المساحة التي يراها القمر نفسه أو التي أطلق ليدور فوقها .. حيث يرسل القمر إشاراته على شكل حزمة تبدأ كشعاع من القمر لتتسع وتنتشر بشكل هرم معكوس أو مخروط كلما ابتعدنا عن القمر باتجاه الأرض حيث عندما يصل الأرض تكون مساحة ذلك الشعاع المخروط اكبر مساحة ممكنة فتغطي تلك المساحات الشاسعة نسبة لارتفاعه الشاهق عنها
وعادة تطلق الأقمار من نقاط فوق خط الاستواء وتوضع بمدار على بعد 36000 كم لتدور حول الأرض بنفس سرعة دوران الأرض حول محورها .. والذي يعرف بالمدار المتزامن .. لذا تبدو ثابتة فوق النقطة التي أطلقت لتدور فوقها وتغطي مساحات أوسع على هذا الارتفاع

أقمار الاتصالات :
---------
تطلق الأقمار قلنا لإغراض كثيرة ، والأقمار التي تطلق لغايات الاتصالات توضع في مدار يبعد حوالي 36 ألف كم عن الأرض وعادة من نقطة الاستواء إلا إذا أريد له أن يغطي مناطق طرفية من الأرض وعادة تعرف الأقمار من هذا النوع بالأقمار المتزامنة أو ذات المدارات المتزامنة كونها تدور بسرعة تساوي سرعة دوران الأرض حول محورها كما بينا سابقا لذا يبدو القمر ثابتا فوق النقطة التي يطلق فوقها مغطيا تلك المنطقة بالذات باستمرار ، فهو رغم دورانه حول الأرض إلا أن المنطقة التي يكشفها ويغطيها ثابتة ..

على ماذا يحتوي القمر :
-------------
بعض الأقمار تكون مجرد جسم عاكس أو مرآة موجودة فوق الأرض تعيد إرسال الإشارات التي ترسل لها من الأرض كما تعمل المرآة تماما وتسمى الأقمار الخاملة Passive Satellites أي انه لا توجد بها دوائر الكترونية وتجهيزات .. لكن معظمها هي من النوع الآخر الفعال Active Satellites .. حيث تحتوي الأقمار الفعالة إضافة للغلاف الخارجي والأذرع والألواح الشمسية على دوائر الكترونية وأجهزة تلتقط الإشارات من الأرض وتعالجها وتعيد تقويتها وتضخيمها وإعادة توجيهها وبثها للأرض من جديد .. وهو الهدف المصنعة لأجله أصلا.

يحتوي القمر الصناعي الفعال إذا على ألواح للطاقة الشمسية لتغذيته بالطاقة الكهربائية اللازمة لعمله أما دورانه حول الأرض فلا يحتاج لطاقة ويتم بفعل القوى التي سبق شرحها .. ويحتوي كذلك على دوائر ومنظومة اتصال الكترونية تتعلق باستقبال الأمواج الكهرومغناطيسية المرسلة له من الأرض ومعالجتها وتضخيمها وإعادة إرسالها إلى ارض من جديد ويتضمن ذلك دوائر وهوائيات استقبال عالية الكسب High gain Antenna ودوائر وهوائيات إرسال ودوائر معالجة الإشارات ومنها دوائر توليد وتضخيم القدرة الميكروية كاجهزة الماغنسترون والكلايسترون ...الخ وذلك لتوليد الترددات الميكروية العالية بطاقة عالية لتتمكن تلك الاشارات من قطع تلك المسافات الشاسعة بين الأرض والقمر والوصول دون خفوتها وضياع المعلومات منها.
يحتوي أيضا القمر على أجهزة تحكم عن بعد للتحكم بالقمر وتصحيح مساره وأجهزة تكييف للمحافظة على درجة حرارة معينة لازمة للأجهزة والالكترونيات داخله و(بعض الأقمار) تحتوي أجهزة دفع للتحكم بمداره وتغييره ...الخ

ما هي سرعة دوران القمر حول الأرض :
------------------------
قلنا أن تلك السرعة تعتمد على المدار الذي يتخذه القمر وبعده عن الأرض وهناك علاقة رياضية تحدد ذلك ليس هنا مكان شرحها لكن إجمالا فهي تتناسب عكسيا من المسافة عن الأرض ولا علاقة لكتلة القمر بالموضوع.

كيف يتم التواصل مع القمر :
-----------------
ترسل المحطات الأرضية بما فيها محطات البث الفضائي (القنوات) ومحطات الاتصالات إشاراتها اللاسلكية بواسطة أجهزة وانتينات او هوائيات خاصة (إطباق أو دشات ) وبطاقة عالية تقاس بالديسيبل وبترددات ميكروية ( في منطقة الجيجا هيرتز ومضاعفاتها ) أما لماذا هي أطباق فذلك له علاقة بسرعة الترددات التي تبث عليها . حيث يصبح الهوائي عند تلك الترددات على شكل صحن أو دش قطع مكافئ . وهو بحث آخر لا يلزم لغير المتخصص هنا ، ترسلها إلى القمر بتوجيه هوائياتها ، إليه ، وفي القمر يوجد أنتينات مشابهة ولواقط تلتقط تلك الإشارات من تلك المحطات (قنوات فضائية أو محطات رصد علمية أو عسكرية أو أرصاد ...الخ ) وتأخذها إلى الدوائر الالكترونية داخل القمر ، وفي داخل القمر تقوم تلك الدوائر والأجهزة بإعادة إنعاش الإشارة التي تصلها ضعيفة وتكبيرها ثم يعيد بثها إلى الأرض من جديد ، فجزء من عمل القمر انه يعمل كمرآة عاكسة يصل إليها الشعاع من الأرض فيعيد إرساله إلى الأرض من جديد ..
بالمقابل على الأرض تقوم أنت كطرف نهائي أو مستقبِل بتوجيه الأنتين (الطبق أو الدش) على السطح باتجاه القمر فيلتقط الإشارة المرسلة منه ثم يأخذها عبر كابل محوري (يشبه ماسورة بداخلها سلك ) إلى جهاز الرسيفر الذي بدوره يستلم هذه الإشارة على شكل إشارة راديو RF فتقوم دوائر بداخله بتحليل هذه الإشارة وتعمل عليها عمليات تعديل لتستخلص منها حزمة المعلومات المضمنة بها لتقوم تاليا أبأخذها إلى وحدة العرض والإظهار (شاشة التلفزيون مثلا ) لتشاهد القناة (إذا كان بثا تلفزيونيا ) أو لتتصفح النت إذا كان بثا لمعطيات Data أو معلومات أخرى غير القنوات التلفزيونية وهكذا ..

إذاً عرفنا كيف نضع القمر في المدار ولماذا يدور فوق نقطة ثابتة من الأرض ولماذا يدور حول الأرض بمدار ثابت فلا يسقط عليها ولا يضيع أو يفلت في الفضاء وكيف يغطي مساحات شاسعة منها وما هو عمله بالضبط (إذ قلنا أن عمله يشبه (مع الفارق) عمل مرآة عاكسة يعيد الأشعة التي نرسلها له من نقطة ما على الأرض على شكل حزمة واسعة من الأشعة إلى مساحات شاسعة على الأرض نفسها من جديد ، وفي الواقع هذا النتيجة النهائية لعمله لكنه ليس بالضبط كمرآة عاكسة بل هو يتدخل في الإشارة التي تصله ضعيفة كما بيننا فيعيد تقويتها بواسطة دوائر خاصة فيضخمها ويرجع يرسلها للأرض من جديد ..

ماهي الميديا أو الواسطة التي نرسل بها ونستقبل من القمر (نتواصل معه)
--------------------------------------------

الآن نتعرف على الميديا أو الوسط الذي عن طريقه نتواصل مع القمر أو نرسل له تلك المعلومات ليعيد بثها إلى مساحات شاسعة من الأرض بواسطته ..أي ما هي الوسيلة التي بواسطتها نرسل إلى الأقمار ونستقبل منها ؟ وهي أهم ما في الموضوع والتي لولاها لكان إطلاق تلك الأقمار مسألة فارغة وبلا أي فائدة لعدم إمكانية التواصل معها ..

هذا الوسط هو الأمواج الكهرومغناطيسية .. Electromagnetic Waves

اكتشفت هذه الأمواج بعد اكتشاف الكهرباء .. ونحن مدينون لها بكل عملية اتصال تتم كل يوم من خلال أي جهاز خلوي أو أي جهاز على الأرض مع الفضاء أو مع الأقمار الصناعية أو بين الأجهزة على الأرض ذاتها (الخلويات كأقرب مثال عملي)
ولهذه الأمواج خصائص فيزيائية تشبه خصائص الضوء كثيرا جعلتها - أي تلك الخصائص- موجات مفيدة وقابلة للتطبيق والاستخدام في تطبيقات كثيرة منها الاتصال اللاسلكي حيث تجرى يوميا مئات ملايين عمليات الاتصال من خلال الأجهزة الخلوية ومن خلال المحطات الفضائية (القنوات) أو محطات الرصد أو الرادارات أو التلسكوبات أو محطات الأرصاد الجوية ..كل ذلك يتم من خلال تلك الموجات كوسط ناقل ووسيلة تراسل بيننا وبين تلك الأقمار الصناعية .. ولأهميتها قد نفرد لها بحثا آخر مفصل نتعرف على خصائصها وكيفية توليدها وكيف يتم توظيفها لحمل المعلومات للقمر ثم إعادة بثها للأرض ؟ماذا يحتوي القمر :


بعض المشكلات ، (التأخير) Delay
--------------------
تسير الأمواج بسرعة الضوء فإذا كان القمر على ارتفاعات عالية فان هناك تأخيرا طفيفا في الاتصال يحدث وهذا تلاحظه إذا أجريت مكالمة عبر الأقمار الصناعية حيث تمر فترة بين إنهائك للحديث وبدء المتكلم على الطرف الآخر بالرد أو إذا أتيح لك مشاهدة برنامج حواري عبر الأقمار حيث تلاحظ تأخر المحاور في الرد على السؤال الموجه له بعد أن يكون المذيع قد أكمل السؤال (ثواني) وهو بسبب سرعة الأمواج ووصولها إلى القمر ثم عودتها إلى الجهة المقابلة (المستقبل )


-------------------------------------------------------------------
* الكاتب مهتم ومتابع عدا عن أن لديه تخصص أكاديمي بعلم الاتصالات الالكترونية وكذلك في الإدارة والهندسة الصناعية ، للمزيد راجع سيرة الكاتب على صفحته هنا .

#مسَلم_الكساسبة (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات