يمكن أن يأخذنا هذا الشراع الفضائي عالي السرعة إلى أنظمة النجوم التالية

على بعد حوالي 4 سنوات ضوئية فقط من نظامنا الشمسي ، يقع Alpha Centauri ، وهو حي فضائي آخر صاخب. إنه مثبت بواسطة ثلاثة نجوم بنفس وظيفة شمسنا ، تحمل كواكب مشابهة لأجرامنا الثمانية الشهيرة وقد يكون لها توأم أرضي التسكع في المنطقة الصالحة للسكن. يشبه نظام النجوم تقريبًا مثل الواقع البديل ، فهو منطقة محيرة لمستكشفي الفضاء.

هناك قضية واحدة فقط وواضحة. من خلال تقنيتنا الحالية ، لن تصل المركبات الفضائية المرسلة إلى Alpha Centauri حتى عام 82022 تقريبًا. لهذا السبب ، في عام 2016 ، عالم الفيزياء الفلكية الراحل ستيفن هوكينج والمستثمر يوري ميلنر انطلقت اختراق Starshot – مبادرة لإرسال مجسات فضائية بحجم الرقاقة إلى Alpha Centauri بسرعة 20٪ من سرعة الضوء، مما يقلل من وقت السفر الضخم إلى 20 عامًا فقط.

يركز مخططهم على شراع ضوئي يستغل قوة الفوتونات ، المعروفة أيضًا باسم جزيئات الضوء ، المنبعثة من ليزر أرضي ، بدلاً من الرياح مثل الشراع التقليدي. على الرغم من أنها تتلاءم تمامًا مع تقنية الخيال العلمي في Star Trek ، إلا أن الفكرة اكتسبت شعبية كبيرة لدرجة أن الباحثين في كل مكان بدأوا في دراسة كيفية جعل الأداة الغريبة تؤتي ثمارها ، على أمل إنتاج محرك مفرط ينفجر في جميع أنحاء الكون بمعدلات مذهلة.

أحد هذه الفرق من جامعة بنسلفانيا يعالج جزءًا كبيرًا من اللغز. في زوجان من الأوراق المنشورة هذا الشهر في مجلة Nano Lettersو اقترح الباحثون طريقة لضمان عدم تمزق هذه المركبات الفضائية المبتكرة من نبضات الليزر المكثفة خلال الرحلة بين النجوم التي استمرت عقدين من الزمن. في الأساس ، يقترح الباحثون أن الشراع يجب أن “يتدفق” في فراغ الفضاء مثل أشرعة القوارب العادية وسط رياح الأرض.

قال مؤلف الدراسة إيغور بارجاتين ، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية بجامعة بنسلفانيا: “كانت بعض أرقام الشراع الضوئي منذ البداية تتدفق ، وبعضها لم يكن كذلك ، لكن لم يتم دراستها جيدًا”. “ما فعلناه هو إظهار أنك بالتأكيد بحاجة إلى الانتفاخ.

وأضاف بارجاتين: “لقد أدركنا أن الناس لم ينظروا حقًا في آليات المشكلة ، وعلى وجه الخصوص ، إمكانية البكاء”. “نريد أن نتأكد من تحقيق هذه الفكرة ، وعندما يتم تحقيقها ، ينتبه الناس إلى الأشياء التي يمكن أن تحدث أثناء التسارع.

“لا نريد أن تفشل هذه الأشرعة”.

معلمات السفينة بين النجوم

تخيل قاربًا يغامر بالخروج إلى البحر مرفقًا شراعًا به. سوف يرتفع الشراع مع كل هبوب ريح ويدفع السفينة إلى الأمام. يحدث هذا الدفع بسبب ارتداد الرياح التي تضرب الشراع ، مما يخلق ضغطًا.

لا تختلف أضواء Lightsails كثيرًا.

قال بارجاتين: “عندما تصطدم الفوتونات بشراعنا الضوئي ، فإنها تنعكس كما أنها تخلق ضغطًا”. “الآلية الدقيقة مختلفة بعض الشيء لأننا نتحدث بالضوء مقابل جزيئات الهواء الفعلية. لكنها تخلق ضغطًا رغم ذلك في كلتا الحالتين.” في الواقع ، لقد أثبتت هذه الأجهزة بالفعل فعاليتها إلى حد ما.

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

لكن كلا من Ikaros و LightSail 2 يستخدمان الضوء المنبعث من الشمس ، على عكس رؤية Breakthrough Starshot لأشعة الليزر.

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

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

قال بارجاتين “الضغوط المصممة على أظافرنا الضوئية ليست ضخمة”. “إنهم تقريبًا مثل امتلاك فلس في يدك.” من الناحية العلمية ، يضيف الضغط ما يصل 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 رقصة إيكاروس بأشعة الشمس الرقيقة ، يمكن أن تتضرر الأظافر الضوئية المنبعثة من نبضات ليزر شديدة القسوة.

كيفية بناء شراع ضوئي دائم

وفقًا للباحثين ، يمكن أن تخلق نبضات الليزر القوية ضغطًا قويًا بما يكفي لتقوس وتمزيق الصفيحة مثل شراع القارب المشدود الذي قد ينفجر إذا أصابته عاصفة رياح عملاقة.

إنهم يعتقدون أن الأضواء يجب أن تتمتع بالقدرة على “الانتفاخ” وتشكيل شكل منحني نوعًا ما مثل المظلة. يوضح بارجاتين أن طول الشراع ونصف قطر الانحناء يجب أن يكونا حوالي 3 أمتار. في أوراقهم الجديدة ، حدد المؤلفون القياسات الهندسية التي تضمن الانتفاخ الأمثل.

حتى الشراع الضوئي المحمي من الدموع سيواجه عقبات أخرى. للتغلب على مثل هذه المشكلات ، فإن المعلمة الرئيسية التي يجب مراعاتها هي مادة الإبحار. يجب أن تكون الألواح قوية من أجل المتانة وخفيفة الوزن لتقليل قوة الليزر وتعكس الضوء بكفاءة من أجل الدفع المثالي وإلقاء الحرارة المتولدة من نبضات الليزر.

يقول بارجاتين إنه إذا لم يتم الاعتناء بالجزء الأخير ، يمكن للإبحار حرفياً إنصهار في الفضاء.

قال بارجاتين: “يمكنك التوصل إلى مجموعة من المواد. سماكة تلك المواد والهندسة المنحنية ستسمح للإبحار بالتغلب على الضغوط التي نصمم من أجلها حاليًا” ، مشيرًا إلى أن فريقه يبحث في الغالب عن مادة تسمى الموليبدينوم ثاني كبريتيد.

في المخطط الكبير للأشياء ، على الرغم من ذلك ، سيكون بناء مصفوفة الليزر الضخمة التي سترسل شعاعًا ضوئيًا إلى الأمام عقبة كبيرة. يقول بارجاتين إن الباحثين العاملين في مجال الاتصالات الفضائية ما زالوا يكتشفون أيضًا كيفية استرداد المعلومات من مسبار الرقاقة الدقيقة المرتبط بالشراع الضوئي.

إذا نجحت آلية Breakthrough Starshot يومًا ما ، فستكون شهادة حقيقية على تألق البشرية في مجال العلوم. في إعلان عن أهداف المنظمة الهائلة قبل ست سنوات ، صرح هوكينج:

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

“بعقولنا وآلاتنا”.