رحلة منطاد ناسا على ارتفاع شاهق تُعيد تذكيرنا بدرس مهم : دائمًا احتفظ بنسخة احتياطية لبياناتك

في أبريل الماضي في واناكا ، نيوزيلندا ، أطلق الباحثون تلسكوب التصوير بالمنطاد ذو الضغط الفائق ، أو SuperBIT ، وهو تلسكوب محمول على منطاد يهدف إلى جمع البيانات حول توزيع المادة المظلمة من خلال تصوير تصادم المجرات.

ظل SuperBIT يطفو على حافة الغلاف الجوي لمدة 40 يومًا لجمع البيانات قبل عودته إلى الأرض. ومع ذلك ، تعرض المنطاد لأضرار كبيرة عند الهبوط. ما أنقذ الموقف كان نظامان لاستعادة البيانات (نُشرت مواصفاتهما مؤخرًا من قبل الباحثين) حيث تم إنزالهما في وقت سابق من اليوم بالمظلات إلى منطقة باتاغونيا في الأرجنتين ، ما أنقذ أكثر من 200 جيجابايت من ملاحظات SuperBIT.

“إنه مثل بث نتفليكس من على حافة الكون”
ريتشارد ماسي – جامعة درام – المملكة المتحدة

يقول ريتشارد مَاسِي، أستاذ الفيزياء بجامعة دَرَّام في إنجلترا، “بِالنِّسبة إلى جَمِيعِ العناصر الموجودة في الجدول الدوري، هناكَ حوالي ستة أضعاف من المادة المظلمة”. يُمكن ملاحظة تأثيرات المادة المظلمة على المادة المرئية فقط بشكل غير مباشر من خلال تأثيرات الجاذبية. يوضح مَاسِي قائلًا: “الأمر يشبه إلى حد ما دراسة الرياح. لا يمكنك رؤية الرياح إذا نظرت إلى الخارج، ولكن يمكنك رؤية الأوراق تتحرك.”

يصوب جهاز سوبر بت (SuperBIT) تركيزه على عناقيد المجرات، حيث تتكتل المئات وحتى الآلاف من المجرات معًا، وقد تتصادم أحيانًا. يقول ماسي: “نحن نستخدم سوبر بت لرسم خريطة لمكان تحليق الأجزاء، على أمل أن نتمكن من معرفة ماهية هذه المادة غير المرئية.”

تفتقر التلسكوبات الأرضية إلى الدقة التي يحتاجها الباحثون لإجراء هذه الملاحظات، بينما تستخدم التلسكوبات الفضائية الموجودة – والتي تحقق دقة أعلى بكثير عن طريق تجنب تشتت الغلاف الجوي – مجال رؤية ضيق جدًا أو واسع جدًا. أّن يعلق تلسكوب من منطاد على ارتفاع أكثر من 30 كيلومترًا يوفر حلاً مثاليًا، حيث يحقق دقة تكاد توازي دقة تلسكوب فضائي مقابل جزء بسيط من التكلفة. تقول إلين سيركس، باحثة مشاركة في جامعة سيدني، والتي بدأت العمل على سوبر بت كطالبة دكتوراه لدى ماسي: “يبدو الأمر جنونيًا بعض الشيء، لكنه يعمل بشكل رائع.

على الرغم من أن تلسكوبات مثل هابل وتلسكوب جيمس ويب الفضائي تكلف مليارات الدولارات، إلا أنه يمكن إطلاق تلسكوبات المناطيد “بميزانية جامعة”، كما تقول سيركس.

Raspberry pi بمظلة الهبوط

يقول ماسي: “إنه يشبه بث نيتفليكس من على حافة الفضاء”. بدون اتصال ثابت، فإن هذا “البث” قد توقف عدة مرات خلال الرحلة وفُقد بعد حوالي أسبوعين من المهمة. لحسن الحظ، ابتكر الفريق نظام نسخ احتياطي فعلي، يكمل اتصال القمر الصناعي والأقراص الصلبة الرئيسية للتلسكوب. تمت نسخ البيانات على نظام استعادة البيانات وإلقاؤها من السماء.

ويقول ماسي: “هذا يُعيدنا إلى ستينيات القرن الماضي وأقمار التجسس”. بدلاً من البيانات العلمية على بطاقات SD، أسقطت تلك الأقمار لقطات المراقبة في شرائط الأفلام.

وتقول سيركس إن نظام استرجاع البيانات يتكون من أجزاء “شائعة نسبيًا”. بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، يستخدم حاسوب صغير من نوع Raspberry Pi إلى جانب بطاقة SD بسعة تخزين 5 تيرابايت. يتم توصيل جهاز التخزين بجهاز كمبيوتر التلسكوب على متن الطائرة عبر الإيثرنت لنقل البيانات بشكل مستمر، ويتم توصيله بالتلسكوب بواسطة ملاقط آلية يستخدمها الرماة المحترفون وتم اختياره بسبب قدرته على تحمل الضغط العالي. وتقول سيركس: “في بعض الأحيان تكون أبسط الأشياء هي أفضل الحلول”.

عندما يكون الفلكيون جاهزين لإطلاق النظام، يرسلون رسالة إلى جهاز Raspberry Pi لبدء العملية. بعد ثلاثين ثانية، ينزلق جهاز Raspberry Pi عن التلسكوب ويبدأ بالهبوط. تفتح مظلة لإبطاء السقوط، وينزلق جهاز Raspberry Pi إلى الأرض.

بسبب كون النهج القائم على المنطاد أقل تكلفة من إطلاق تلسكوب في مدار، تمكن الباحثون من تكرار التصميم وتحسين نظام استعادة البيانات الخاص بهم. لذلك، بينما ظل التصميم الأساسي ثابتًا على مدار تطوير نظام استعادة البيانات، فقد تغيرت بعض التفاصيل.

على سبيل المثال، خلال رحلة اختبار أجريت عام 2019 على نظام SuperBIT واستعادة بياناته، فوجئ ماسي وسيركس باكتشاف ارتفاع درجة حرارة جهاز Raspberry Pi – على الرغم من البرودة الشديدة في البيئة. يوضح ماسي أنه في الغلاف الجوي العلوي، “تكون درجة الحرارة -60 درجة [مئوية]، لكن الإلكترونيات تميل فقط إلى ارتفاع درجة الحرارة والانقطاع”. وسرعان ما تم اكتشاف السبب: تُستخدم المراوح عادةً لتبريد هذه الحواسيب، ولكن على هذا الارتفاع، لا يوجد تقريبًا أي هواء لنقل الحرارة. في النسخة المحدثة من النظام، أضاف الباحثون نظام مشعاع بأنبوب نحاسي يربط الكمبيوتر بالبيئة المحيطة. وبهذه الطريقة، يمكن للكمبيوتر أن ينبعث بالحرارة إلى الفضاء ويبقي النظام باردًا.

يعتبر نظام استعادة البيانات أيضًا حلاً جيدًا للرحلات الجوية – مثل رحلات SuperBIT – التي تقضي وقتًا طويلاً فوق المسطحات المائية، كما يقول أندرو هاميلتون، القائم بأعمال رئيس برنامج المناطيد التابع لناسا. في مثل هذه الرحلات، تزداد احتمالية فقدان التلسكوب في المحيط، لذلك لا يمكن الاعتماد على الأقراص الصلبة الداخلية. ومع ذلك، يقول هاميلتون، فإن عملية الاسترجاع نفسها تقدم تحديات: أولاً، يجب عليك الحصول على إذن من سلطة مراقبة المجال الجوي المحلية لإسقاط كبسولات البيانات. بعد ذلك، يتعين على الباحثين تحديد مكان هبوط الكبسولات.

قبل إسقاط كبسولتين تحملان نسخًا منفصلة للبيانات، قام فريق SuperBIT بالتنسيق مع الشرطة الأرجنتينية، التي يقول ماسي وسيركس إنها كانت جزءًا أساسيًا من عملية الاسترجاع. هبطت الكبسولات في منطقة نائية ذات تضاريس وعرة، ولم يعرف الباحثون سوى المواقع التقريبية ؛ قامت سيركس بتطوير برنامج لحساب موقع الهبوط بناءً على الظروف الجوية، لكن الرياح الجانبية القوية فوق جبال الأنديز وبطارية معيبة تعني أنه لا يمكنهم تتبع مركبة الهبوط بدقة.

ويقول ماسي إن أحد أنظمة استعادة البيانات تعرض أيضًا “للتفتيش من قبل الحياة البرية المحلية” عند هبوطه. وجد الكوجار الجهاز وسحبه بعيدًا عن الموقع الأولي. لحسن الحظ، لم يتضرر النظام بشدة، وكانت البيانات آمنة.

ويقول هاميلتون إن رحلة SuperBIT في وقت سابق من هذا العام كانت المرة الأولى التي تستخدم فيها برنامج مناطيد ناسا هذا النوع من نظام استعادة البيانات. الآن، يقول هاميلتون إن ناسا تبحث في طرق أخرى لإجراء “إسقاطات البيانات”، من خلال برامج تشمل تحدي FLOATing DRAGON، وهي مسابقة تسعى إلى نماذج أولية لأجهزة مماثلة من طلاب الجامعات.

كما يخطط سيركس وماسي لتحسين تصميمهما للمناظير المستقبلية عن طريق حل المشكلة التي واجهوها مع بطارية النظام أثناء هبوطه. وللحفاظ على سلامة النظام من الحياة البرية بعد الهبوط، لدى ماسي فكرة:

يقول: “في المرة القادمة، أعتقد أننا سنضطر إلى وضع شيء ذو رائحة كريهة قليلاً عليه.”

الترجمة : حسين الرتيمي
التدقيق : محمد الامين مالك ابوشهيوة

قد تعتمد الترانزستورات المستقبلية التي تستهلك طاقة أقل بكثير من الأجهزة الحالية على مواد غريبة تسمى “العوازل الطوبولوجية”، حيث تتدفق الكهرباء عبر الأسطح والحواف فقط، دون أي تبديد للطاقة تقريبًا. في البحث الذي قد يساعد في تمهيد الطريق لمثل هذه الترانزستورات الطوبولوجية الإلكترونية، ابتكر العلماء في جامعة هارفارد وحاكوا أول ترانزستورات طوبولوجية صوتية، تعمل بالموجات الصوتية بدلاً من الإلكترونات.
الطوبولوجيا هي فرع الرياضيات الذي يستكشف طبيعة الأشكال بدون تغيير في شكلها. على سبيل المثال ، يمكن أن يتحول جسم على شكل كعكة دونات إلى شكل كوب ، بحيث تصبح فتحة العجين هي الفتحة الموجودة في مقبض الكوب. ومع ذلك ، لا يمكن للجسم أن يفقد الثقب دون أن يتحول إلى شكل مختلف تمامًا.

باستخدام نظريات الطوبولوجيا ، طور الباحثون أول عوازل طوبولوجية إلكترونية في عام 2007. الإلكترونات التي تتحرك على طول حواف أو أسطح هذه المواد “محمية طوبولوجيًا” ، مما يعني أن الأنماط التي تتدفق فيها الإلكترونات ستبقى دون تغيير في مواجهة أي اضطرابات. وهو اكتشاف ساعد في الفوز بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 2016. وصمم العلماء لاحقًا عوازل طوبولوجية فوتونية، حيث يكون الضوء محميًا كذلك.

مع ذلك ، فإن إنشاء ترانزستورات طوبولوجية إلكترونية يمكن من خلالها تشغيل وإيقاف تدفق الإلكترونات في المواد الطوبولوجية يتطلب التعامل مع ميكانيكا الكم المعقدة. باستخدام العوازل الطوبولوجية الصوتية، التي يمكن أن تتعرض فيها الموجات الصوتية للحماية الطوبولوجية، تمكن العلماء من تجنب هذا التعقيد لإنشاء ترانزستورات طوبولوجية صوتية.

ومع ذلك ، لم يكن تصميم ترانزستور طوبولوجي صوتي أمرًا سهلاً. يقول المؤلف الرئيسي للدراسة هاريس بيري ، الذي يعمل حاليًا في جامعة أكسفورد: “كنا نعلم أن نهجنا في المنطق الطوبولوجي يمكن أن ينجح ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى إيجاد مجموعة قابلة للتطبيق من المواد التي نجحت فيها بالفعل”. “لقد قمنا بعمل مكثف إلى حد ما – كان هناك صيف واحد حيث كنا نجري حسابات على حوالي 20 جهاز كمبيوتر في نفس الوقت لاختبار الآلاف من المواد والتصميمات المختلفة.”

على الرغم من وجود العديد من التصميمات التي وجد العلماء أنها أوشكت على النجاح، إلا أن التصميمات بدت دائمًا وكأنها معرضة للخطر بطريقة ما – على سبيل المثال، قال بيري: “كان الجهاز أكبر من أن يكون عمليًا”. “ثم في أحد الأيام ، وجدنا أخيرًا تصميمًا يلبي جميع الاحتياجات، بعد ذلك، كان الأمر مجرد مسألة تصميم المكونات الإضافية – محول الحرارة، لوحة القاعدة المتوسعة – لجعل كل شيء يعمل.”

يتكون التصميم من شبكة من أعمدة فولاذية مثبتة على صفيحة مصنوعة من مادة أخرى ، وكلها مثبتة في صندوق محكم الإغلاق. والصندوق مصنوع من مادة تتوسع بشكل كبير عند تسخينها.

تحتوي شبكة الجهاز على أعمدة أكبر قليلاً على جانب وأعمدة أصغر قليلاً على الجانب الآخر. تتحكم هذه الاختلافات في الحجم والتباعد بين الأعمدة في طوبولوجيا الشبكة ، والتي بدورها تؤثر على ما إذا كانت الموجات الصوتية يمكن أن تتدفق عبر الأعمدة أم لا. على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، لا يمكن أن تمر الموجات فوق الصوتية عبر الجهاز، ولكن عند 90 درجة مئوية ، يمكن أن تتذفق على طول الحافة بين الجانبين. فالخلاصة، يمكن للحرارة أن تحول هذا الجهاز من حالة إلى أخرى ، مثلما تفعل الكهرباء مع الترانزستورات التقليدية.

كما صمم العلماء جهازًا ثانيًا يحول الموجات فوق الصوتية إلى حرارة. عندما يقترن كلا الجهازين معًا، فإنهما يشكلان ترانزستورًا صوتيًا يمكنه التحكم في حالة ترانزستور مماثل آخر، تمامًا كما يمكن للكهرباء المتدفقة في الترانزستور التقليدي تبديل حالة الترانزستورات الأخرى.

لاحظ الباحثون أن هذه الترانزستورات الطوبولوجية الصوتية قابلة للتطوير. وهذا يعني أن التصميم نفسه يمكن أن يعمل أيضًا مع ترددات الجيجاهيرتز المستخدمة بشكل شائع في الدوائر التي يُحتمل أن تكون مفيدة لمعالجة المعلومات الكمومية.

وقال بيري: “بشكل عام، فإن التحكم في النقل الصوتي المحمي طوبولوجيًا له تطبيقات في عدد من المجالات المهمة، بما في ذلك تقليل الضوضاء الصوتية بكفاءة، والانتشار الصوتي أحادي الاتجاه، والتصوير بالموجات فوق الصوتية، وتحديد الموقع بالصدى، والتخفي الصوتي، والاتصالات الصوتية”.

يقول بيري، إن مبادئ التصميم المستخدمة لتطوير الترانزستورات الطوبولوجية الصوتية يمكن تكييفها للاستخدام في الأجهزة الضوئية بطريقة مباشرة إلى حد ما، “على الأقل من حيث المبدأ، لأن معادلة الموجة الصوتية ترسم حسابًا رياضيًا على نظيرتها الضوئية”. المعنى: إن فيزياء الموجات الصوتية والموجات الضوئية متشابهة بدرجة كافية بحيث يمكن ترجمة دروس الترانزستور الطوبولوجي من نوع واحد بسهولة إلى ترانزستور طوبولوجي من النوع الآخر.

ومع ذلك ، يقول بيري “هذا التعيين غير موجود في الإلكترونيات” ، مما يجعل الأمر أكثر صعوبة لتطوير ترانزستور طوبولوجي إلكتروني من هذا العمل. ومع ذلك ، “لا يزال من المحتمل أن نتبع نفس المخطط العام في مجال الإلكترونيات – علينا فقط إيجاد المواد المناسبة لاستخدامها”.

• قام العلماء بتفصيل نتائجهم على الإنترنت في وقت سابق من هذا الشهر في مجلة Physical Review Letters.
• ظهرت هذه المقالة في عدد مارس 2022 المطبوعة تحت عنوان “الترانزستورات الصوتية الجديدة: شكل إلكترونيات الغد ؟.”