مهمة إعادة العينات

في يوليو 1969، حققت أبولو 11 أول نجاح في إعادة عينات من جرم سماوي آخر في النظام الشمسي، حيث أعادت 22 كيلوغرامًا (49 رطلاً) من مواد سطح القمر. تبع ذلك 34 كيلوغرامًا (75 رطلاً) من المواد وأجزاء من مركبة سيرفيور 3 من أبولو 12 ، و 42.8 كيلوغرامًا (94 رطلاً) من المواد من أبولو 14 ، و 76.7 كيلوغرامًا (169 رطلاً) من المواد من أبولو 15 ، و 94.3 كيلوغرامًا (208 أرطال) من المواد من أبولو 16 ، و 110.4 كيلوغرامات (243 رطلاً) من المواد من أبولو 17. أعاد برنامج أبولو ككل أكثر من 382 كيلوغرامًا (842 رطلاً) من صخور القمر وتربة القمر ، بما في ذلك التربة القمرية ، إلى مختبر استقبال العينات القمرية في هيوستن . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} اليوم، يتم تخزين 75٪ من العينات في منشأة مختبر عينات القمر التي تم بناؤها عام 1979. ^{[ 12 ]}        

في عام 1970، أعادت المركبة السوفيتية الروبوتية لونا 16 ما مقداره 101 غرام من تربة القمر، تلتها لونا 20 التي أعادت 55 غرامًا في عام 1974، ثم لونا 24 التي أعادت 170 غرامًا في عام 1976. ورغم أن هذه المركبات استعادت كمية أقل بكثير من مهمات أبولو، إلا أنها قامت بذلك بشكل آلي بالكامل. وباستثناء هذه النجاحات الثلاثة، فشلت محاولات أخرى ضمن برنامج لونا . كانت المهمتان الأوليان تهدفان إلى منافسة أبولو 11، وقد أُجريتا قبلها بفترة وجيزة في يونيو ويوليو 1969. فشلت المركبة لونا E-8-5 رقم 402 عند الإطلاق، وتحطمت لونا 15 على سطح القمر. وفي وقت لاحق، فشلت مهمات أخرى لإعادة العينات: كوسموس 300 وكوسموس 305 في عام 1969، ولونا إي-8-5 رقم 405 في عام 1970، ولونا إي-8-5 إم رقم 412 في عام 1975، حيث فشلت عمليات الإطلاق، ولونا 18 في عام 1971 ولونا 23 في عام 1974، حيث فشلت عمليات الهبوط على سطح القمر. ^{[ 13 ]}   

في عام 1970، خطط الاتحاد السوفيتي لأول مهمة لإعادة عينات من المريخ عام 1975 ضمن مشروع Mars 5NM . كان من المقرر استخدام صاروخ N1 في هذه المهمة ، إلا أن هذا الصاروخ لم يُطلق بنجاح، فتطورت المهمة إلى مشروع Mars 5M ، الذي كان سيستخدم إطلاقًا مزدوجًا بصاروخ بروتون الأصغر حجمًا ، مع تجميعه في محطة ساليوت الفضائية. كان من المقرر إطلاق مهمة Mars 5M عام 1979، لكنها أُلغيت عام 1977 بسبب مشاكل تقنية وتعقيدات. ^{[ 14 ]}

استخدمت تجربة جمع الحطام المداري (ODC) التي تم نشرها على محطة الفضاء مير لمدة 18 شهرًا في الفترة 1996-1997 مادة الهلام الهوائي لالتقاط الجسيمات من مدار أرضي منخفض، بما في ذلك الغبار بين الكواكب والجسيمات التي من صنع الإنسان. ^{[ 15 ]}

كانت مهمة جينيسيس هي المهمة التالية لإعادة عينات من خارج كوكب الأرض ، حيث أعادت عينات من الرياح الشمسية إلى الأرض من خارج مدارها في عام 2004. لسوء الحظ، فشلت كبسولة جينيسيس في فتح مظلتها أثناء دخولها الغلاف الجوي للأرض، وهبطت اضطرارياً في صحراء يوتا. سادت مخاوف من تلوث شديد أو حتى فقدان المهمة بالكامل، لكن العلماء تمكنوا من إنقاذ العديد من العينات. وكانت هذه العينات الأولى التي تُجمع من خارج مدار القمر. استخدمت جينيسيس مصفوفة تجميع مصنوعة من رقائق السيليكون فائق النقاء والذهب والياقوت والماس ^. استُخدمت كل رقاقة لجمع جزء مختلف من الرياح الشمسية . [ ^{16 ]}

بعد مهمة جينيسيس، انطلقت مركبة ستاردست الفضائية التابعة لناسا ، والتي أعادت عينات من المذنب إلى الأرض في 15 يناير 2006. وقد مرت المركبة بسلام بالقرب من المذنب وايلد 2 ، وجمعت عينات من الغبار من غلافه الغازي، بينما كانت تصور نواته. استخدمت ستاردست مصفوفة تجميع مصنوعة من هلام هوائي منخفض الكثافة (99% منه فراغ)، تبلغ كثافته حوالي 1/1000 من كثافة الزجاج. وهذا ما يُمكّن من جمع جزيئات المذنب دون إتلافها نتيجة السرعات العالية للاصطدام. فاصطدام الجزيئات حتى مع مُجمّعات صلبة ذات مسامية طفيفة من شأنه أن يؤدي إلى تدمير تلك الجزيئات وإلحاق الضرر بجهاز التجميع. وخلال الرحلة، جمعت المصفوفة ما لا يقل عن سبع جزيئات من الغبار بين النجوم. ^{[ 17 ]}

في يونيو/حزيران 2010، أعادت مركبة هايابوسا التابعة لوكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) عينات من الكويكب إلى الأرض بعد الالتقاء بالكويكب 25143 إيتوكاوا من النوع S والهبوط عليه . وفي نوفمبر/تشرين الثاني 2010، أكد علماء الوكالة أنه على الرغم من تعطل جهاز أخذ العينات، فقد استعاد المسبار كميات ضئيلة من الغبار من الكويكب، وهي أول عينة تعود إلى الأرض بحالة نقية. ^{[ 18 ]}

كانت مهمة فوبوس-غرونت الروسية مهمة فاشلة لإعادة عينات من فوبوس ، أحد أقمار المريخ. أُطلقت في 8 نوفمبر 2011، لكنها فشلت في مغادرة مدار الأرض وتحطمت بعد عدة أسابيع في جنوب المحيط الهادئ. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

أطلقت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) المسبار الفضائي المُحسّن "هايابوسا 2" في 3 ديسمبر 2014. وصل "هايابوسا 2" إلى الكويكب المستهدف القريب من الأرض من النوع C، وهو الكويكب 162173 ريوغو (المعروف سابقًا باسم 1999 JU 3 )، في 27 يونيو 2018. ^{[ 21 ]} أجرى المسبار مسحًا للكويكب لمدة عام ونصف، وجمع عينات منه. غادر الكويكب في نوفمبر 2019 ^{[ 22 ] [ 23 ]} وعاد إلى الأرض في 6 ديسمبر 2020. ^{[ 24 ]}

أُطلقت مهمة أوزيريس -ريكس في سبتمبر 2016 بهدف إعادة عينات من الكويكب 101955 بينو . ^{[ 25 ] [ 26 ]} ومن المتوقع أن تُمكّن هذه العينات العلماء من معرفة المزيد عن الفترة التي سبقت نشأة النظام الشمسي، والمراحل الأولى لتكوين الكواكب، ومصدر المركبات العضوية التي أدت إلى نشأة الحياة. ^{[ 27 ]} وصلت المركبة إلى جوار بينو في 3 ديسمبر 2018، ^{[ 28 ]} حيث بدأت بتحليل سطحه بحثًا عن منطقة عينة مستهدفة على مدى الأشهر التالية. جمعت المركبة عينتها في 20 أكتوبر 2020، ^{[ 29 ] [ 30 ]} وهبطت على الأرض مجددًا في 24 سبتمبر 2023، مما جعل أوزيريس-ريكس خامس مهمة ناجحة لإعادة عينات من جرم سماوي خارج كوكب الأرض. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} بعد فترة وجيزة من استعادة حاوية العينة ونقلها إلى "غرفة محكمة الإغلاق في مركز جونسون للفضاء في هيوستن، تكساس"، فُتح غطاء الحاوية. وعلق العلماء بأنهم "وجدوا غبارًا أسود وحطامًا على سطح إلكترونيات الطيران لحاوية العلوم الخاصة بمركبة أوزيريس-ريكس" عند الفتح الأولي. وتم التخطيط لدراسة لاحقة. في 11 أكتوبر 2023، فُتحت الكبسولة المستعادة للكشف عن "نظرة أولية" على محتويات عينة الكويكب. ^{[ 35 ] [ 36 ]} في 13 ديسمبر 2023، نُشرت تقارير عن دراسات إضافية للعينة المُعادة، وكشفت عن جزيئات عضوية بالإضافة إلى مواد غير معروفة تتطلب المزيد من الدراسة لفهم تركيبها ومكوناتها بشكل أفضل. ^{[ 37 ] [ 38 ]} في 13 يناير 2024، أعلنت ناسا أخيرًا عن فتح الحاوية المستعادة التي تحتوي على عينات من كويكب بينو بالكامل، بعد ثلاثة أشهر من المحاولات. ^{[ 39 ] [ 40 ]} بلغ الوزن الإجمالي للمواد المستردة 121.6 غرام (4.29 أونصة) ، أي أكثر من ضعف هدف المهمة. ^{[ 41 ]}  

أطلقت وكالة الفضاء الصينية (CNSA) مهمتي تشانغ إي 5 و 6 لإعادة عينات من القمر في 23 نوفمبر 2020 و3 مايو 2024 على التوالي، حيث عادتا إلى الأرض بكيلوغرامين من تربة القمر في 16 ديسمبر 2020 و25 يونيو 2024 على التوالي. ^{[ 42 ]} وكانت هاتان المهمتان أول مهمتين لإعادة عينات من القمر منذ أكثر من 40 عامًا. ^{[ 43 ]} وكانت مهمة تشانغ إي 6، التي هبطت في حوض فوهة أبولو في نصف الكرة الجنوبي للجانب البعيد من القمر، أول مهمة تستعيد عينات من الجانب البعيد للقمر ، حيث جُمعت جميع العينات القمرية الجماعية السابقة من الجانب القريب . ^{[ 44 ]}

تم إطلاق القمر الصناعي تيان وين-2 التابع لوكالة الفضاء الصينية في مايو 2025 بهدف إعادة عينات من 469219 كامو أواليوا . ^{[ 45 ]}

تخطط وكالة الفضاء الكندية (CNSA) لمهمة إعادة عينات من المريخ بحلول عام 2030. ^{[ 46 ] [ 47 ]}

تُطوّر وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) مهمة MMX ، وهي مهمة لإعادة عينات من فوبوس ، ومن المقرر إطلاقها عام 2026. ^{[ 48 ]} ستدرس MMX كلا قمري المريخ ، لكن الهبوط وجمع العينات سيكونان على فوبوس. وقد تم اختيار فوبوس تحديدًا نظرًا لوجود قمرين، ومداره الأقرب إلى المريخ، واحتمالية احتواء سطحه على جزيئات مُقذفة من المريخ. وبالتالي، قد تحتوي العينة على مواد من أصل المريخ نفسه. ^{[ 49 ]} ومن المتوقع أن تعود وحدة الدفع التي تحمل العينة إلى الأرض عام 2031. ^{[ 48 ]}

لطالما خططت وكالتا ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية لمهمة إعادة عينات من المريخ . ^{[ 50 ]} تقوم المركبة الجوالة "برسيفيرانس "، التي أُطلقت عام 2020، بجمع عينات من لباب الحفر وتخزينها على سطح المريخ. ^{[ 51 ]} وحتى سبتمبر 2023، جمعت عينة واحدة من الغلاف الجوي، و8 عينات من الصخور النارية، و11 عينة من الصخور الرسوبية ، وعينتين من التربة السطحية. ^{[ 52 ]} في 22 نوفمبر 2023، أعلنت ناسا عن تقليصها لمهمة إعادة عينات المريخ بسبب نقص التمويل. ^{[ 53 ]} في يناير 2024، واجهت خطة ناسا المقترحة تحديات بسبب اعتبارات الميزانية والجدولة، وبدأ البحث عن خطط بديلة. ^{[ 54 ]}

لدى روسيا خطط لمهمات لونا-غلوب لإعادة عينات من القمر بحلول عام 2027 ومهمات مارس-غرانت لإعادة عينات من المريخ في أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين.

يمكن استخدام مصفوفة تجميع لجمع ملايين أو مليارات الذرات والجزيئات والجسيمات الدقيقة باستخدام رقائق مصنوعة من عناصر مختلفة. يسمح التركيب الجزيئي لهذه الرقائق بجمع جسيمات بأحجام متنوعة. تتميز مصفوفات التجميع، كتلك المستخدمة في مركبة جينيسيس الفضائية ، بنقاء فائق لضمان أعلى كفاءة في التجميع، والمتانة، والقدرة على التمييز التحليلي.

تُعدّ مصفوفات التجميع مفيدةً لجمع الذرات الصغيرة سريعة الحركة، كتلك التي تقذفها الشمس عبر الرياح الشمسية، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لجمع الجسيمات الأكبر حجمًا، كتلك الموجودة في غلاف المذنب. وقد طبّقت مركبة ناسا الفضائية المعروفة باسم " ستاردست" هذه التقنية. مع ذلك، ونظرًا للسرعات العالية وحجم الجسيمات التي تُشكّل غلاف المذنب والمنطقة المحيطة به، لم يكن استخدام مصفوفة تجميع صلبة كثيفة خيارًا عمليًا. ونتيجةً لذلك، كان لا بد من تصميم وسيلة أخرى لجمع العينات حفاظًا على سلامة المركبة الفضائية والعينات نفسها.

الأيروجيل

الأيروجيل مادة صلبة مسامية أساسها السيليكا ، ذات بنية إسفنجية، ويشكل الفراغ 99.8% من حجمها. تبلغ كثافة الأيروجيل حوالي 1/1000 من كثافة الزجاج. استُخدم الأيروجيل في مركبة ستارداست الفضائية لأن جزيئات الغبار التي كان من المقرر أن تجمعها المركبة ستصطدم بسرعة تبلغ حوالي 6  كم/ث. قد يؤدي الاصطدام بجسم صلب كثيف بهذه السرعة إلى تغيير تركيبها الكيميائي أو تبخيرها بالكامل. ^{[ 55 ]}

نظرًا لأن الهلام الهوائي شفاف في معظمه، ولأن الجسيمات تترك مسارًا على شكل جزرة بمجرد اختراقها سطحه، يستطيع العلماء العثور عليها واستعادتها بسهولة. ولأن مسامه على مقياس النانومتر ، فإن الجسيمات، حتى تلك الأصغر من حبة رمل، لا تمر عبر الهلام الهوائي بالكامل، بل تتباطأ حتى تتوقف ثم تُدمج داخله. تحتوي مركبة ستاردست الفضائية على جامع على شكل مضرب تنس مُغطى بالهلام الهوائي. يُسحب الجامع إلى داخل كبسولته لتخزينه بأمان وإعادته إلى الأرض. يتميز الهلام الهوائي بقوته العالية وقدرته على تحمل ظروف الإطلاق والفضاء بسهولة. ^{[ 55 ]}

تتحدد مخاطر وصعوبات مهمات إعادة العينات التي تتطلب الهبوط على جرم سماوي خارج كوكب الأرض، مثل الكويكبات أو الأقمار أو الكواكب، في الغالب بالوقت والموارد المالية والتقنية اللازمة لتنفيذ هذه الخطط. ويتطلب الأمر دقة متناهية لضمان سير جميع العمليات بسلاسة، بدءًا من الإطلاق والهبوط وانتهاءً باستعادة العينات وعودتها إلى الأرض.

على الرغم من أن هذا النوع من مهمات إعادة العينات ينطوي على مخاطر جمة، إلا أنه الأكثر فائدة لعلوم الكواكب . علاوة على ذلك، تتمتع هذه المهمات بإمكانات هائلة للتواصل مع الجمهور، وهو ما يُعدّ سمة بالغة الأهمية لاستكشاف الفضاء من حيث الدعم الشعبي. المهمتان الروبوتيتان الوحيدتان الناجحتان من هذا النوع لإعادة العينات هما مركبة لونا السوفيتية ومركبة تشانغ إي الصينية للهبوط على سطح القمر. بينما جمعت مهمات أخرى مواد من الكويكبات بوسائل مختلفة، إلا أنها فعلت ذلك دون الهبوط عليها، نظراً لانخفاض جاذبيتها الشديد.