تمام مریخ نوردها، فضاپیماها و مدارگردهایی که تا کنون به اقصی نقاط منظومه شمسی فرستاده شده اند در واقع مدلهای مختلفی از همین ربات ها هستند که در طول زمان پیشرفته و کامل شده اند. این موجودات مصنوعی به مناطقی قدم گذاشته اند که به نظر نمی رسد با توجه به فناوری های که در اختیار انسان امروز قرار دارد موجود زنده ای بتواند به آنجا برسد. فضاپیماهای وویجر که در مرزهای منظمومه شمسی به سر می برند نمونه ای بی نظیر از این ربات ها هستند. برای این که عظمت این فاصله را درک کنید خوب است بدانید که فاصله متوسط پلوتو ( یکی از دورترین اجرام منظومه شمسی) تا خورشید در حدود 39 برابر فاصله زمین تا خورشید است.
اما قدم بعدی برای استفاده از این ربات ها چیست؟ در نقشه هایی که دانشمندان برای آینده ماموریت هایی فضایی متصور می شوند قرار است انسان ها و ربات ها در کنار یکدیگر به انجام ماموریت بپردازند به طوری که نبود هر یک از آن ها، انجام پروژه را غیر ممکن می سازد. در همین راستا ربات های انسان نمایی طراحی شده و می شوند که بتواند با انجام وظایف مختلف به کمک انسان بیایند. مانند رباتی به نام ربونات2 که اکنون در ایستگاه فضایی بین المللی حضور دارد.
نیم‌تنه بالایی ربونات 2 (یا R2) همان طور که در تصویر مشاهده می کنید شبیه انسان است و بازوهای آن کاملا مشابه دست بشر شبیه سازی شده است. ربونات 2 دارای قابلیت کنترل از راه دور است و قرار است ساکنان ایستگاه فضایی بین المللی را در ماموریت‌هایی نظیر راهپیمایی‌های فضایی برای انجام تعمیرات ایستگاه کمک کند. پیش بینی می شود نسل های بعدی این ربات برای کاوش ماه و مریخ مورد استفاده قرار گیرند.
اگر ربات ها تا این حد می توانند ما را در تامین نیازهای پروژه های فضایی یاری کنند آیا اکتشافات فضایی را باید همچنان انسان ها انجام دهند و یا باید به آن ها سپرده شود؟ هر دو پاسخ احتمالی طرفداران خاص خود را دارد و مدت زمان زیادیست که این دو گروه بر سر انتخاب گزینه بهتر با هم اختلاف نظر دارند. ماموریت های رباتیک هزینه کمتری دارند و به علاوه جان انسان را نیز به خطر نمی اندازند. اما از نگاه دیگر بعضی کارها هستند که تنها انسان می تواند به سرعت و با دقت بالا آن ها را انجام دهد.
برای مثال مریخ نوردها را که وظیفه هیجان انگیز کاوش سطح مریخ را به عهده دارند در نظر بگیرید. سفر رفت و برگشت به مریخ در حدود 500 روز تخمین زده می شود اگر این سفر یک ماموریت سرنشین دار باشد باید برنامه ای برای 500 روز چند فضانورد تنظیم شود که شامل مواردی همچون تغذیه، شست و شو، سرگرمی، تهویه و ... باشد. این در حالیست که یک ربات بدون نیاز به هیچ یک از موارد بالا به راحتی می تواند به مریخ قدم بگذارد و این موضوع تا حد بسیار زیادی هزینه و طراحی ماموریت را آسان می کند. البته از طرف دیگر بسیاری از تجهیزات پیچیده ای که بر روی مریخ نوردها نصب شده اند تنها به منظور حمع آوری مقدار بسیار اندکی از مواد سطحی سیاره در مدت زمانی به نسبت طولانی است و این در حالیست که انسان به راحتی می تواند در مدت زمان کمتر حجم بسیار بیشتری از مواد را به طور هوشمندانه جمع آوری کند.
به نظر می رسد بهترین ایده برای انتخاب یکی از دو پاسخ سوال بالا، همکاری انسان با ربات باشد. نباید فراموش کرد که هر کدام از این دو، نقاط ضعف و قوتی دارند که در کنار یکدیگر می توانند مکمل خوبی برای هم باشند. انسان ها برای اکتشافات محلی گزینه مناسبی هستند در حالی که ماموریت های خطرناک با درصد ریسک بالا برای ربات ها مناسب تر هستند.
اصلا دور از انتظار نیست که روزی یک ربات انسان نما پرچم کشوری را بر سطح سیاره ای به اهتزاز درآورد و رقابت فضایی نوینی را آغاز کند. رقابتی که شاید سرانجام آن مانند همان فیلم هایی باشد که ربات ها لیزر قرمز رنگ به دست دارند!!
با افزایش میزان آلاینده‌های جوی و پدید آمدن اثر گلخانهای ، دانشمندان پیش‌بینی کرده‌اند که میانگین دمای هوا در نتیجه افزایش میزان دی‌اکسید کربن و سایر گازهای گلخانهای ، به اندازه چند درجه افزایش خواهد یافت و این افزایش دما ، روی آب و هوا ، محیط زیست و اکوسیستم‌های مختلف کشورهای جهان تأثیر خواهد گذاشت.
دانشمندان معتقدند که گرم شدن کره زمین از مدتها پیش در جریان بوده است و بطور عمده ، علت افزایش دما به اندازه دو سوم یک درجه سانتی‌گراد از سال 1860 به بعد ، افزایش گازهای گلخانهای می‌باشد.
مکانیسم اثر گلخانهای
سطح و جو کره زمین بطور عمده توسط نور خورشید گرم می‌شود. بیشترین گستره نورخورشید که به زمین می‌رسد، در محدوده نور مرئی قرار دارد. از کل نور ورودی خورشید از تمام طول موجها ، حدود 50 درصد به سطح زمین می‌رسد. 20% بوسیله گازها (UV) بوسیله ازن و IR بوسیله CO2 و H2O و قطره‌های آب در هوا جذب می‌شود و 30% دیگر بوسیله برف و یخ و آب و بدون آنکه جذب شود، منعکس شده ، به فضا بر می‌گردد.
زمین مانند هر جسم گرم دیگر ، انرژی منتشر میکند. انرژی منتشر شده از زمین نور زیر قرمز است که در گستره 4 تا 50µm قرار دارد. این ناحیه ، زیر قرمز گرمایی نام دارد. بعضی از گازها در هوا می‌توانند زیر قرمز گرمایی با طول موجهای خاصی را جذب کنند. بنابراین تمام زیر قرمز منتشر شده از سطح و جو زمین ، مستقیما به فضا باز نمی‌گردد و در فاصله کوتاهی پس از جذب آن بوسیله مولکولهای معلق در هوا مانند CO2 به‌صورت کاتوره‌ای منتشر و مجددا به سطح زمین هدایت و از نو جذب شده ، باعث گرم شدن بیشتر سطح زمین و هوا می‌شود.
نقش اثر گلخانهای طبیعی در تعادل گرمایی زمین
این واقعیت که سیاره زمین با لایه ضخیمی از یخ پوشیده نشده است، به‌علت نقش طبیعی اثر گلخانهای است. سطح زمین همان اندازه که با انرژی دریافتی از خورشید گرم می‌شود، با مکانیسم اثر گلخانهای نیز گرم می‌شود. نقش جو برای زمین همانند پتو می‌باشد که در فضایی که پوشش می‌دهد مقداری از گرمای آزاد شده از جسم را حفظ میکند و باعث افزایش دما می‌شود.
چنانچه جوی در کار نبود و دمای میانگین سطح زمین حدود بود. در حالیکه به خاطر وجود جو و اثر گلخانهای ، این دمای میانگین می‌باشد.
یوروپا از اقمار بزرگ مشتری با پوسته ای یخی پوشیده شده است
دانشمندان بهترین شواهد موجود از وجود آب درست در زیر پوسته یخی یوروپا، قمر مشتری را پیدا کرده اند.
تحلیل سطح این قمر حاکی از وجود جریان هایی از آب گرمتر در زیر پوسته یخی آن است که باعث ذوب و ترک برداشتن پوسته می شود.
نتایج این مطالعه که در نشریه نیچر چاپ شده است پیش بینی می کند که دریاچه های کوچک تنها در عمق 3 کیلومتری از پوسته وجود دارد.
هرگونه آب در حالت مایع می تواند به طور بالقوه زمینه را برای وجود حیات فراهم کند.
دانشمندان با توجه به مدل هایی از نیروهای مغناطیسی و تصاویر سطح یوروپا، همواره مظنون بوده اند که اقیانوسی بزرگ در عمق 10 تا 30 کیلومتری در زیر سطح وجود دارد.
دیوید بومان شخصیت رمان "ادیسه دو" نوشته آرتور سی کلارک موفق به کشف اشکال حیات در عمق دریای یوروپا می شود و بسیاری از دانشمندان آرزویی مشابه در سر پرورده اند.
اما ایجاد حفره در یخ ضخیم یوروپا همواره غیرممکن به نظر می رسیده است.
اکنون کشف آب مایع در عمق کم آن توسط تیمی از محققان آمریکایی، یک ماموریت فضایی برای استخراج آب از این قمر را عملی تر می کند.
دریاهای کم عمق
وجود دریاچه های کم عمق همچنین بدان معنی است که آب های سطحی به شدت با آب های کم عمق مخلوط می شود.
جریان های یخی می تواند عامل انتقال مغذی ها میان آب های سطحی و عمق دریاها باشد.
بریتنی اشمیت محقق اصلی این مطالعه از دانشگاه ایالتی تگزاس در آستین که تصاویر فضاپیمای گالیله که در سال 1989 پرتاب شد را تحلیل کرده است می گوید: "این یعنی یوروپا و اقیانوس آن می تواند قابل سکونت تر باشد."
یخچال شناسان سال ها مشغول مطالعه سطح یوروپا بوده اند و سعی داشته اند ببینند چه چیزی باعث پیدایش چنین خراش ها و شکستگی هایی در سطح آن شده است.
مارتین سیگرت یخچال شناس در دانشگاه ادینبورو گفت که محققان با نگاه کردن به قطب جنوب که دارای مشخصه های مشابه مثل یخچال ها و تخته های یخی است به استنباط درباره یوروپا می پردازند.
او توضیح داد که مطالعه تازه به ما می گوید که جابجایی جریان های گرم چگونه باعث ذوب یخ های سطحی و ایجاد ترک در پوسته یوروپا می شود.
آمریکا و اروپا سرگرم کار به روی اعزام ماهواره هایی به یوروپا و سایر اقمار مشتری هستند که امیدوارند تا اواخر این دهه یا اوایل دهه 2020 پرتاب شود.
مقدمه
 |
تخریب لایه اوزون
تراکم اوزون اتمسفری در لایه اوزون توسط یک عامل مهم جهانی تغییر میکند و آن دلیل این است که لایه اوزون در نزدیکی استوا ضخیمتر و در نزدیکی قطبها نازکتر است. ضخامت لایه‌های اوزون در نیمکره شمالی در سال تقریبا 4% کاهش می‌یابد. حدود 4.6% از سطح زمین بوسیله لایه اوزون پوشیده نمی‌شود که به آنها سوراخ اوزونی گفته می‌شود. سوئدیها در 23 ژانویه 1978 اولین مردمانی بودند که مصرف افشانه‌ها را به دلیل صدمه زدن به لایه اوزون ممنوع کردند. در دوم آگوست 2003 دانشمندان اعلام کردند که فرسایش لایه اوزون به سبب ممنوعیت استفاده از کلرو فلوئورو کربنها در حال کاهش است.
چه کارخانه‌هایى بر روى اوزون تأثیر مى‌گذارند؟
ضرورت حفاظت از لایه اوزون
پیامدهای ناشی از تخریب لایه اوزون
تخریب و سوراخ شدن لایه اوزون باعث عبور غیر قابل کنترل تابش فرابنفش خورشیدی می‌شود که سبب افزایش دمای زمین و ذوب یخهای قطبی و افزایش آب دریاها شده که در نهایت به زیر آب رفتن خشکیها می‌انجامد و نیز موجب سوختگی پوست ، ابتلا به سرطان پوست و بیماریهای چشمی ، همچنین وارد آمدن خسارت عمده به جانوران و گیاهان می‌شود و بالاخره باعث انقراض زندگی تمام موجودات می‌شود.
مقدمه
 |
طی چند سال اخیر لیزرهای دیودی به توانایی خروجی بالاتر ، ابعاد کوچکتر ، کارایی بالاتر ، اعتماد پذیری بیشتر و از همه اینها مهمتر به پوشش طول موجی پهنتر از IR میانه تا انتهای آبی رنگ طیف الکترومغناطیس ، دست یافته‌اند. برای سالهای متمادی ، دستیابی به منابع نوری تکفام کوک همدوس ، با عملکرد آسان و ارزان از IR میانه تا UV ، هدفی برای متخصصان طبف بینی بوده است. به غیر از طیف بینیهای متداول جذبی و فلوئورسانی ، طیف بینی رامان و بیضی سنجی نیز از لیزرهای دیودی به عنوان منابع نور همدوس بهره‌مند شده‌اند.
به تازگی متخصصان طیف بینی ، فنون با حساسیت زیاد مثل طیف بینی درون حفره را با لیزرهای دیودی ترکیب کرده‌اند. در طیف بینی بنیادی ، کاربرد منابع لیزری جدید به تعیین ساختار رادیکالهای آزاد یا گونه‌های خوشه‌ای عجیب و غریب منجر شده است. برای نظارتهای اتمسفری ، لیزرهای دیودی دمای اتاق که در 8 تا 13µM نشر می‌کنند، پیشرفتی اساسی به سمت بهبود کیفیت هوا هستند.
در پزشکی ، کاربرد لیزرهای دیودی در مقطع نگاری نوری و در تجزیه غیر تزریقی خون ، مثلا پیش بینی سطح گلوکز خون ، تشخیص پزشکی را با انقلابی مواجه کرده است. در صنعت ، حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در کنترل فرآیند اهمیت یافته‌اند، برای کنترل در محل فرآیندهای احتراقی ، آشکار سازی پسماندهای گازی در نقطه تخلیه و کنترل کیفیت در صنایع دارویی و غذایی لیزرهای دیودی دیگری نیز هستند که برای اندازه گیریهای جریان ، شمارش و سنجش ابعاد ذرات سودمندند.
ارتعاشهای خوب
گفتنی است این حسگرها برای آشکار سازی اتمسفری و آلودگی و همچنین نظارت بر فرآیندهای صنعتی بکار می‌روند. مثلا ، نیم رساناهایی مانند aLgAssB/iNgAaSb که تا زیر 3000nm کار می‌کنند. دستیابی به اکثر ارتعاشهای کششی C_H را مقدور می‌سازند. نشر لیزر در این طول موجها ، به دلیل وجود گاف نوار باریک که ساختار الکترونی این مواد را می‌سازد، امکان پذیر است. در نتیجه فقط مقدار بسیار کمی انرژی برای ارتقای الکترونها به انرژی بالاتر نوار رسانش ، مورد نیاز است.
با این حال مهیجترین پیشرفت در آشکارسازی IR میانه ، ساخت لیزرهای آبشار کوانتومی (QCL) است. این لیزرها را اولن بار دانشمندان بل لبز - لوسنت در آمریکا در سال 1994 ارائه کردند که با روشی کاملا متفاوت از لیزرهای دیودی نیم رسانای معمول کار می‌کنند. طول موج نوری که آنها نشر می‌کنند به گاف نوار نیم رسانا بستگی ندارد، بلکه بیشتر به ضخامت لایه‌های سازنده نیمرسانا در قطعه وابسته است.
لیزرهای دیودی در عمل
با ماده گالیم آرسنید (GaAs) خالص یک طول موجی ساخته شد، اما در عمل به علت نیاز و دشواری در تطابق شبکه ، این امر با محدودیت مواجه می‌شود. لیزرها با هر دو روش رشد همراستای بلور با باریکه مولکولی و رسوب دهی شیمیایی بخار فلز - آلی ساخته می‌شوند. این لیزرها با داشتن 50 درصد تبدیل الکتریسیته به نور ، کارآمدترین نوع لیزرند که در نتیجه باعث کاهش هزینه عملیاتی می‌شود.
هرگاه لایه به اندازه کافی نازک باشند (کمتر از 20nm) مکان الکترونهای نیم رسانا فقط در یک بعد محدود می‌شود: حالتهای انرژی در نوارهای والانس و رسانش کوانتیده شده و فقط ترازهای انرژی معینی مجاز می‌شود. لذا لایه‌های نیم رسانا مانند چاههای کوانتومی خواهند بود و می‌توان آنها را با لایه‌های غیر فعال (غیر لیزر ساز) روی هم چید و لیزرهایی ساخت که قادرند نور خروجی پر توانتری تولید کنند. در این QCL ها ، الکترونها از چند مرحله پی در پی افت انرژی ، می‌گذرند و همزمان با حرکت در نوعی آبشار الکترونی ، فوتون نشر می‌دهند. فاصله نزدیک نوارهای انرژی الکترونی ، نشر نور در گستره IR میانه تا دور را ممکن می‌سازد. چندین گروه پژوهشی ، در حال رقابت برای تولید نوع تجاری QCL در گستره 6 تا 12µm هستند که دریچه مهمی را بر روی نظارت اتمسفری ، خواهد گشود.
در سال 1998 گروه فدریکاکاپاسوازبل لبز - لوسنت تکنولوژی ، لیزری تولید کرد که دارای شبکه بلوری AlInAs/InGaAs با فواصل بین اتمی منطبق با شبکه InP بود و می‌توانست در 8,3µm با توان تپی 180mW در دمای اتاق ، نشر کند. امروزه می‌توان لیزرهایی را که در این محدوده کار می‌کنند از GaAs/AlGaAs تهیه کرد، که هم ارزانترند و هم آسانتر ساخته می‌شوند. هر چند نتایج اخیر گروه کاپاسو در آشکارسازی مقادیر ناچیز گازهایی مانند CH4 ، N2O هنوز به حد حساسیت آشکارسازی لیزرهای نمک سرب ، یعنی در حد ppb یا کمتر ، نرسیده است.
لیزرهای حفره عمودی نشر کننده از سطح (VCSEL) نوعی لیزر جدید هستند. آنها که عمدتا برای مخابرات نوری ساخته شده‌اند، برای کار در طول موج بلند و با خروجی تپی 2,9µm در دمای اتاق ، نیز بکار می‌روند. آنها کیفیت باریکه بهتری ایجاد می‌کنند و از بسیاری از لیزرهای جانشین که در طول موجهای بلندتر کار می‌کنند، آسانتر ساخته می‌شوند. در سال 1997، دیرک رله ، برند زومپف و هاینتس - دتلف کرونفلت ، از دانشگاه صنعتی برلین ، روش دیگری برای تولید تابش IR میانه برای آشکارسازی گازی ، ارائه دادند. آنها در یک بلور AgGaSe2 ، خروجی دو لیزر دیودی IR نزدیک (یکی در 1290µm و دیگری 1572nm) را باهم مخلوط و نوری با فرکانس متفاوت در حدود 7,2µm) 1380cm-1) برای شناسایی SO2 تولید کردند.
کنترل در خط
گروه من در دانشگاهها درزفیید ، برای استفاده از لیزرهای دیودی در کنترل فرآیند در خط از طریق نظارت در محل ، به ویژه در محیطهای خطرناک که در آن باریکه لیزر با استفاده از تار نوری به درون واکنشگاه هدایت می‌شود، فنونی را توسعه داده است. برای کنترل فرآیند و بهبود کارایی ، می‌توان تجزیه سریع محتوی واکنشگاه را به یک حلقه پسخور متصل کرد. با همکاری مارتین پمبل از دانشگاه سالفورد ، توانستیم به واکنشهایی که درون واکنشگاهها به طریق رسوب دهی شیمیایی بخار انجام می‌گیرند نظر بیندازیم. گفتنی است این واکنشها ، فهم مهمی برای تولید بسیاری از پوشش دهیهای ظریف سطحی را فراهم می‌سازند.
محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی
مسئله دیگر در آشکار سازی همزمان چند گونه شیمیایی ، احتمال "خط روی خط افتادن" یا تداخل علائم است. دانشمندان CSO Mesure در فرانسه ، برای اجتناب از این مشکل به هنگام اندازه گیری تابش زیر قرمز در فضا ، از یک لیزر دیودی IR نزدیک که روی مقادیر جذبی چرخشی - ارتعاشی C2H2 (در حدود 1530nm) تثبیت شده بود، به عنوان منبع مرجع استفاده کرده‌اند.
کار آنها بخشی از یک پژوهش 5 ساله مربوط به تداخل سنج زیر قرمز ارزیابی اتمسفری (IASI) اما مهندسان مخابرات برای جلوگیری از مشکل خط روی افتادن ، وقتی که چند طول موج مدوله شده کم فاصله در فرکانسهای GHz از درون یک تار نوری ارسال می‌شود، از همین رویکرد استفاده می‌کنند. "قفل کردن" طول موج لیزر روی استانداردهای مولکولی نظیر HCN و C2H2 ، هر گونه تداخل بین علائم مختلف را متوقف میکند.
 |
خروجی پر انرژی
لیزرهای دیودی ، کوک پذیرند (شناسایی چند گونه‌ای امکان پذیر می‌سازند)، پر شدت ترند (بنابراین داده‌ها را سریعتر کسب می‌کنند) و کنترل دقیقتری را مقدور می‌سازند. انتهای آبی طیف الکترومغناطیسی ، یکی از فعالترین حوزه‌های پژوهشی درباره لیزرهای دیودی است که در آن ، لیزرهای بر پایه GaN ، شدت و سرعت انتقال داده‌های ذخیره شده را به حداکثر می‌رسانند. برای شیمیدانان ، لیزرهای آبی ، عملا برای دستیابی به گذارهای الکترونی مولکولهایی مانند O3 و NO2 مفید است و به ساخت سیستمهای قابل حمل نظارت اتمسفری می‌انجامد.
حسگرهای تار نوری
تارهای نوری بر اساس بازتاب درونی کلی باریکه نور عمل می‌کنند، بنابراین هرگاه ضریب شکست نور در تار تغییر کند، نور می‌تواند به بیرون نشت کند. از این مسئله می‌توانیم برای آشکار سازی تغییر ارتفاع سطح مایع یا برای اندازه گیری با تفکیک پایین فشار درون مایع استفاده کرد. بخشی از میدان الکترومغناطیسی نور لیزر به خارج از تار هم گسترش می‌یابد و مولکولهای در سطح یا نزدیک تار می‌توانند این موج محو شونده را جذب کنند.
در سال 1997، یواخیم کاستز و ماوروس تا که از مؤسسه فرانهوفر در آلمان از این پدیده برای آشکار سازی هیدروکربنها در آب استفاده کردند. روشی که آنها استفاده کردند یعنی تجزیه موج محو شونده با لیزرهای دیودی (Ewald) ، عبارت است از استفاده از تارهای نقره هالید در IR میانه که با فیلم بسیاری نازکی روکش شده است. هیدروکربنها درون این اندود بسپاری نفوذ می‌کنند و از روی جذبهای اثر انگشتی‌شان شناسایی می‌شوند. به علت جذب قوی آب در ناحیه IR استفاده از طیف بینی معمولی عبوری IR امکان پذیر نیست.
حکایتهای درونی
طیف بینی جذب درون حفره ای لیزر (Iclas) فناوری حساسی است که طیف بینی سال با لیزرهای گازی بزرگ و لیزرهای رنگینه‌ای بکار برده می‌شده است. این روش شامل تقویت جذب نور لیزر ، با قرار دادن نمونه درون حفره لیزر به جای خارج آن است. فوتونهای لیزر بین دو آینه انتهایی سازنده حفره لیزر به جلو و عقب بازتابیده می‌شوند و عملا طول مسیر جذب را هزاران مرتبه افزایش می‌دهند. پیترتوشک و والری بف در دانشگاه هامبورگ ، از این اصل برای ساختن یک آشکار ساز بسیار کوچک و حساس آلودگی گازی استفاده کرده‌اند.
لیزر دیودی مورد استفاده ، عملا برای تأمین توان لیزر 20cm آنهاست که از یک تار نوری فلوئور و زیرکوناتی دوپه شده با اتمهای پروزئودیمیم و ایتربیم تشکیل شده بود. نور لیزر دیودی در 850nm ، اتمهای دوپه کننده را در تار برانگیخته و نور مرئی نشر میکند. گفتنی است همانطوری که که تقویت می‌شود، اگر نمونه یک گاز در یک انتهای حفره در جلوی آینه نیم باز تابیده قرار داده شود، متخصصان طیف بینی می‌توانند طیف جذبی تقویت شده را آشکار کنند.
برای دیدن مطالب بروی آرشیو کلیک کنید
