پژوهشگران کلید طراحی بادبان نوری برای سفر میان ستاره ای را یافتند - وبلاگ همصحبت

به گزارش وبلاگ همصحبت، در دو مطالعه تازه تحت پروژه استارشات، پژوهشگران به اجرایی کردن طرح مفهومی بادبان نوری که می تواند سفر در فضا را با کسری از سرعت نور ممکن کند، نزدیک شدند.

کاوشگرهای وویجر 1 و وویجر 2 ناسا که در دهه 1970 میلادی به فضا پرتاب شدند، تنها دو جسم ساخته شده از طریق انسان هستند که تا به امروز از منظومه شمسی خارج شده اند. در حالی که این زوج، از انتظارات فراتر رفته اند و هنوز عملیاتی هستند، پژوهشگران به ابداع مأموریت های تازه ای که می توانند فراتر از مرحله ستاره ای ما را کاوش کنند، ادامه می دهند. به نظر می رسد یکی از این فناوری ها با عنوان بادبان نوری که به جای باد از طریق نور به آن نیرو وارد می شود، راهی امیدوارکننده برای دستیابی به چنین هدف بلندپروازانه ای باشد.

پژوهشگران در دو مطالعه تازه که 16 فوریه (27 بهمن) در نشریه نانو لترز (Nano Letters) منتشر شده اند، به بررسی بهترین روش طراحی یک بادبان نوری برای سفر میان ستاره ای پرداخته اند. آن ها دریافتند که چنین بادبانی باید انحنا و الگویی شبکه ای داشته باشد و حتی به نتایجی درباره بهترین مواد برای استفاده در بادبان هم رسیدند.

این مطالعات بخشی از پروژه تحقیقاتی و مهندسی استارشات (Breakthrough Starshot Initiative) است که هدف آن توسعه طرح های نو برای فضاپیمای بادبانی نوری با قابلیت سفر به منظومه ستاره ای آلفا قنطورس (Alpha Centauri) نزدیک ترین همسایه منظومه شمسی است. ابتکارات پیشرفت (Breakthrough Initiatives) شامل مجموعه ای از برنامه های علوم فضایی است که به بررسی پرسش های اساسی در جهان می پردازند.

طبق برنامه استارشات، بادبان نوری پیشرفته می تواند یک کاوشگر به مقدار ریزتراشه را با سرعت 20 درصد سرعت نور حمل کند. این سرعت بسیار زیاد باعث می شود که کاوشگر تنها در 20 سال آینده به آلفا قنطورس برسد. این ستاره حدود 4 سال نوری از زمین فاصله دارد و برخی کارشناسان تخمین می زنند که با فناوری موجود حداقل 6300 سال طول می کشد تا فضاپیمایی به آن برسد.

بادبان نوری چیست؟

بادبان های نوری نه علمی-تخیلی هستند و نه ایده تازه ای محسوب می شوند. بادبان های نوری که به عنوان بادبان های خورشیدی هم شناخته می شوند، می توانند بدون استفاده از سوخت موشک، فضاپیما را به حرکت درآورند. بادبان های نوری زمانی کار می کنند که ذرات نور، فوتون ها، به بادبان بازتابنده برخورد کرده و تکانه خود را به صفحه بادبان منتقل کنند.

با گذشت زمان، میلیاردها فوتون به بادبان برخورد می کنند و به مقدار کامل تکانه را به آن انتقال می دهند که فضاپیما را به سمت جلو پیش ببرند.

در سال 2019 انجمن سیاره ای، یک سازمان غیرانتفاعی مستقر در آمریکا، یک فضاپیما با نیروی بادبان نوری با نام لایت سیل 2 را با سرمایه گذاری جمعی به مدار زمین پرتاب کرد. این تاس واره (Cubesat) تقریبا به مقدار یک قرص نام است اما بادبان خورشیدی آن حدود 32 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 اسپیس ایکس به فضا رسیده بود، در مدار با استفاده از فشار وارد شده از طریق نور خورشید مانور می داد. آژانس کاوش های هوافضای ژاپن (JAXA) هم فضاپیمایی با نام ایکاروس (Ikaros) را به فضا پرتاب کرده که با نیروی نور کار می کند.

استارشات با لایت سیل 2 فرق دارد. در حالی که لایت سیل 2 تنها به فوتون های خورشید متکی است، استارشات برای رسیدن به سرعت های 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 بادبان های نوری کاوشگرهای استارشات متمرکز کند و پس از رسیدن به مدار به سرعت آن ها را در راستا خود هدایت کند.

شکل بهینه 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 میان ستاره ای پیشنهاد می کند. بر این اساس بادبان نوری استارشات باید از ورقه های بسیار نازک از ترکیب شیمیایی آلومینیوم اکسید و مولیبدن دی سولفید یک فلز واسطه نقریه ای-رنگ ساخته شود.

این تیم همچنین توصیه می کند 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 می دهد 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.

به ویژه با توجه به سرعت های بالای مد نظر استارشات و فشار زیادی که بادبان تحمل می کند، این پژوهشگران پیشنهاد می کنند که شکل بادکنکی به جلوگیری از شکستن تحت این فشار کمک می کند. متیو کمپ بل (Matthew Campbell) دیگر همکار این مطالعه هم خاطرنشان کرد: مانند هوا که یک توپ بازی را باد می کند، فوتون های لیزر بادبان نوری را پر می کنند و ما می دانیکه که ظروف سبک و تحت فشار، مانند مخازن گاز یا حتی مخازن سوخت موشک، باید کروی یا استوانه ای شکل باشند تا از پارگی و شکاف آن ها جلوگیری شود.

الگوی ساخت بادبان نوری

مطالعه دوم به بررسی این موضوع پرداخته است که چگونه یک الگوی درون بادبان می تواند گرمای نوری را که از لیزرهای روی زمین می آید، به بهترین شیوه پخش کند.

آسوات رامان (Aaswath Raman) نویسنده اصلی این مطالعه از دانشگاه کالیفرنیا لس آنجلس گفت: اگر بادبان ها حتی بخش کوچکی از نور لیزر وارده را جذب کنند، تا دمای بسیار بالایی گرم می شوند. برای اطمینان از اینکه آن ها متلاشی نمی شوند، باید توانایی آن ها 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، می تواند پارچه یک بادبان نوری را با سوراخ های ریز دارای فاصله یکسان پوشش داد. در مطالعه تازه پژوهشگران پیشنهاد می کنند که بادبان می تواند سوراخ هایی داشته باشد و در کنار آن پارچه بادبان نوری هم باید در یک الگوی شبکه ای 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 فکر بود اما اکنون نه تنها یک طرح داریم، بلکه این طرح بر اساس مواد واقعی موجود در آزمایشگاه های ماست. بنابراین برنامه ما برای آینده، ساخت چنین ساختارهایی در مقیاس کوچک و آزمایش آن ها با لیزرهای پرقدرت است.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از کاوشگر بادبان نوری استارشات

Credit: Masumi Shibata, courtesy of Breakthrough Initiatives

منبع: Space