الديناميكا الحرارية في الفراغ الكوني: دليل شامل لفيزياء الحرارة من الصفر المطلق إلى جحيم النجوم

عندما يرفع الإنسان بصره نحو القبة السماوية في ليلة صافية، يغمره شعور بالرهبة أمام السكون الظاهري والبرودة الأبدية التي يبدو أن الفضاء يجسدها. لطالما ارتبط الفضاء في المخيلة البشرية بالبرودة المطلقة، ذلك الفراغ المظلم حيث تتلاشى الحياة وتتوقف الحركة. ولكن، هل هذا التصور دقيق فيزيائياً؟ هل يمتلك “العدم” درجة حرارة؟ وإذا كان الفضاء فراغاً خالياً من المادة، فكيف تنتقل حرارة الشمس إلينا؟ وكيف يمكن للمركبات الفضائية أن تتجمد وتحترق في آن واحد؟

إن الإجابة على هذه الأسئلة تتطلب غوصاً عميقاً في أسس الفيزياء والديناميكا الحرارية، وتفكيكاً للمفاهيم التقليدية التي نألفها على سطح الأرض. في عالمنا اليومي، درجة الحرارة هي تجربة حسية مباشرة ناتجة عن تصادم جزيئات الهواء أو الماء بجلدنا. نحن نعيش في “حساء” كثيف من الجزيئات التي تنقل الطاقة الحركية إلينا ومننا باستمرار. لكن بمجرد مغادرة الغلاف الجوي، تتغير قواعد اللعبة بشكل جذري. الفضاء ليس بارداً بالمعنى التقليدي، ولا ساخناً؛ إنه بيئة حرارية متطرفة تحكمها قوانين الإشعاع الكهرومغناطيسي بدلاً من التوصيل والحمل الحراري.

هذا التقرير البحثي الموسع يسعى لتقديم مرجع شامل حول “درجة الحرارة في الفضاء”. سنبدأ بتعريف المبادئ الفيزيائية الأساسية للحرارة في الفراغ، مروراً بدراسة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB) كشاهد على الانفجار العظيم، وصولاً إلى التحليل الهندسي الدقيق للأنظمة التي ابتكرها البشر للنجاة في هذه البيئة العدائية—من بدلات الفضاء المعقدة إلى الدروع الحرارية التي تلامس الشمس. سنستكشف كيف تتكيف الكائنات الحية والآلات مع تقلبات حرارية تصل لمئات الدرجات، وكيف يمكن لمكانين في الكون أن يختلفا في درجة الحرارة بمقدار تريليونات الدرجات.

الأسس الفيزيائية: طبيعة الحرارة في الفراغ الكوني

لفهم درجة حرارة الفضاء، يجب أولاً تحرير عقولنا من المفهوم الأرضي للحرارة. على الأرض، الحرارة ودرجة الحرارة مترابطان بشكل وثيق عبر وجود وسط مادي (الهواء). في الفضاء، ينفصل هذان المفهومان بطرق قد تبدو متناقضة للوهلة الأولى.

1. تعريف درجة الحرارة: بين الحركة والإشعاع

في الفيزياء الكلاسيكية، تُعرَّف درجة الحرارة (Kinetic Temperature) بأنها مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للذرات والجزيئات في نظام ما. كلما زادت سرعة اهتزاز أو حركة الجسيمات، ارتفعت درجة حرارتها.

• على الأرض: في مستوى سطح البحر، يحتوي السنتيمتر المكعب الواحد من الهواء على حوالي 2.7 × 10 جزيء. هذه الكثافة الهائلة تعني أن أي جسم ساخن سيصطدم بتريليونات الجزيئات في الثانية، فاقداً طاقته لها (توصيل)، أو سيقوم الهواء الساخن بالارتفاع ليحل محله هواء بارد (حمل).
• في الفضاء: الفضاء هو فراغ شبه تام، لكنه ليس فارغاً تماماً. في الفضاء بين الكواكب، قد نجد بضعة جزيئات فقط في السنتيمتر المكعب (5 إلى 40 جسيم/سم مكعب). في الفضاء بين المجرات، قد تنخفض الكثافة إلى ذرة واحدة لكل متر مكعب.

هنا تبرز المفارقة: هذه الجسيمات القليلة جداً قد تتحرك بسرعات هائلة تعادل “درجة حرارة” حركية تصل لملايين الدرجات (كما في الرياح الشمسية أو الهالة الشمسية). ولكن، لأنها نادرة جداً، فإن الطاقة الإجمالية التي تحملها ضئيلة. لو أخرج رائد فضاء يده في سحابة غازية درجة حرارتها الحركية مليون درجة في الفراغ، لن تشعر يده بالحرارة، بل ستتجمد. السبب هو ندرة التصادمات؛ فالعدد القليل من الجسيمات الساخنة لا يكفي لنقل طاقة حرارية ملموسة للجسم الصلب، بينما يستمر الجسم الصلب في فقدان حرارته الداخلية عبر الإشعاع.

لذلك، عند الحديث عن “درجة حرارة الفضاء” بالنسبة لجسم مادي (مثل كوكب أو مركبة)، فإننا نتحدث فعلياً عن التوازن الحراري الإشعاعي. درجة حرارة الجسم ستكون النقطة التي تتساوى فيها الطاقة التي يمتصها من الإشعاع الساقط عليه مع الطاقة التي يشعها هو إلى الفراغ.

2. آليات انتقال الحرارة: انهيار الثالوث التقليدي

تنتقل الحرارة في الكون عبر ثلاث آليات رئيسية، لكن الفضاء يلغي اثنتين منها تقريباً:

هذا الاختلاف الجذري يجعل الفضاء بمثابة “قارورة ديوار” (Thermos) عملاقة. الفراغ هو عازل حراري مثالي ضد التوصيل والحمل. هذا يعني أن الجسم الساخن في الفضاء (مثل مركبة تعرضت للشمس) سيواجه صعوبة هائلة في التبريد لأنه لا يستطيع استخدام الهواء لتشتيت الحرارة، والجسم البارد سيواجه صعوبة في التسخين إذا حُجب عنه ضوء النجوم.

إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB): بصمة البرودة الأزلية

إذا افترضنا جدلاً أننا ابتعدنا عن مجموعتنا الشمسية، وخرجنا من مجرة درب التبانة، ووصلنا إلى منطقة نائية في الفراغ بين المجرات، بعيداً عن ضوء أي نجم، فما هي درجة الحرارة التي سيسجلها ميزان الحرارة؟ لن تكون صفراً مطلقاً (0 كلفن)، بل ستكون هناك “حرارة” خافتة جداً تملأ كل ركن في الكون.

1. أصل الحرارة الكونية

هذه الحرارة هي بقايا “الانفجار العظيم” (Big Bang). في اللحظات الأولى لنشأة الكون، كانت المادة والطاقة مركزة بشكل لا نهائي، وكانت درجة الحرارة لا نهائية. مع توسع الكون، بدأ يبرد. بعد حوالي 380,000 سنة من البداية، وصل الكون إلى مرحلة تُعرف بـ حقبة إعادة الاندماج (Recombination Epoch). في ذلك الوقت، انخفضت درجة الحرارة إلى حوالي 3000 كلفن، وهو ما سمح للبروتونات والإلكترونات بالاتحاد لتكوين ذرات الهيدروجين المتعادلة.

قبل تلك اللحظة، كان الكون “ضبابياً” وغير شفاف لأن الفوتونات كانت تصطدم باستمرار بالإلكترونات الحرة. بمجرد تشكل الذرات المتعادلة، أصبح الكون شفافاً، وانطلقت الفوتونات بحرية في الفضاء لأول مرة. هذا الضوء الأول هو ما نراه اليوم كإشعاع خلفية كونية.

2. تمدد الكون والتبريد

على مدى الـ 13.8 مليار سنة الماضية، استمر الكون في التوسع. هذا التوسع أدى إلى تمدد الفضاء نفسه، ومعه تمددت أطوال موجات تلك الفوتونات الأولية. طبقاً لقانون فين للإزاحة، فإن زيادة طول الموجة تعني انخفاض الطاقة وبالتالي انخفاض درجة الحرارة. تحول الضوء الذي كان يوماً ما توهجاً برتقالياً حاراً (3000 كلفن) إلى موجات ميكروية غير مرئية وطويلة جداً.

3. القيمة الحالية: 2.725 كلفن

اليوم، تقيس أدواتنا الدقيقة (مثل السواتل COBE, WMAP, Planck) درجة حرارة هذا الإشعاع بـ 2.725 كلفن (حوالي -270.425 درجة مئوية). هذه هي درجة الحرارة “الأساسية” للفضاء. أي جسم يترك في الفضاء السحيق ومعزول عن أي مصدر طاقة آخر سيبرد تدريجياً عبر الإشعاع حتى يصل إلى حالة توازن حراري مع هذه الخلفية، ولن تنخفض درجة حرارته عن هذا الحد الطبيعي.

من المذهل أن هذه الدرجة موحدة بشكل لا يصدق في جميع الاتجاهات؛ الفروقات في درجة الحرارة عبر السماء لا تتجاوز جزءاً من مائة ألف من الدرجة (^5- 10 كلفن)، وهي الفروقات الدقيقة التي شكلت بذور المجرات والنجوم التي نراها اليوم.22

البيئة الحرارية في النظام الشمسي والمدار الأرضي

بينما تمثل الـ 2.7 كلفن الحد الأدنى الكوني، فإن الواقع داخل نظامنا الشمسي، وبالتحديد في المدار الأرضي المنخفض (LEO)، هو واقع أكثر صخباً وعنفاً حرارياً. الأجسام هنا لا تسبح في الفراغ البارد فحسب، بل تتعرض لقصف إشعاعي مكثف من الشمس ومن الكواكب المجاورة.

1. مصادر الحمل الحراري الثلاثة

يتحدد التوازن الحراري لأي مركبة فضائية تدور حول الأرض بناءً على ثلاثة مصادر خارجية للطاقة:

1. الإشعاع الشمسي المباشر (Direct Solar Flux): الشمس هي المصدر المهيمن للطاقة. في موقع الأرض، تبلغ كثافة الطاقة الشمسية (الثابت الشمسي) حوالي 1360 واط/متر مربع. هذا يعادل تقريباً طاقة 14 مصباحاً متوهجاً (100 واط) مسلطة على كل متر مربع من سطح المركبة. هذه الطاقة كفيلة برفع درجة حرارة الأسطح السوداء المعزولة إلى ما فوق 150 درجة مئوية.
2. وضاءة الأرض (Albedo): لا تستقبل المركبة ضوءاً من الشمس فحسب، بل من الأرض أيضاً. الأرض تعكس حوالي 30% من ضوء الشمس الساقط عليها (متوسط الوضاءة 0.30). هذا الضوء المنعكس يضرب الجوانب “السفلية” للمركبة التي تواجه الأرض، مما يضيف حملاً حرارياً معتبراً، خاصة فوق القطبين المغطيين بالجليد أو الغيوم الكثيفة.
3. الإشعاع الحراري الكوكبي (Earth IR): حتى الجانب المظلم من الأرض (الليل) ليس بارداً تماماً من منظور إشعاعي. الأرض جسم دافئ يمتلك درجة حرارة، وبالتالي تشع طاقة على شكل أشعة تحت الحمراء (IR). يبلغ متوسط هذا الإشعاع حوالي 241 واط/متر مربع. هذا يعني أن المركبة الفضائية تتلقى “تدفئة” من الأرض حتى عندما تكون في الظل التام.

2. الدورة الحرارية: بين الجحيم والزمهرير

نتيجة لهذه المصادر، ودوران المركبة حول الأرض، يتعرض أي جسم في المدار لدورة حرارية قاسية تتكرر كل 90 دقيقة (مدة الدورة المدارية النموذجية).

• في ضوء الشمس: ترتفع درجة حرارة الأسطح الخارجية للمحطة الفضائية أو بدلة رائد الفضاء بسرعة لتصل إلى +121 درجة مئوية (+250 فهرنهايت).
• في الظل (الخسوف): بمجرد دخول المركبة في ظل الأرض، ينقطع المصدر الرئيسي للحرارة (الشمس). وبما أن الفضاء لا يحتفظ بالحرارة (فراغ)، يفقد الجسم حرارته بسرعة عبر الإشعاع، لتنخفض درجة الحرارة إلى -157 درجة مئوية (-250 فهرنهايت).

هذا التأرجح الحراري الهائل (Delta T ≈ 280°C) يتكرر 16 مرة في اليوم الواحد لمحطة الفضاء الدولية، مما يفرض إجهاداً حرارياً وميكانيكياً هائلاً على المواد، ويستدعي استخدام مواد خاصة مثل التيتانيوم ومركبات الكربون التي لا تتمدد أو تتقلص بشكل كبير مع تغير الحرارة.

فسيولوجيا الإنسان في الفراغ: أساطير وحقائق الموت الفضائي

من أكثر السيناريوهات رعباً وإثارة للجدل في الخيال العلمي هو تعرض الإنسان للفضاء بدون بدلة واقية. هل يتجمد الإنسان فوراً؟ هل ينفجر وعاءه الدموي؟ أم يحترق؟ العلم الطبي والفيزيائي يقدم إجابات دقيقة ومفصلة تختلف كثيراً عن المشاهد السينمائية.

1. خرافة التجمد الفوري

الاعتقاد بأن رائد الفضاء سيتجمد ويتحول إلى تمثال جليدي في ثوانٍ هو اعتقاد خاطئ تماماً. كما أسلفنا، الحرارة لا تنتقل إلا بالإشعاع في الفراغ. جسم الإنسان، بكتلته المائية الكبيرة وسعته الحرارية العالية، يحتفظ بالحرارة بشكل جيد جداً. علاوة على ذلك، ينتج الجسم حرارة داخلية (معدل الأيض القاعدي حوالي 100 واط).

في الواقع، التبريد في الفراغ عملية بطيئة جداً. سيستغرق الأمر ساعات طويلة لكي تنخفض درجة حرارة الجسم الأساسية إلى درجة التجمد. السيناريو الأكثر احتمالاً هو أن الشخص سيموت من نقص الأكسجين (الاختناق) قبل وقت طويل من أن يشعر ببرودة شديدة تؤدي للتجمد.

2. الغليان البارد: ظاهرة التبخر (Ebullism)

الخطر الفيزيائي المباشر والأكثر غرابة هو انخفاض الضغط الجوي. عند مستوى سطح البحر، يضغط الغلاف الجوي على أجسادنا بقوة (101.3 كيلو باسكال)، مما يبقي الغازات ذائبة في سوائل الجسم ويبقي الماء سائلاً. في الفراغ، ينعدم هذا الضغط.

عندما ينخفض الضغط المحيط إلى ما دون 6.3 كيلو باسكال (وهو ما يعرف بـ حد أرمسترونغ)، تنخفض نقطة غليان الماء لتصبح مساوية لدرجة حرارة جسم الإنسان الطبيعية (37 درجة مئوية). هذا يعني أن سوائل الجسم ستبدأ في الغليان عند درجة حرارة الجسم العادية!

هذا لا يعني أن الدم سيغلي داخل الشرايين فوراً، لأن نظام الدورة الدموية مغلق وجدران الأوعية الدموية والجلد توفر ضغطاً ميكانيكياً (Elastic Recoil) يحافظ على الضغط الداخلي مرتفعاً بما يكفي لمنع الغليان الكامل لفترة وجيزة. لكن السوائل المعرضة للضغط الخارجي مباشرة—مثل اللعاب على اللسان، الدموع في العين، والسوائل في الأنسجة الرخوة تحت الجلد—ستبدأ في التبخر الفوري والغليان، مما يؤدي إلى انتفاخ الجسم لضعف حجمه الطبيعي وتكون فقاعات غازية في الأنسجة.

3. حادثة جيم ليبلانك (1966): الدليل الحي

في عام 1966، كادت ناسا تفقد أحد فنييها في حادثة مروعة أكدت هذه النظريات. أثناء اختبار بدلة فضاء في غرفة تفريغ ضخمة تحاكي الفضاء، انفصل خرطوم تزويد الهواء عن بدلة الفني جيم ليبلانك (Jim LeBlanc). انخفض الضغط داخل بدلته من وضع التشغيل إلى فراغ شبه تام (أقل من 1 PSI) في غضون ثوانٍ.

فقد ليبلانك وعيه بعد حوالي 14 ثانية (الوقت الذي يستغرقه الدم غير المؤكسد للوصول من الرئتين إلى الدماغ). لكن الأمر الأكثر رعباً هو آخر ما تذكره قبل الإغماء: “شعرت باللعاب يغلي على لساني”. كانت هذه شهادة حية على ظاهرة التبخر. لحسن الحظ، تمكن الفريق من إعادة ضغط الغرفة بسرعة فائقة (خلال 25 ثانية)، واستعاد ليبلانك وعيه وسار خارج الغرفة دون أي ضرر دائم سوى ألم في الأذنين.

4. الاختناق: القاتل الصامت

السبب الرئيسي للوفاة في الفضاء هو نقص الأكسجين (Hypoxia). في الفراغ، لا يتوقف التبادل الغازي في الرئتين فحسب، بل ينعكس اتجاهه. نظراً لأن الضغط الجزئي للأكسجين في الفراغ هو صفر، فإن الأكسجين الموجود في الدم سيندفع خارجاً عبر الرئتين إلى الفراغ في محاولة لتحقيق التوازن. هذا يؤدي إلى استنزاف الأكسجين من الدم بسرعة هائلة. يفقد الإنسان وعيه في غضون 9 إلى 15 ثانية، ويحدث الموت الدماغي غير القابل للانعكاس في غضون دقائق قليلة.

هندسة النجاة: بدلات الفضاء (EMU) كمركبات شخصية

لحماية الإنسان من هذا المحيط القاتل، طورت وكالات الفضاء “وحدة التنقل خارج المركبة” (EMU)، وهي الاسم التقني لبدلة الفضاء. هذه البدلة ليست مجرد ملابس، بل هي مركبة فضائية مصغرة ومرنة توفر الضغط، الأكسجين، والسيطرة الحرارية المعقدة.

1. التحدي الأكبر: التخلص من الحرارة لا الاحتفاظ بها

قد يبدو الأمر مفاجئاً، لكن المشكلة الحرارية الرئيسية التي تواجه مصممي بدلات الفضاء ليست حماية الرائد من البرودة، بل كيفية تبريده. جسم الإنسان محرك بيولوجي ينتج حرارة باستمرار (حوالي 100 واط في الراحة، وتصل إلى 500-600 واط أثناء العمل الشاق في الفضاء).

بدلة الفضاء مصممة لتكون عازلة تماماً للفراغ (مثل قارورة ترمس)، مما يعني أن حرارة الجسم لا تجد مخرجاً وتتراكم في الداخل. بدون نظام تبريد نشط، سيرتفع رائد الفضاء في عرقه ويموت من ضربة حرارة (Heat Stroke) في وقت قصير، حتى لو كان يسبح في ظل الأرض المتجمد.

2. الحل الهندسي: الملابس الداخلية للتبريد والتهوية السائلة (LCVG)

لحل هذه المعضلة، يرتدي رواد الفضاء تحت البدلة الخارجية طبقة خاصة تسمى LCVG. هذه الطبقة عبارة عن رداء ضيق من السباندكس (Spandex) والنايلون، منسوج في نسيجه شبكة معقدة من الأنابيب البلاستيكية المرنة يبلغ طولها الإجمالي حوالي 91.5 متر.

يتدفق الماء البارد باستمرار عبر هذه الأنابيب ملامساً جلد الرائد، ممتصاً الحرارة الناتجة عن عضلاته وأيض جسمه. هذا الماء الدافئ ينتقل بعد ذلك إلى حقيبة الظهر (PLSS) ليتم تبريده وإعادة ضخه.

3. فيزياء المتسامي (Sublimator): التبريد بالثلج في الفراغ

كيف نبرد الماء الساخن القادم من جسم الرائد داخل حقيبة الظهر في الفضاء حيث لا يوجد هواء لتمريره عبر مشعاع (Radiator) كما في السيارة؟ هنا تظهر عبقرية الهندسة الفضائية في استخدام جهاز يسمى المتسامي (Sublimator).

• آلية العمل: المتسامي هو مبادل حراري يحتوي على لوحة معدنية مسامية (Sintered nickel plate) تتعرض من جهة للفراغ الخارجي ومن الجهة الأخرى لأنابيب الماء الساخن.
• تغذية المياه: يتم تغذية كمية صغيرة من الماء (ماء التغذية – يختلف عن ماء التبريد الدوار) إلى اللوحة المسامية.
• التجمد والتسامي: بمجرد تعرض الماء للفراغ، يتجمد فوراً مشكلاً طبقة من الجليد تسد المسام. يمر ماء التبريد الساخن (القادم من LCVG) تحت هذه الطبقة الجليدية. الحرارة تنتقل من الماء الساخن إلى الجليد، مما يؤدي إلى تحول الجليد مباشرة إلى بخار (عملية التسامي – Sublimation) دون المرور بالحالة السائلة.
• طرد الحرارة: يندفع البخار بقوة إلى الفضاء حاملاً معه الحرارة الكامنة، بينما يبرد الماء الدوار ويعود للبدلة. هذه العملية تستهلك حوالي 0.5 كغم من الماء لكل ساعة عمل، وهي فعالة للغاية لأن الحرارة الكامنة لتسامي الماء عالية جداً.

4. الطبقات الخارجية: درع ضد التطرف (TMG)

فوق طبقات الضغط والتبريد، تأتي الطبقة الخارجية المعروفة بـ الرداء الحراري والميكرونييزكي (TMG). هذا الغلاف المتطور يتكون من مواد فائقة الأداء:

1. أورثو-فابريك (Ortho-Fabric): الطبقة الخارجية البيضاء الشهيرة. اللون الأبيض ليس للجمال، بل ليعكس معظم الإشعاع الشمسي (وضاءة عالية) ويمنع امتصاص الحرارة. هذه المادة مصنوعة من مزيج معقد من الجور-تكس (Gore-Tex)، الكيفلار (Kevlar)، والنومكس (Nomex) لمقاومة التمزيق، النيازك الدقيقة، والحريق، وتحمل درجات حرارة من -180 إلى +150 درجة مئوية.
2. العزل متعدد الطبقات (MLI): تحت الغلاف الخارجي توجد 5 إلى 7 طبقات من مادة المايلر (Mylar) المؤلمن (المغطى بطبقة رقيقة من الألمنيوم). هذه الطبقات تعمل كحواجز إشعاعية متتالية. الحرارة التي تخترق الطبقة الأولى تعكسها الثانية، وهكذا. يفصل بين كل طبقة مايلر وأخرى طبقة رقيقة من قماش الداكرون (Dacron) أو شبكة خفيفة لضمان عدم تلامس طبقات المايلر (لمنع التوصيل الحراري). هذا النظام يحول البدلة إلى قارورة ديوار فائقة الكفاءة.

أنظمة التحكم الحراري في محطة الفضاء الدولية (ISS): رقصة الأمونيا والماء

محطة الفضاء الدولية هي أكبر هيكل بناه الإنسان في الفضاء، وهي تواجه تحدياً حرارياً هائلاً. من جهة، تضرب الشمس هياكلها بحرارة تكفي لغلي الماء، ومن جهة أخرى، يولد رواد الفضاء والأجهزة الإلكترونية بداخلها آلاف الواطات من الحرارة التي يجب التخلص منها. إذا فشل نظام التبريد، ستتحول المحطة إلى فرن قاتل في غضون ساعات.

1. البنية المزدوجة: حلقات الماء وحلقات الأمونيا

نظراً لأن الماء يتجمد عند 0 درجة مئوية، والأمونيا سامة جداً للبشر، تم تصميم نظام تبريد المحطة كحلقتين منفصلتين تتصلان ببعضهما حرارياً ولكن لا تختلطان مادياً:

1. حلقات التبريد الداخلية (Internal Active Thermal Control System – IATCS): تستخدم الماء كوسيط للتبريد. الماء آمن للطاقم، وفعال في نقل الحرارة. يدور الماء عبر صفائح باردة (Cold Plates) مثبتة عليها الأجهزة الإلكترونية والمعدات، وعبر مبادلات حرارية لتبريد الهواء في الكبائن.
2. حلقات التبريد الخارجية (External Active Thermal Control System – EATCS): تستخدم الأمونيا اللامائية (Anhydrous Ammonia). لماذا الأمونيا؟ لأن درجة تجمدها منخفضة جداً (-77 درجة مئوية)، مما يسمح لها بالتدفق في الأنابيب الخارجية المعرضة لظلام الفضاء دون أن تتجمد وتغلق النظام، كما أن سعتها الحرارية عالية وكفاءتها في النقل ممتازة.

2. آلية التبادل الحراري والمشعاعات

• نقل الحرارة: يجمع الماء الساخن الحرارة من داخل المحطة وينقلها إلى “مبادلات حرارية بينية” (Interface Heat Exchangers – IFHX). في هذه المبادلات، تمر أنابيب الماء الساخن بجوار أنابيب الأمونيا الباردة، فتنتقل الحرارة من الماء إلى الأمونيا عبر التوصيل المعدني دون اختلاط السائلين.
• طرد الحرارة: تتدفق الأمونيا الساخنة الآن إلى الخارج، لتمر عبر المشعاعات (Radiators). هذه المشعاعات هي الأجنحة البيضاء الطويلة الممتدة بعيداً عن الألواح الشمسية. تتكون من أنابيب دقيقة محاطة بهياكل من الألومنيوم وقماش مركب.
• التوجيه الذكي: المشعاعات مزودة بمفاصل دوارة (Thermal Radiator Rotary Joints) تسمح لها بالدوران لتوجيه حافتها الرفيعة نحو الشمس (لتقليل امتصاص الحرارة) وتوجيه سطحها العريض المسطح نحو الفضاء العميق المظلم (لتعظيم إشعاع الحرارة). تعتمد المشعاعات على طلاء خاص (مثل الفضة المغطاة بالتيفلون) يتميز بانبعادية عالية للأشعة تحت الحمراء وامتصاص منخفض للضوء المرئي.

هندسة التبريد الفائق: تلسكوب جيمس ويب (JWST)

إذا كانت المحطة الدولية تسعى للبقاء في درجة حرارة الغرفة (20-25 مئوية)، فإن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) يهدف إلى شيء مختلف تماماً: البرودة القصوى. لكي يتمكن التلسكوب من رصد الأشعة تحت الحمراء الخافتة القادمة من المجرات الأولى التي تكونت بعد الانفجار العظيم، يجب أن تكون أجهزته أبرد من تلك الأشعة، وإلا فإن حرارة التلسكوب نفسه ستعمي مستشعراته (“الضجيج الحراري”).

1. الدرع الشمسي: معجزة الكابتون

الحل العبقري الذي تبناه مهندسو ناسا هو “الدرع الشمسي” (Sunshield). إنه مظلة بحجم ملعب التنس تفصل التلسكوب إلى عالمين حراريين منفصلين تماماً:

• الجانب الساخن (مواجه للشمس): هنا تقع المركبة الفضائية (Spacecraft Bus)، الألواح الشمسية، وهوائيات الاتصال بالأرض. يتعرض هذا الجانب لضوء الشمس المباشر وتصل حرارته إلى +85 درجة مئوية (+185 فهرنهايت).
• الجانب البارد (مواجه للفضاء): هنا تقع المرايا الذهبية والأدوات العلمية. في ظل الدرع، تنخفض الحرارة إلى ما دون -233 درجة مئوية (40 كلفن).

آلية العزل: يتكون الدرع من 5 طبقات من مادة الكابتون (Kapton)، وهي بوليمر بلاستيكي فائق التحمل، مغطى بطبقة من الألمنيوم (لعكس الضوء) والسيليكون (في الطبقات المواجهة للشمس لتحمل الحرارة). الطبقات ليست متلاصقة، بل بينها فراغ، وهي مصممة بزوايا محددة (V-groove radiator) تسمح للحرارة التي تمتصها كل طبقة بالانعكاس إلى الفضاء من الجوانب بدلاً من الانتقال للطبقة التالية. كل طبقة تكون أبرد من التي قبلها، مما يحقق عزلاً حرارياً مذهلاً يخفض الحرارة بمقدار 300 درجة مئوية عبر مسافة أمتار قليلة.

2. التبريد النشط (Cryocooler) لأداة MIRI

بينما تكتفي معظم أدوات التلسكوب (مثل NIRCam) بالتبريد السلبي عند 40 كلفن، تحتاج أداة واحدة، وهي أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI)، إلى برودة أعمق لتصل إلى أقل من 7 كلفن (-266 درجة مئوية). السبب هو أن الأطوال الموجية التي ترصدها MIRI حساسة جداً لأي اهتزاز حراري ذري.

للوصول إلى هذه الدرجة القريبة من الصفر المطلق، يستخدم التلسكوب مبرد تجميد نشط (Cryocooler). هذا الجهاز المعقد يعمل كمضخة حرارية متطورة تستخدم غاز الهيليوم.

• نظام التبريد: يعتمد على تقنية أنبوب النبض (Pulse Tube) للتبريد الأولي، متبوعة بـ مبرد جول-تومسون (Joule-Thomson Loop). في هذه العملية، يتم ضغط غاز الهيليوم ثم السماح له بالتمدد عبر صمام دقيق جداً. وفقاً لتأثير جول-تومسون، يؤدي تمدد الغاز إلى انخفاض حاد في درجة حرارته، مما يمتص الحرارة من كاشفات MIRI وينقلها بعيداً ليتم إشعاعها في الفضاء.

مسبار باركر الشمسي: لمس وجه الشمس

على الطرف النقيض تماماً من مقياس الحرارة، نجد مسبار باركر الشمسي (Parker Solar Probe)، المركبة التي تجرأت على الاقتراب من الشمس أكثر من أي جسم آخر صنعه الإنسان. يغوص المسبار في الهالة الشمسية (Corona)، حيث تواجه الهندسة البشرية تحدياً حرارياً يبدو مستحيلاً.

1. مفارقة الهالة: حرارة المليون درجة

الهالة الشمسية هي الغلاف الجوي الخارجي للشمس، وهي مكان غريب فيزيائياً. تصل درجة الحرارة الحركية للجسيمات هناك إلى 1 إلى 3 مليون كلفن. ومع ذلك، لن يذوب المسبار فوراً. لماذا؟ نعود هنا لمفهوم الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة في الفراغ. كثافة البلازما في الهالة منخفضة جداً؛ الجسيمات متباعدة للغاية. على الرغم من أن كل جسيم يمتلك طاقة هائلة، إلا أن عدد الجسيمات التي تصطدم بالمسبار قليل نسبياً.

لذلك، فإن التحدي الحراري ليس “توصيل” المليون درجة، بل هو الإشعاع الشمسي المكثف الذي يسخن سطح الدرع الحراري للمسبار إلى حوالي 1370 درجة مئوية (2500 فهرنهايت).61

2. نظام الحماية الحرارية (TPS): درع الكربون

لحماية المسبار وأجهزته، صمم المهندسون درعاً حرارياً (Thermal Protection System – TPS) بقطر 2.4 متر وسمك 11.5 سم. هذا الدرع مصنوع من رغوة كربونية مركبة (Carbon-Carbon Composite) محصورة بين لوحين من الكربون المقوى.

• الطلاء الأبيض: السطح المواجه للشمس مطلي بطبقة سيراميك بيضاء خاصة تعتمد على الألومينا (Alumina) لتعكس أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس.
• العزل: رغوة الكربون داخل الدرع تتميز بنقل حراري منخفض جداً، مما يمنع الحرارة من الانتقال للجانب الخلفي.
• النتيجة: بينما يغلي الوجه الأمامي للدرع عند 1370 درجة مئوية، يستلقي جسم المسبار وأدواته الحساسة في الظل خلف الدرع في درجة حرارة مريحة تبلغ 30 درجة مئوية (85 فهرنهايت)—وهي درجة حرارة يوم صيفي لطيف على الأرض!.

التطرف الكوني: جولة في أبرد وأسخن الأماكن في الكون

خارج نطاق هندستنا البشرية، يزخر الكون بظواهر حرارية تتجاوز قدرة العقل على الاستيعاب، تتراوح بين السكون التام والعنف المطلق.

1. سديم بوميرانغ: أبرد من الفراغ نفسه

كما ذكرنا، درجة حرارة الخلفية الكونية هي 2.7 كلفن. هل يوجد شيء أبرد من ذلك؟ نعم، الطبيعة كسرت هذا الرقم في مكان واحد معروف: سديم بوميرانغ (Boomerang Nebula).

يقع هذا السديم الكوكبي الأولي على بعد 5000 سنة ضوئية من الأرض. ما يحدث هناك هو عملية تبريد كوني عملاقة. النجم المحتضر في قلب السديم يقذف الغازات بسرعة هائلة تصل إلى 167 كم/ثانية. هذا التمدد السريع جداً للغاز يؤدي إلى ما يعرف في الديناميكا الحرارية بـ التمدد الأديباتي (Adiabatic Expansion)، وهي نفس العملية التي تجعل الغاز يبرد عند خروجه من علبة رذاذ مضغوطة.

بسبب سرعة التمدد الهائلة، انخفضت درجة حرارة الغاز في السديم إلى 1 كلفن فقط (-272.15 درجة مئوية). هذا يجعل سديم بوميرانغ “ثلاجة كونية” تمتص الحرارة من إشعاع الخلفية الكونية بدلاً من أن تشعها، وهو الجسم الطبيعي الوحيد المعروف الذي يمتلك درجة حرارة أقل من الفضاء المحيط به.

2. من السوبرنوفا إلى الكوازارات: حرارة تفوق الخيال

في الطرف الآخر، نجد درجات حرارة تتجاوز ملايين الدرجات في قلب الشمس:

• المستعرات العظمى (Supernovae): عندما ينهار نجم ضخم وينفجر، تتحرر طاقة جاذبية هائلة في أجزاء من الثانية. ترتفع درجة حرارة موجة الصدمة والمادة المقذوفة لتصل إلى 100 مليار كلفن. عند هذه الدرجة، تتحطم نوى الذرات وتتكون عناصر جديدة أثقل من الحديد.
• الكوازارات (Quasars): حول الثقوب السوداء العملاقة في مراكز المجرات، تتشكل أقراص من المادة المتساقطة (Accretion Disks). الاحتكاك الهائل بين طبقات الغاز والغبار التي تدور بسرعات تقارب سرعة الضوء يولد حرارة لا يمكن تصورها. تشير التقديرات إلى أن درجة حرارة الغاز حول كوازار مثل 3C 273 قد تصل إلى تريليونات الدرجات الكلفنية (K 10¹²). في هذه البيئة، تكون المادة في حالة بلازما فائقة الطاقة، وتشع بغزارة في الأشعة السينية وأشعة غاما.

الخاتمة: الإنسان في مواجهة الديناميكا الحرارية للكون

رحلتنا عبر درجات الحرارة في الفضاء تكشف لنا حقيقة مذهلة: الفضاء ليس مجرد فراغ بارد وميت. إنه مسرح ديناميكي تتصارع فيه قوى الإشعاع والمادة، وتتراوح فيه الظروف من السكون الجليدي لسديم بوميرانغ إلى الجحيم المستعر حول الثقوب السوداء.

بالنسبة للبشر، كان فهم “درجة الحرارة في الفضاء” مفتاحاً للنجاة. لقد تعلمنا أن الفراغ ليس بارداً بقدر ما هو عازل، وأن الخطر الأكبر ليس التجمد بل الاحتباس الحراري داخل بدلاتنا ومركباتنا. بفضل هذا الفهم، حولنا المبادئ الفيزيائية المجردة—مثل التسامي، والإشعاع الجسم الأسود، وتأثير جول-تومسون—إلى أدوات هندسية (مثل LCVG، ومشعات الأمونيا، ومبردات الكريو) سمحت لنا بالعيش والعمل في بيئة غير مخصصة للحياة البيولوجية.

بينما نواصل استكشافنا للكون، ستظل السيطرة الحرارية هي التحدي الهندسي الأول. سواء كنا نبني قواعد على القمر حيث يغلي السطح نهاراً ويتجمد ليلاً، أو نرسل مسابير إلى عمالقة الجليد، ستظل قدرتنا على التلاعب بالحرارة في الفراغ هي الحد الفاصل بين الاكتشاف والفناء.

✅ جدول البيانات المرجعية: درجات الحرارة في الكون

الموقع / الجسم	الوصف الفيزيائي	درجة الحرارة (مئوية °C)	درجة الحرارة (كلفن K)	ملاحظات
سديم بوميرانغ	أبرد جسم طبيعي معروف (تمدد أديباتي)	-272.15°C	1 K	يمتص حرارة CMB
إشعاع الخلفية (CMB)	بقايا الانفجار العظيم (متوسط الفضاء)	-270.45°C	2.725 K	الحد الأدنى الحراري للكون
أداة MIRI (جيمس ويب)	تبريد نشط (هيليوم جول-تومسون)	-266°C	< 7 K	لرصد الأشعة تحت الحمراء المتوسطة
الجانب البارد (جيمس ويب)	تبريد سلبي (ظلال الدرع الشمسي)	-233°C	40 K	مرايا التلسكوب الرئيسية
سطح بلوتو	متوسط الحرارة السطحية	-229°C	44 K	بعيد جداً عن الشمس
محطة الفضاء الدولية (الظل)	سطح خارجي في خسوف الأرض	-157°C	116 K	تبريد إشعاعي سريع
متوسط حرارة الأرض	الغلاف الجوي والسطح	+15°C	288 K	تأثير الدفيئة الطبيعي
محطة الفضاء الدولية (الشمس)	سطح خارجي معرض للشمس	+121°C	394 K	امتصاص إشعاعي مباشر
الجانب الساخن (جيمس ويب)	الدرع الشمسي (طبقة 1)	+85°C	358 K	يشتت حرارة الشمس
درع مسبار باركر	السطح المواجه للشمس (السيراميك)	+1370°C	1643 K	في الهالة الشمسية
سطح الشمس (الفوتوسفير)	السطح المرئي	+5,500°C	5,778 K	إشعاع الجسم الأسود
مركز الشمس	اندماج نووي (هيدروجين لهيليوم)	+15,000,000°C	~15 MK	ضغط وكثافة هائلة
سوبرنوفا (لحظة الانفجار)	انهيار نجمي وموجة صدمة	~100 مليار °C	K 1011	تخليق العناصر الثقيلة