پژوهشگران کلید طراحی بادبان نوری برای سفر میان‌ستاره‌ای را یافتند
در دو مطالعه‌ی تازه تحت پروژه‌ی استارشات، پژوهشگران به اجرایی کردن طرح مفهومی بادبان نوری که می‌تواند سفر در فضا را با کسری از سرعت نور ممکن کند، نزدیک شدند.
کاوشگرهای وویجر ۱ و وویجر ۲ ناسا که در دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی به فضا پرتاب شدند، تنها دو جسم ساخته شده توسط انسان هستند که تاکنون از منظومه‌ی شمسی خارج شده‌اند. در حالی که این زوج، از انتظارات فراتر رفته‌اند و هنوز عملیاتی هستند، پژوهشگران به ابداع مأموریت‌های تازه‌ای که می‌توانند فراتر از مرحله‌ی ستاره‌ای ما را کاوش کنند، ادامه می‌دهند. به‌نظر می‌رسد یکی از این فناوری‌ها با عنوان بادبان نوری که به جای باد توسط نور به آن نیرو وارد می‌شود، راهی امیدوارکننده برای دستیابی به چنین هدف بلندپروازانه‌ای باشد.
پژوهشگران در دو مطالعه‌ی تازه که ۱۶ فوریه (۲۷ بهمن) در نشریه‌ی «نانو لترز» (Nano Letters) منتشر شده‌اند، به بررسی بهترین روش طراحی یک بادبان نوری برای سفر میان‌ستاره‌ای پرداخته‌اند. آن‌ها دریافتند که چنین بادبانی باید انحنا و الگویی شبکه‌ای داشته باشد و حتی به نتایجی درباره‌ی بهترین مواد برای استفاده در بادبان هم رسیدند.
این مطالعات بخشی از پروژه‌ی تحقیقاتی و مهندسی «استارشات» (Breakthrough Starshot Initiative) است که هدف آن توسعه‌ی طرح‌های جدید برای فضاپیمای بادبانی نوری با قابلیت سفر به منظومه‌ی ستاره‌ای «آلفا قنطورس» (Alpha Centauri) نزدیک‌ترین همسایه‌ی منظومه‌ی شمسی است. «ابتکارات پیشرفت» (Breakthrough Initiatives) شامل مجموعه‌ای از برنامه‌های علوم فضایی است که به بررسی پرسش‌های اساسی در جهان می‌پردازند.
طبق برنامه‌ی استارشات، بادبان نوری توسعه یافته می‌تواند یک کاوشگر به اندازه‌ی ریزتراشه را با سرعت ۲۰ درصد سرعت نور حمل کند. این سرعت بسیار زیاد باعث می‌شود که کاوشگر تنها در ۲۰ سال آینده به آلفا قنطورس برسد. این ستاره حدود ۴ سال نوری از زمین فاصله دارد و برخی کارشناسان تخمین می‌زنند که با فناوری موجود حداقل ۶۳۰۰ سال طول می‌کشد تا فضاپیمایی به آن برسد.
بادبان نوری چیست؟
بادبان‌های نوری نه علمی-تخیلی هستند و نه ایده‌ی تازه‌ای محسوب می‌شوند. بادبان‌های نوری که به‌عنوان بادبان‌های خورشیدی هم شناخته می‌شوند، می‌توانند بدون استفاده از سوخت موشک، فضاپیما را به حرکت درآورند. بادبان‌های نوری زمانی کار می‌کنند که ذرات نور، فوتون‌ها، به بادبان بازتابنده برخورد کرده و تکانه‌ی خود را به صفحه‌ی بادبان منتقل کنند.
با گذشت زمان، میلیاردها فوتون به بادبان برخورد می‌کنند و به اندازه‌ی کامل تکانه را به آن انتقال می‌دهند که فضاپیما را به سمت جلو پیش ببرند.
در سال ۲۰۱۹ انجمن سیاره‌ای، یک سازمان غیرانتفاعی مستقر در آمریکا، یک فضاپیما با نیروی بادبان نوری با نام «لایت‌سیل ۲» را با سرمایه‌گذاری جمعی به مدار زمین پرتاب کرد. این «تاس‌واره» (Cubesat) تقریبا به اندازه‌ی یک قرص نام است اما بادبان خورشیدی آن حدود ۳۲ متر مربع مساحت دارد.
بادبان نوری این فضاپیما از چهار بخش مثلثی شکل از جنس مایلار آلومینیومی تشکیل شده است. در حالی که این فضاپیما با موشک فالکون هوی اسپیس‌ایکس به فضا رسیده بود، در مدار با استفاده از فشار وارد شده توسط نور خورشید مانور می‌داد. آژانس کاوش‌های هوافضای ژاپن (JAXA) هم فضاپیمایی با نام «ایکاروس» (Ikaros) را به فضا پرتاب کرده که با نیروی نور کار می‌کند.
استارشات با لایت‌سیل ۲ متفاوت است. در حالی که لایت‌سیل ۲ تنها به فوتون‌های خورشید متکی است، استارشات برای رسیدن به سرعت‌های بسیار زیادی که مدیران پروژه درنظر دارند، به نور شدیدترین نیاز دارد. برای انجام این کار، هدف این پروژه استفاده از لیزرهای زمینی است تا نور شدیدی را مستقیما روی بادبان‌های نوری کاوشگرهای استارشات متمرکز کند و پس از رسیدن به مدار به‌سرعت آن‌ها را در مسیر خود هدایت کند.
شکل بهینه‌ی بادبان خورشیدی
در مطالعات تازه، پژوهشگران مؤثرترین شکل و الگوی یک بادبان نوری را بررسی کردند. نخستین مقاله به سرپرستی «ایگور بارگاتین» (Igor Bargatin) از دانشگاه پنسیلوانیا بهترین ماده و شکل را برای بادبان نوری میان‌ستاره‌ای پیشنهاد می‌کند. بر این اساس بادبان نوری استارشات باید از ورقه‌های بسیار نازک از ترکیب شیمیایی آلومینیوم اکسید و مولیبدن دی‌سولفید یک فلز واسطه‌ی نقریه‌ای-رنگ ساخته شود.
این تیم همچنین توصیه می‌کند که برای جلوگیری از پاره شدن، بادبان نوری باید انحنای قابل توجهی داشته باشد و به جای صاف بودن، شکلی مشابه چتر نجات داشته باشد.
«بارگاتین گفت: «شواهد نشان می‌دهد که یک بادبان بسیار محکم و کشیده شده، چه در یک قایق بادبانی و چه در فضا باشد، بسیار بیشتر مستعد پارگی است. درک این مفهوم نسبتا آسان است اما ما نیاز به انجام برخی محاسبات ریاضی بسیار پیچیده داشتیم تا رفتار ماده را در این مقیاس نشان دهیم.»
به‌ویژه با توجه به سرعت‌های بالای مد نظر استارشات و فشار زیادی که بادبان تحمل می‌کند، این پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که شکل بادکنکی به جلوگیری از شکستن تحت این فشار کمک می‌کند. «متیو کمپ‌بل» (Matthew Campbell) دیگر همکار این مطالعه هم خاطرنشان کرد: «مانند هوا که یک توپ بازی را باد می‌کند، فوتون‌های لیزر بادبان نوری را پر می‌کنند و ما می‌دانیکه که ظروف سبک و تحت فشار، مانند مخازن گاز یا حتی مخازن سوخت موشک، باید کروی یا استوانه‌ای شکل باشند تا از پارگی و شکاف آن‌ها جلوگیری شود.»
الگوی ساخت بادبان نوری
مطالعه‌ی دوم به بررسی این موضوع پرداخته است که چگونه یک الگوی درون بادبان می‌تواند گرمای نوری را که از لیزرهای روی زمین می‌آید، به بهترین شیوه پخش کند.
«آسوات رامان» (Aaswath Raman) نویسنده‌ی اصلی این مطالعه از دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس گفت: «اگر بادبان‌ها حتی بخش کوچکی از نور لیزر وارده را جذب کنند، تا دمای بسیار بالایی گرم می‌شوند. برای اطمینان از اینکه آن‌ها متلاشی نمی‌شوند، باید توانایی آن‌ها را برای تابش گرمای خود که تنها حالت انتقال حرارت موجود در فضاست، بیشینه کنیم.»
پیش از این پژوهشگران پیشنهاد کرده بودند که برای مقابله با نگرانی گرمای بیش از حد، می‌تواند پارچه‌ی یک بادبان نوری را با سوراخ‌های ریز دارای فاصله‌ی یکسان پوشش داد. در مطالعه‌ی تازه پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که بادبان می‌تواند سوراخ‌هایی داشته باشد و در کنار آن پارچه‌ی بادبان نوری هم باید در یک الگوی شبکه‌ای کنار هم قرار بگیرد تا توزیع پرما را به حداکثر برساند.»
«دیپ جاریوالا» (Deep Jariwala) همکار این مطالعه از دانشگاه پنسیلوانیا هم گفت: «چند سال پیش حتی فکر کردن یا انجام کار نظری روی این مفهوم دور از ذهن بود اما اکنون نه تنها یک طرح داریم، بلکه این طرح بر اساس مواد واقعی موجود در آزمایشگاه‌های ماست. بنابراین برنامه‌ی ما برای آینده، ساخت چنین ساختارهایی در مقیاس کوچک و آزمایش آن‌ها با لیزرهای پرقدرت است.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از کاوشگر بادبان نوری استارشات
Credit: Masumi Shibata, courtesy of Breakthrough Initiatives
منبع: Space
