فضا و مشكلی به نام الكتریسیته ساكن

درمواقعی از سال كه رطوبت هوا بسیار كاهش می یابد, بعد از چند قدم راه رفتن روی فرش منزل با كفشی كه تخت چرمی دارد اگر دستگیره فلزی درب اتاق را لمس كنید, تخلیه شدید بار الكتریكی منجر به سوزش خفیفی در نوك انگشتان تان خواهد شد

درمواقعی از سال كه رطوبت هوا بسیار كاهش می‌یابد، بعد از چند قدم راه رفتن روی فرش منزل با كفشی كه تخت چرمی دارد اگر دستگیره فلزی درب اتاق را لمس كنید، تخلیه شدید بار الكتریكی منجر به سوزش خفیفی در نوك انگشتان‌تان خواهد شد. الكتریسیته ساكنی كه در این مواقع از بدن انسان تخلیه می‌شود تا صدها ولت اختلاف پتانسیل دارد. برای اینكه بفهمیم این بار الكتریكی چگونه در بدن ما به وجود می‌آید باید با ساختمان اتمها آشنا شویم.

اتمها از هسته و پوسته تشكیل شده‌اند. در هسته نوترونهای فاقد بار الكتریكی و پروتونهای دارای بار مثبت قرار دارند كه در مجموع بخش اعظم جرم یك اتم را تشكیل می‌دهند. الكترونها به تعدادی در پوسته قرار می‌گیرند تا بار الكتریكی كل اتم خنثی باشد. بعضی اتمها الكترونهای خود را با قدرت تمام نگه داشته‌اند و در مقابل بعضی دیگر انرژی چندانی برای نگهداری الكترونهای خود هزینه نمی‌كنند. نیروی لازم برای كندن الكترونی از پوسته اتم به فاصله رویه پوسته تا هسته مركزی اتم بستگی دارد. زمانی كه دو جسم با جنسهای متفاوت به هم مالیده می‌شوند با توجه به میزان میل اتمها به نگهداری الكترون، یكی از آنها الكترونهای خود را از دست می‌دهد و تجمع بار الكتریكی مثبت در آن افزایش می‌یابد و در مقابل دیگری با دریافت الكترونهای آزاد شده بار منفی پیدا می‌كند. از آنجا كه همیشه میل به جذب الكترون در اتمهای مختلف متفاوت می‌باشد، می‌توان مطمئن بود كه در اثر تماس دو جنس مختلف با هم، حتماً تبادل الكتریسیته صورت می‌گیرد اما میزان این تبادل برای مواد مختلف، متفاوت است.

در زمین، جاییكه ما زندگی می‌كنیم، هوا و لباسهایی كه می‌پوشیم به قدر كافی رطوبت دارد تا در نقش هادی الكتریكی عمل كرده و الكتریسیته ساكن ذخیره شده در بدن ما را كه در اثر تماس با سایر اجسام پدید می‌آید، به زمین هدایت كنند. تخلیه تدریجی و اندك‌اندك بار الكتریكی بدن به زمین باعث می‌شود درد و رنج و خطرات ناشی از تخلیه ناگهانی بار الكتریكی منتفی شود.

اما زمانی كه هوا و سایر چیزهایی كه در اطراف ما قرار دارد كاملاً خشك باشند، هیچ راهی برای انتقال بار الكتریكی ذخیره شده در بدن به زمین وجود نخواهد داشت. در چنین شرایطی بدن انسان همانند یك خازن الكتریكی به ذخیره‌سازی بار الكتریكی منفی می‌پردازد. تخلیه بار الكتریكی ساكن در سفرهای فضایی یكی از مشكلات اساسی فضانوردانی خواهد بود كه برای كاوش به ماه یا مریخ اعزام می‌شوند. در جایی مثل مریخ كه هوا به شدت خشك است و هیچ رطوبتی در خاك وجود ندارد، چند قدم راه رفتن روی سطح این سیاره می‌تواند بار الكتریكی زیادی در پوسته لباس فضایی فضانورد ایجاد كند. یك انسان معمولی می‌تواند تا ۲۰,۰۰۰ ولت بار الكتریسیته در خود ذخیره كند، در چنین حالتی تماس با مثلاً دستگیره درب ورودی سكونت‌گاهی در مریخ یك فاجعه به بار خواهد آورد.

این موضوع می‌تواند منجر به جراحت عمیق فضانورد و ایجاد اشكالات احتمالی در سیستمهای الكترونیكی لباس فضایی وی و یا محل سكونتش شود.

در جایی مانند مریخ یا ماه شرایط برای تولید الكتریسیته ساكن كاملاً ایده‌آل است. خاك سطح آنها كاملاً خشك است، خشكتر از بی آب و علف‌ترین صحرای روی زمین و در چنین شرایطی سطح سیاره یا قمر همچون یك عایق كامل عمل خواهد كرد. علاوه بر این در ساخت لباس فضایی، اتومبیلهای فضایی و سكونت‌گاه‌های فضایی از تعداد بی‌شماری ماده مختلف استفاده شده است كه هیچ سنخیتی با خاك ماه یا مریخ نیز ندارند. با این اوصاف راه رفتن در سطح سیاره با چكمه‌های فضانوردی و راندن روی مریخ باعث تبادل الكترون بین سطح سیاره و لباس فضایی یا وسیله حمل و نقل سطح‌نورد خواهد شد و از آنجا‌كه خاك سطح سیاره یا ماه كاملاً عایق است (به دلیل خشك 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.

موضوع مشكلات ناشی از بارهای الكترواستاتیكی اولین بار در اواخر دهه ۱۹۹۰، در مركز تحقیقات گلن - ناسا، جاییكه فیزیكدانی به نام جوزف كلوكی (Joseph Kolecki) به همراه همكارانش روی نمونه‌ای با ابعاد واقعی از مریخ‌نورد پتس‌فایندر (Path Finder) كار می‌كردند 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 كه كلوكی و همكارانش متوجه صدها ولت بار الكترواستاتیكی شدند كه مریخ‌نورد را در بر گرفته بود.

این كشف باعث شد كه پژوهشگران ناسا به تكاپو افتند تا به گونه‌ای موفق بر این مشكل فائق آیند. بار الكتریكی طبق یك اصل طبیعی در مناطق و موقعیتهای تیز جسم تجمع می‌كند.

از این رو دانشمندان با نصب رشته‌های بسیار نازكی (حدود ۰۰۲۵/۰ میلی‌متر) از جنس تنگستن روی بدنه فلزی آنتن تلاش كردند تا قسمت اعظم بار الكترواستاتیكی ایجاد شده روی مریخ‌نورد پتس‌فایندر را در این تارهای نازك فلزی جمع كنند. ایجاد اختلاف پتانسیل خیلی زیاد بین این رشته‌ها و جو رقیق مریخ باعث می‌شود بخش زیادی از بار اندك‌اندك توسط جو سیاره جذب گردد. چنین وسیله‌ای روی مریخ‌نوردهای روح (Spirit) و فرصت (Opportunity) نیز نصب شده است.

كارلوس كیل (Carlos Calle) از آزمایشگاه الكترواستاتیك و فیزیك سطح كه در مركز فضایی كندی مستقر است می‌گوید : "از فضانوردان مأموریت آپولو هیچ گزارشی مبنی بر تخلیه بار الكتریكی دریافت نشده است. اما باید در نظر داشت كه مأموریتهای آینده به ماه با ابزارهای بزرگتر و فعالیتهای بیشتری خواهد بود كه طبیعتاً منجر به تولید بار الكتریكی ساكن در ابزار و لباس فضانوردان خواهد شد. اما در ماه دیگر جوی وجود ندارد تا بتوان به تخلیه تدریجی الكتریسیته از این راه امیدوار بود. بنابراین بار الكتریكی ذخیره شده دائماً افزایش خواهد یافت تا اینكه شرایط برای تخلیه محیا شود كه 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 كه تخلیه بار الكتریكی حداكثر در محدوده اختلاف پتانسیل صدو 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 كهچنین تخلیه الكتریكی ضعیفی باعث ایجاد آسیبهای جدی در ابزار و ادوات الكتریكی و الكترونیكی می‌گردد.

این مشكل در زمین به سادگی حل می‌شود. كافی است ادوات الكترونیكی و یا تجهیزاتی كه بیم باردار شدن آنها می‌رود را با یك میله مسی به عمق یك تا دومتری زمین وصل كنیم. تقریباً در همه جای زمین این راه‌حل مشكل‌گشاست و به خوبی كار می‌كند. دلیل آن هم به رطوبت نسبی خاك در عمق یك تا دو متری زمین مربوط می‌شود. زمین مانند یك مخزن بسیار بزرگ هر چیزی را كه با آن وصل كنیم، از نظر بار الكتریكی خنثی خواهد كرد.

اما خاك مریخ یا ماه فاقد رطوبت است و یخی كه انتظار می‌رود در زیر سطح مریخ یافت شود نیز كارگشا نخواهد بود، چراكه یخ رسانای خوبی برای الكتریسیته نمی‌باشد. بنابراین اتصال به سطح ابزار ناكارآمدی برای مریخ یا ماه خواهد بود و نمی‌توان انتظار داشت چنین وسیله‌ای جهت خنثی‌سازی الكتریكی مجتمع‌های مسكونی مریخ یا ماه به كار روند!!!

شاید خنده‌دار به نظر برسد در مریخ می‌توان امیدوار بود كه بهترین اتصال خنثی‌سازی را هوا برایمان فراهم كند. برای نیل به این منظور باید یك منبع رادیواكتیو بسیار ضعیف را به لباس فضایی، مریخ نورد و مسكن مریخی وصل كرد.

ذرات آلفای كم انرژی از منبع رادیواكتیو ضعیف به بیرون پرتاب شده و در اثر برخورد با مولكولهای جو رقیق مریخ و تحریك آنها، الكترون لایه بیرونی مولكولها را جدا كرده و آنها را یونیزه می‌كنند. به این ترتیب غشایی از هوای یونیزه شده با بار غالب مثبت به وجود می‌آید كه باعث خنثی‌سازی منابع الكترواستاتیكی خواهد شد.

اما موضوع در ماه بسیار پیچیده‌تر است. در این قمر نه‌تنها خاك خشك است و رطوبتی برای رسانا كردن آن وجود ندارد بلكه حتی جو رقیقی نیز در دسترس نیست كه بتوان با استفاده از ابزاری آن را به یك هادی الكتریسیته تبدیل نمود. شاید بتوان در ماه صفحات توری وسیعی از آلومینیوم كه در همان‌جا قابل استحصال است، ساخت و سكونت‌گاه‌ها و كارگاه‌های فضایی را روی آن بنا نمود. در آن صورت این شبكه عظیم آلومینیومی همچون مخزن بزرگی در نقش خنثی‌كننده الكتریكی عمل خواهد كرد.تحقیقات در این زمینه هنوز در ابتدای راه است و هر روز ایده‌های جدیدی برای خنثی‌سازی الكتریسیته مزاحم ارائه و بررسی می‌شوند.