يمكن أن يأخذنا هذا الشراع الفضائي عالي السرعة إلى أنظمة نجمية قريبة

على بعد حوالي 4 سنوات ضوئية من نظامنا الشمسي توجد منطقة Alpha Centauri ، وهي منطقة فضائية مزدحمة أخرى. ترتكز عليه ثلاثة نجوم بنفس عمل شمسنا ، يحمل كواكب مشابهة لأجرامنا الثمانية الشهيرة وقد يكون لها توأم أرضي التسكع في غرفة المعيشة. يشبه نظام النجوم تقريبًا مثل الواقع البديل ، فهو منطقة مغرية لمستكشفي الفضاء.

هناك مشكلة واحدة فقط صارخة. باستخدام تقنيتنا الحالية ، لن تصل المركبة الفضائية المرسلة إلى Alpha Centauri حتى عام 82022. لهذا السبب ، في عام 2016 ، عالم الفيزياء الفلكية الراحل ستيفن هوكينج والمستثمر يوري ميلنر رمح النجم الثوري – مبادرة لإرسال مجسات فضائية بحجم الرقائق الدقيقة إلى Alpha Centauri بسرعة 20٪ من سرعة الضوءتقليل وقت السفر الضخم إلى 20 عامًا فقط.

تركز خطتهم على شراع مضيء يستخدم قوة الفوتونات ، أي جزيئات الضوء المنبعثة من ليزر الأرض ، بدلاً من الريح مثل الشراع التقليدي. على الرغم من أنها تتناسب تمامًا مع تقنية الخيال العلمي في Star Trek ، إلا أنها اكتسبت شعبية كبيرة لدرجة أن الباحثين في جميع أنحاء العالم بدأوا في دراسة كيفية إعادة الحياة إلى المركبة ، على أمل إنتاج محرك مفرط متفجر. حول الكون بسرعات فائقة .

أحد هذه الفرق من جامعة بنسلفانيا يعالج جزءًا كبيرًا من اللغز. في واحد زوج من المقالات نُشرا هذا الشهر في مجلة Nano Lettersو اقترح الباحثون طريقة لضمان عدم تمزق هذه المركبات الفضائية المبتكرة بعيدًا عن نبضات الليزر المكثفة خلال الرحلة بين النجوم التي دامت عقدين من الزمن. في الأساس ، اقترح الباحثون أن الشراع يجب أن “ينتفخ” في فراغ الفضاء مثل أشرعة القوارب القياسية المتموجة وسط رياح الأرض.

قال مؤلف الدراسة إيغور بارجاتين ، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الميكانيكية والميكانيكا ، الذي قدم طلبًا إلى جامعة بنسلفانيا: “تضخمت بعض الأشكال المبكرة للإبحار الخفيف ، والبعض الآخر لم يحدث ذلك ، لكن ذلك لم يتم دراسته جيدًا”. “ما فعلناه هو إظهار أنك بحاجة حقًا إلى التعزيز.

وأضاف بارجاتين: “لقد أدركنا أن الناس لم ينظروا حقًا إلى آليات المشكلة ، ولا سيما إمكانية البكاء”. “نريد أن نتأكد من أنه إذا تم تحقيق هذه الفكرة وعندما يتم تحقيقها ، فإن الناس ينتبهون إلى الأشياء التي قد تحدث أثناء التسارع.

“لا نريد أن تفشل هذه الأشرعة”.

معلمات السفينة بين النجوم

تخيل قاربًا يغامر بالخروج إلى البحر مع شراع متصل. سيرتفع الشراع مع كل هبوب ريح ويدفع السفينة إلى الأمام. يحدث هذا الدفع بسبب ارتداد الريح التي تضرب الشراع حولها ، مما يؤدي إلى حدوث ضغط.

الأشرعة الساطعة لا تختلف كثيرا.

قال بارجاتين: “عندما تضرب الفوتونات حجابنا الضوئي ، فإنها تنعكس وتخلق أيضًا ضغطًا”. “الآلية الدقيقة مختلفة بعض الشيء لأننا نتحدث عن جزيئات الهواء الخفيفة مقابل جزيئات الهواء الحقيقية. لكنها لا تزال تخلق ضغطًا في كلتا الحالتين.” في الواقع ، لقد أثبتت هذه الأجهزة نفسها بالفعل إلى حد ما.

في عام 2010 ، وكالة استكشاف الفضاء اليابانية أطلقت مهمة شراع خفيف أطلق عليها اسم Ikaros واعتبرته نجاحًا. في عام 2019 ، LightSail التجريبي 2 دعوى تابعة. بتمويل من حملة Kickstarter التي أطلقها Bill Nye و Neil DeGrasse Tyson ، نقلت قمرًا صناعيًا صغيرًا عبر الفضاء باستخدام قوة الفوتونات النقية.

لكن كل من Ikaros و LightSail 2 يستخدمان الضوء المنبعث من الشمس ، على عكس رؤية شعاع الليزر لـ Breakthrough Starshot.

على الرغم من أن ضوء الشمس يقلل من خطر الدموع ، إلا أنه ضعيف جدًا بالنسبة لجهود Starshot. بالإضافة إلى ذلك ، يقول بارجاتين ، يجب أن تحدث نبضات ضوء Starshot في إطار زمني قصير نسبيًا لأنه بمجرد أن يبتعد الشراع الضوئي كثيرًا عن الأرض ، يفقد العلماء قدرتهم على تسريعها بشكل فعال.

باختصار ، للوصول إلى خُمس سرعة الضوء – حتى تتمكن من الوصول إلى Alpha Centauri في غضون العشرين عامًا المطلوبة – ضمن نافذة صارمة ، ستحتاج الحجاب الضوئي إلى نبضات ضوئية قوية للغاية ممكنة فقط باستخدام الليزر.

قال بارجاتين: “ضغوط التصميم على أشرعتنا الضوئية ليست ضخمة”. “إنه يشبه إلى حد كبير امتلاك عشرة سنتات في متناول اليد.” من الناحية العلمية ، يصل الضغط إلى حوالي 10 باسكال ، كما يقول بارجاتين ، لكن ضع في اعتبارك كيف نعيش حياتنا دون القلق بشأن الضغط الخفيف. على الاطلاق.

تتطلب عشرة باسكال من قوة الضوء قدرًا كبيرًا من طاقة الليزر ، لذلك على عكس رقص إيكاروس بأشعة الشمس الضعيفة ، يمكن أن تتضرر حجاب الضوء الذي تمنحه نبضات الليزر فائقة الصلابة بشدة.

كيفية بناء شراع خفيف متين

وفقًا للباحثين ، يمكن لنبضات الليزر القوية أن تخلق ضغطًا قويًا بما يكفي لثني الصفيحة وتمزيقها مثل شراع القارب المشدود الذي يمكن أن ينفجر إذا ضربته هبوب رياح عملاقة.

وهم يعتقدون أن الأشرعة الخفيفة يجب أن تتمتع بالقدرة على “الانتفاخ” وتشكيل شكل منحني يشبه إلى حد كبير المظلة. يشرح بارجاتين أن طول الشراع ونصف قطر الانحناء يجب أن يكونا حوالي 3 أمتار. يصف المؤلفون في مقالاتهم الجديدة المقاييس الهندسية التي تضمن التورم الأمثل.

ومع ذلك ، حتى الشراع الخفيف المحمي من الدموع سيواجه عقبات أخرى. للتغلب على هذه المشاكل ، فإن المعلمة الرئيسية التي يجب مراعاتها هي مادة الشراع. يجب أن تكون الألواح قوية من أجل المتانة وخفيفة الوزن لتقليل قوة الليزر ، وتعكس الضوء بكفاءة من أجل الدفع المثالي ، وتوصيل الحرارة الناتجة عن نبضات الليزر.

يقول بارجاتين ، إذا لم يتم الاعتناء بهذا العنصر الأخير ، يمكن أن يكون الشراع حرفياً ليذوب في الفضاء.

قال بارجاتين “يمكنك العثور على مجموعة من المواد. سماكة هذه المواد والهندسة المنحنية ستسمح للشراع بالبقاء على قيد الحياة من الضغوط التي نصممها في الوقت الحالي” ، مشيرًا إلى أن فريقه يدرس بشكل أساسي مادة تسمى الموليبدينوم. ثاني كبريتيد.

ومع ذلك ، في المخطط الكبير للأشياء ، سيكون بناء مصفوفة الليزر الضخمة التي ستدفع الأشرعة الضوئية للأمام عقبة كبيرة. يقول بارجاتين إن الباحثين العاملين في مجال الاتصالات الفضائية يتطلعون أيضًا إلى استرداد المعلومات من مسبار الرقاقة المرتبط بشراع الضوء.

إذا نجحت آلية Breakthrough Starshot على الإطلاق ، فستكون شهادة حقيقية على تألق البشرية في العلوم. في إعلان عن أهداف المنظمة الضخمة قبل ست سنوات ، قال هوكينغ:

“أعتقد أن ما يجعلنا متميزين هو تجاوز حدودنا. الجاذبية تعلقنا ، لكنني طرت للتو إلى أمريكا. فقدت صوتي ، لكن لا يزال بإمكاني التحدث ، بفضل مركب الصوت الخاص بي كيف نتجاوز هذه الحدود؟

“بعقولنا وآلاتنا”.