كيف تصمم شراعًا يمكنه نقل مركبة فضائية إلى نظام شمسي آخر؟
وكالة ناسا فوييجر 1 و فوييجر 2 لا يزال المسباران ، اللذان تم إطلاقهما في سبعينيات القرن الماضي ، هما الجسمان الوحيدان من صنع الإنسان اللذان غادرا نظامنا الشمسي. بينما تحدى الزوجان التوقعات وما زالا يعملان ، يواصل الباحثون ابتكار مهام جديدة يمكن أن تستكشف ما وراء جوارنا النجمي. إحدى التقنيات المعروفة باسم أ شراع خفيف، الشراع الذي يدفعه الضوء بدلاً من الريح ، يبدو أنه وسيلة واعدة لتحقيق مثل هذا الهدف الطموح.
اكتشف الباحثون في دراستين جديدتين أفضل السبل لتصميم شراع خفيف لرحلة بين النجوم. وجدوا أن مثل هذا الشراع يجب أن يتدفق وأن يكون له نمط يشبه الشبكة وتوصلوا إلى بعض الاستنتاجات حول أفضل المواد لاستخدامها أيضًا.
تم إجراء هذه الدراسات كجزء من مبادرة Breakthrough Starshot ، وهو مشروع بحثي وهندسي يهدف إلى تطوير تصميمات جديدة لمركبة تعمل بالطاقة الشراعية الخفيفة وقادرة على السفر إلى ألفا قنطورس، أقرب جيراننا في النظام الشمسي.
متعلق ب: شراع شمسي في الفضاء: شاهد مناظر رائعة من LightSail 2
Breakthrough Starshot هو مشروع مع مبادرات الاختراق ، وهي “مجموعة من برامج علوم الفضاء التي تبحث في الأسئلة الأساسية للحياة في الكون” ، وفقًا لبرنامج موقع الكتروني.
يهدف Breakthrough Starshot إلى تطوير شراع خفيف يحمل مسبارًا بحجم رقاقة صغيرة بسرعة 20٪ من سرعة الضوء. ستشهد هذه الوتيرة عالية السرعة وصول المسبار إلى Alpha Centauri في غضون 20 عامًا تقريبًا ، وفقا لبيان.
كمرجع ، يقع Alpha Centauri على بعد حوالي 4 سنوات ضوئية من الأرض ، و بعض الخبراء تشير التقديرات إلى أن الأمر سيستغرق 6300 عام على الأقل للوصول إلى النظام بالتكنولوجيا الحالية.
ما هو الشراع الخفيف؟
الأشرعة الضوئية ليست خيالًا علميًا ، وليست فكرة جديدة. يمكن أن تعمل الأشرعة الخفيفة ، المعروفة أيضًا باسم الأشرعة الشمسية ، على دفع المركبات الفضائية دون استخدام وقود الصواريخ. تعمل الأشرعة الضوئية عندما تصطدم جسيمات الضوء ، المعروفة بالفوتونات ، بالشراع العاكس ، وتحول زخمها إلى الصفيحة.
بمرور الوقت ، ستضرب المليارات والمليارات من الفوتونات الشراع ، مما يمنح زخمًا كافيًا “لدفع” المركبة إلى الأمام.
في عام 2019 ، أطلقت جمعية الكواكب ، وهي منظمة غير ربحية للتعليم والتوعية في مجال الفضاء مقرها الولايات المتحدة ، مركبة فضائية ذات تمويل جماعي تعمل بالطاقة الشراعية تسمى LightSail 2 إلى مدار الأرض. تبلغ مساحة مركبة الفضاء المكعبات حجم رغيف الخبز ، لكن شراعها الشمسي يمتد على مساحة 433 قدمًا مربعًا (32 مترًا مربعًا).
يتكون الشراع الخفيف للمركبة من أربعة أقسام على شكل مثلث مصنوعة من الألمنيوم مايلر. بينما وصلت المركبة إلى الفضاء على متن صاروخ SpaceX Falcon Heavy ، كانت تقوم بالمناورة في المدار باستخدام الدفع الناتج عن ضوء الشمس.
أطلقت وكالة الفضاء اليابانية JAXA أيضًا مركبة فضائية تسافر بمساعدة شراع شمسي يسمى إيكاروس.
ومع ذلك ، فإن Starshot يختلف عن LightSail 2. بينما يعتمد LightSail 2 فقط على فوتونات الشمس ، ستحتاج Starshot إلى مزيد من الضوء المكثف للوصول إلى السرعات القصوى التي يأمل قادة المشروع في تحقيقها. للقيام بذلك ، يهدف المشروع إلى استخدام أشعة الليزر الأرضية لتركيز الضوء المكثف مباشرة على أشرعة ضوء مجسات Starshot المحتملة ، وإرسالها بسرعة في طريقها بعد وصولها إلى المدار.
تشكيل الشراع الشمسي المثالي
في هذا الزوج من الدراسات الجديدة ، حقق الباحثون في الشكل والنمط الأكثر فعالية لشراع خفيف.
تقترح الورقة الأولى ، بقيادة إيغور بارجاتين ، الباحث في قسم الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية في جامعة بنسلفانيا ، أفضل مادة وشكل لشراع الضوء بين النجوم.
أولاً ، تقترح الدراسة أن شراع Starshot الخفيف يجب أن يكون مصنوعًا من صفائح فائقة الرقة من مركب أكسيد الألومنيوم المركب الكيميائي وثاني كبريتيد الموليبدينوم المعدني الفضي الانتقالي.
ويوصي الفريق أيضًا أنه لتجنب التمزق ، يجب أن يكون للشراع الخفيف منحنى كبير و “يتدفق مثل المظلة بدلاً من أن يظل مسطحًا” ، وفقًا للبيان.
وقال بارجاتين في البيان نفسه “الحدس هنا هو أن الشراع الضيق للغاية سواء كان في مركب شراعي أو في الفضاء يكون أكثر عرضة للبكاء.” “إنه مفهوم سهل نسبيًا لفهمه ، لكننا كنا بحاجة إلى إجراء بعض العمليات الحسابية المعقدة للغاية لإظهار كيفية تصرف هذه المواد على هذا النطاق.”
خاصة مع السرعات العالية التي يهدف إليها فريق Starshot ، فإن الشراع سيتحمل قدرًا كبيرًا من الضغط عند دفعه إلى أقصى الحدود. يقترح هؤلاء الباحثون أن الشكل المنتفخ سيساعد في منع الشراع من الانكسار تحت هذا الضغط.
قال المؤلف الرئيسي ماثيو كامبل ، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة بارجاتين ، في نفس البيان: “سوف تملأ فوتونات الليزر الشراع مثل الهواء الذي ينفخ كرة الشاطئ”. “ونحن نعلم أن الحاويات خفيفة الوزن ومضغوطة يجب أن تكون كروية أو أسطوانية لتجنب التمزق والشقوق. فكر في خزانات البروبان أو حتى خزانات الوقود على الصواريخ.”
نمط مهم
استكشفت الورقة الثانية كيف يمكن لنمط داخل الشراع أن يوزع بشكل أكثر فاعلية الحرارة من الضوء القادم من أشعة الليزر على الأرض.
يقول المؤلف الرئيسي أسواث رامان Aaswath Raman ، الباحث في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: “إذا امتصت الأشرعة حتى جزءًا ضئيلًا من ضوء الليزر الساقط ، فسوف ترتفع درجة حرارتها إلى درجات حرارة عالية جدًا”. قال في نفس البيان. “للتأكد من أنها لا تتفكك فقط ، نحتاج إلى زيادة قدرتها على إشعاع حرارتها بعيدًا ، وهو الوضع الوحيد لنقل الحرارة المتاح في الفضاء.”
في السابق ، اقترح الباحثون أن “نسيج” الشراع الخفيف يمكن تغطيته في ثقوب صغيرة متباعدة بشكل متساوٍ للتعامل مع هذا القلق المحموم. ومع ذلك ، يقترح هؤلاء الباحثون أن الشراع يمكن أن يحتوي على ثقوب بالإضافة إلى نسيج الشراع الذي يتم تجميعه معًا في نمط شبكي لزيادة توزيع الحرارة إلى أقصى حد.
قال المؤلف المشارك ديب جاريوالا ، الباحث الذي يعمل مع بارجاتين في جامعة بنسلفانيا ، في البيان نفسه: “قبل بضع سنوات ، كان التفكير أو القيام بعمل نظري على هذا النوع من المفاهيم يعتبر بعيد المنال”. “الآن ، ليس لدينا تصميم فقط ، ولكن التصميم قائم على مواد حقيقية متوفرة في مختبراتنا. خطتنا للمستقبل ستكون صنع مثل هذه الهياكل على نطاق صغير واختبارها باستخدام ليزر عالي الطاقة.”
كانت هذه الأوراق نشرت 16 فبراير في مجلة Nano Letters.
أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى Chelsea Gohd على cgohd@space.com أو تابعها على Twitter تضمين التغريدة. تابعنا على تويتر تضمين التغريدة وعلى Facebook.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”