המדען שפתח את הדלת לחלל

"ג'יימס ון אלן היה אחד ממדעני החלל הגדולים ביותר ובעלי ההישגים הרבים ביותר בתקופתנו, ולמעט מאד מדענים היה טווח התמחות רחב כמו שלו בתחומים מדעיים כה רבים", אמר ראש סוכנות החלל האמריקאית (נאס"א), מייקל גריפין, לאחר מותו של ון אלן ב-2006. "הנתיב של נאס"א בחקר החלל מתקדם כיום הרבה יותר בזכות עבודתו פורצת הדרך של דוקטור ון אלן".

ון אלן זכור כיום בעיקר בזכות גילוי החגורות המגנטיות המגינות על כדור הארץ מקרינה וקרויות על שמו, אבל תרם למדע הרבה יותר – מהבנה טובה יותר של מערכת השמש ועד קידום של שיתוף פעולה בינלאומי בחקר החלל.

נגרות וניפוח זכוכית

ג'יימס ון אלן (Van Allen) נולד ב-7 בספטמבר 1914 בעיירה מאונט פלזנט שבמדינת איווה בארצות הברית. אביו, כמו סבו, היה עורך דין, והקפיד להקנות לארבעת בניו אופקים רחבים. הוא היה קורא באזניהם מספרים ומכתבי עת כל יום לאחר ארוחת הערב. ג'יימס עצמו, השני מארבעת הבנים, התעניין מגיל צעיר במדע ובטכנולוגיה: הוא גמע בשקיקה עיתוני מדע פופולרי, ובנה בעצמו מכשירים כמו מנועים פשוטים או סליל טסלה שייצר ברקים וגרם לשער ראשו לסמור (וכמעט עשה לאמו התקף לב).

הוא היה תלמיד מבריק, שסיים את התיכון המקומי כמצטיין המחזור שלו. ון אלן העיד על עצמו שהצטיין לא רק במתמטיקה ומדעים, אלא גם בלטינית ובעיקר בשיעורי נגרות. ב-1931 החל ללמוד לתואר ראשון במכללה המקומית, שבה למדו גם הוריו ואחיו הבכור. הוא נרשם לכל קורס מדעי שהציעה המכללה, בעיקר פיזיקה וכימיה, אך גם מעט אסטרונומיה וגיאולוגיה.

במכללה פרש עליו את חסותו פרופסור לפיזיקה, תומס פולטר (Poulter). ון אלן הועסק במעבדה שלו, ולצד הידע המדעי רכש גם מיומנות במלאכות כמו ריתוך, עיבוד שבבי, הלחמה וניפוח זכוכית והפגין עד מהרה מיומנות מרשימה בבניית מכשירי מעבדה. כשפולטר הצטרף למשלחת מחקר באנטארקטיקה, בנה ון אלן את הסייסמוגרף בעבור המשלחת ועשה בדיקות שדה למכשירים אחרים. פולטר אף ביקש לצרפו למשלחת, אך משפחתו התנגדה בנימוק שהוא צעיר מדי.

ון אלן סיים בהצטיינות את התואר הראשון, והמשיך לתואר שני ולדוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת איווה. לאחר שבמאסטר הוא פיתח מכשיר למדידת שינויים זעירים בגבישים, בדוקטורט הוא פנה לתחום הצעיר של פיזיקה גרעינית, וחקר כיצד קרינה יוצרת איזוטופים של מימן.

בגיל 25 סיים ון אלן את הדוקטורט, ומונה לעמית מחקר במכון קרנגי בוושינגטון, שם המשיך לעסוק בפיזיקה גרעינית, אבל גם נחשף לתחומים כמו גיאו-מגנטיות ופיזיקה אטמוספרית, שהשפיעו רבות על עבודתו.

התעניין מגיל צעיר במדע ובטכנולוגיה, ואהב לבנות מכשירים אלקטרוניים. ון אלן בוחן את החללית פיוניר 2 | Science Photo Library

מרעום הקירבה

ב-1940, כשרוחות המלחמה מאירופה החלו מנשבות לכיוון ארצות הברית, הצטרף ון אלן לקבוצת חוקרים שעסקה בפיתוח מרעום קירבה – המאפשר להפעיל את ראש הנפץ של פצצה סמוך למטרה, בלי צורך בפגיעה ישירה. מרעום כזה היה חיוני בשלל סוגי חימוש – מתותחים נגד מטוסים ועד טורפדו ופצצות עומק. זמן קצר לאחר הצטרפותה של ארצות הברית למלחמת העולם השנייה, בסוף 1941, הוא הצטרף למעבדת החימוש של הצי, שם המשיך לפתח את המרעום שהיה מבוסס על מדידת המרחק ממטרה מתכתית באמצעות גלי רדיו, ונועד בעיקר לחימוש ימי נגד מטוסים.

בהמשך התנדב לשירות קרבי בצי, ועסק בשיפור המרעומים, בתחזוקת המרעומים ביחידות החזית ובהדרכת אנשי התותחנות הימית בשימוש בהם. הוא גם שירת בעצמו כקצין תותחנות על אנייה והשתתף בכמה קרבות.

אחרי המלחמה קיבל ון אלן משרת מחקר בפיזיקה יישומית באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, סמוך לוושינגטון הבירה. הוא עסק בחקר האטמוספרה הגבוהה, בין השאר בעזרת טילי V-2, הטילים הבליסטיים הראשונים שפותחו בגרמניה הנאצית, וכמה מהם הובאו לארצות הברית במבצע חשאי, עם צוות מפתחיהם, בראשם ורנר פון בראון. הטילים שימשו לפיתוח צבאי ולמטרות מחקר. במקביל היה ון אלן שותף בפיתוח טיל אחר, Aerobee, שהיה קטן וזול בהרבה מהטיל הגרמני, אך יעיל כמעט כמוהו.

בלונים וטילים

ון אלן פיתח מכשירים שהותקנו בטילים אלו למדידת קרינה קוסמית, קרינה על סגולה, ריכוז אוזון באטמוספרה וזרמי אוויר וחלקיקים באטמוספרה הגבוהה (יונוספרה), וכן ציוד צילום מתקדם. רוב השיגורים נעשו מניו מקסיקו, אך הוא יזם גם הפלגות מחקר שבהן שוגרו טילי Aerobee מספינות סמוך לקו המשווה ובאזורים נוספים, כדי לחקור את האטמוספרה בקווי רוחב שונים.

"תקופת המחקר הזו לוותה בכשלונות רבים אך הניבה גם הצלחות חשובות, כתב ון אלן לימים. "השגנו התקדמות של ממש בידע על הרכב האטמוספרה, פיזיקה יונספרית, קרינה קוסמית, צילום מגובה רב שעל עננים ופני הקרקע, גיאו-מגנטיות וקרינה על סגולה וקרינת רנטגן מהשמש".

ב-1951 שב ון אלן לאוניברסיטת איווה, שם הוזמן לעמוד בראש המחלקה לפיזיקה. אף על פי שתקציב המחקר היה מצומצם, הוא המשיך במחקר אטמוספרי מתקדם בעזרת פיתוח מקורי: הסבה למחקר של טילים קטנים מעודפי הצבא, ושיגורם מגובה 15 קילומטר, לשם נישאו בעזרת בלונים גדולים. בשיטה זו הגיעו הטילים לגובה של כ-75 קילומטרים, וסיפקו מידע רב בעזרת המכשור המדעי שהחליף את ראשי הנפץ שלהם. הפיתוח כונה rockoons – שילוב של rockets ו-baloons.

ון אלן העריך כי סמוך לקטבים השדה המגנטי של כדור הארץ מפגיש את החלקיקים מרוח השמש עם האטמוספרה. במחצית הראשונה של שנות ה-50 הוא ביצע שיגורים רבים של טילים כאלה באזורים צפוניים כמו גרינלנד, וב-1953 הוא ותלמידיו הצליחו לזהות במדידותיהם את האלקטרונים מקרינת השמש הגורמים לתופעת זוהר הקוטב. בהמשך הם ביצעו מדידות דומות גם בקווי רוחב דרומיים מאוד.

שנת הלוויינים

לקראת סוף עבודתו בג'ונס הופקינס, ב-1950, הגה ון אלן רעיון לשיתוף פעולה בין מדענים ממדינות רבות. הוא הציע לייסד את שנת הגיאופיזיקה הבינלאומית, שתהיה מסגרת לכנסים ולמפגשים משותפים של מדענים מרחבי העולם, ומשני עבריו של מסך הברזל. האירועים התקיימו בסופו דבר ב-1957-8 ובמסגרת שנת הגיאופיזיקה שיגרה ברית המועצות את הלוויין הראשון בהיסטוריה, ספוטניק 1. ארצות הברית נאלצה להתמודד עם כמה כשלונות צורבים בטרם הצליחה לשגר לוויין משלה כשלושה חודשים אחרי הרוסים.

הלוויין האמריקאי הראשון, אקספלורר 1, נשא בין השאר גם מונה גייגר שפיתח ון אלן למדידת קרינה בחלל. המדידות הניבו תוצאה מוזרה – נראה שדווקא בגובה רב פחתה רמת הקרינה, ולא כפי שהחוקרים ציפו. מונה משופר בלוויין אקספלורר 3, ששוגר כעבור חודשיים (לאחר כישלון בשיגור של אקספלורר 2), פתר את התעלומה: התברר כי בקרינה החזקה המונה של הלוויין הראשון "הוצף" ולכן הפסיק לפעול. הממצאים אישרו את התחזית של ון אלן בדבר חגורת קרינה טבעית המקיפה את כדור הארץ. חללית פיוניר ששוגרה בסוף 1958 אל הירח אמנם לא הצליחה להגיע אליו, אבל אישרה את קיומה של חגורת קרינה נוספת, חיצונית מהחגורה הראשונה. שתי החגורות קרויות על שם ון אלן, והן מספקות לכדור הארץ הגנה רבה מפני החלקיקים הטעונים בקרינת השמש.

הלווין האמריקאי הראשון נשא מונה גייגר שפיתח. ון אלן (באמצע) מניף את אקספלורר 1 עם פיקרינג (משמאל) ופון בראון | NASA

לימים התברר כי הלוויין הרוסי ספוטניק 2, ששוגר בסוף 1957, עוד לפני הלוויינים האמריקאיים, לא רק נשא את הכלבה הראשונה למסלול סביב כדור הארץ, אלא מדד גם הוא את רמות הקרינה. הוא היה בגובה רב מספיק לבצע את המדידה כאשר היה מעל חצי הכדור הדרומי. הלוויין שידר את הנתונים בזמן אמת, והם נקלטו באוסטרליה, אך לא פוענחו משום שהמפתח לכך היה בידי הרוסים. האוסטרלים לא העבירו את הנתונים לברית המועצות בשל סירובם של הרוסים לחלוק את ממצאיהם המדעיים. כך נותר הגילוי בידי ון אלן, אף על פי שהרוסים התעקשו במשך שנים רבות לכנות את חגורות הקרינה "חגורות ורנוב" (Vernov), על שם הפיזיקאי סרגיי ורנוב שיכול היה לגלותן.

פרנסה יפה

בקיץ 1958 היה ון אלן שותף בניסוי "ארגוס", שבמסגרתו פוצצה ארצות הברית שלוש פצצות גרעיניות בחלל תוך כמה ימים. לוויין (אקספלורר 4) שנשא מכשירי מדידה של ון אלן בחן את השפעות הקרינה הזו על החגורות המגנטיות. הניסוי העלה כי החגורות מגינות גם מהקרינה הזו, וכי הפיצוצים האטומיים הגדילו את שטף הקרינה בחגורות ויצרו זוהר קוטב מלאכותי.

במאי 1959 הופיע ון אלן בשער המגזין "טיים", שסיקר בהרחבה את ממצאיו ועבודתו, והגדיר אותו "דמות מפתח במאבק על היוקרה והיתרון המדעי במלחמה הקרה".

לאחר שהרוסים הקדימו את האמריקאים גם בשיגור אדם לחלל, הכריז נשיא ארצות הברית, קנדי, על תכניתו להנחית אדם על הירח עד סוף העשור. ון אלן היה תחילה מתומכיה של תכנית אפולו, בתקווה כי נוסף על הנחיתה ההיסטורית היא תניב גם פירות מדעיים רבים. בהמשך שינה את דעתו, ואמר כי הערך העיקרי של התכנית היה מופע טלוויזיוני, וכי משימות חלל לא מאוישות מניבות ערך מדעי רב יותר בעלות נמוכה יותר.

למרות הסתייגותו, המשיך ון אלן לעבוד עם נאס"א ופיתח מכשור ללווייני מחקר רבים. מכשירים שלו, בעיקר מדי קרינה, שולבו בחללית מרינר 2, הראשונה שהתקרבה לכוכב הלכת נוגה, במרינר 4, שעשתה את היעף הראשון סמוך למאדים, בחלליות פיוניר שהיו הראשונות שחקרו מקרוב את כוכב הלכת צדק ובחלליות וויאג'ר שביקרו בכוכבי הלכת החיצוניים בדרכן אל קצות מערכת השמש. הוא גם היה שותף בפיתוח משימת "גלילאו", חללית ששוגרה ב-1989 לאחר עיכובים ודחיות רבות, והניבה מידע רב על צדק. המשימה נדחתה פעמים כה רבות עד שב-1989 כתב ון אלן כי הסבירות שיהיה בחיים עד שהחללית תגיע לצדק אינה גבוהה. כשהחללית הגיעה, ב-1995, הוא היה בן 81 והשתתף באופן פעיל בניתוח הממצאים. בסך הכל הוא היה החוקר הראשי ב-24 משימות חלל, ושותף ברבות נוספות.

ב-1985 פרש ון אלן לגמלאות מאוניברסיטת איווה, אך המשיך לעסוק במחקר כמעט עד מותו מכשל לבבי בשנת 2006, שלושה שבועות לפני יום הולדתו ה-92. הוא זכה בפרסים מדעיים רבים ובאותות הוקרה, ובשנת 2012 קראה נאס"א על שמו את החלליות שנשלחו לחקור לעומק את חגורות הקרינה. ון אלן נודע גם כמרצה ומנחה מעולה, ואדם נעים הליכות ובעל חוש הומור. כשנשאל בראשית ימיו של חקר החלל מה ערכו של התחום הזה, נהג להשיב "אני מתפרנס ממנו יפה".