مفهوم دفع قائم على الضوء لا على الوقود
يمضي باحثون في جامعة Texas A&M قدمًا في فكرة تبدو كأنها من الخيال العلمي لكنها ترتكز على مبدأ فيزيائي مألوف: الضوء يحمل زخمًا، ما يعني أنه قادر على دفع المادة. وفي تجربة أُعلن عنها حديثًا، قال الفريق إنه استخدم هذا الضغط لرفع أجهزة مجهرية وتوجيهها باستخدام إضاءة الليزر وحدها، من دون محركات أو وقود أو تماس مادي.
يرتكز العمل على تراكيب يطلق عليها الباحثون اسم “metajets”، وهي أجهزة صغيرة مبنية من الأسطح الفوقية. وهذه مواد فائقة الرقة مزخرفة بسمات على مقياس النانو، ويمكنها إعادة توجيه الضوء الساقط بطرق مضبوطة بدقة. وعندما ينحرف الضوء أو يتشتت، ينتقل الزخم، فتتولد قوة مساوية ومعاكسة على الجسم نفسه. وبالنتيجة، تتحول هندسة السطح إلى آلية للتوجيه والدفع.
وأفادت التقارير بأن النتائج نُشرت في Newton. ورغم أن التجربة أُجريت على مقياس مجهري، يرى الباحثون أن الفيزياء نفسها قد تسهم في نهاية المطاف في تطوير أشكال متقدمة من دفع المركبات الفضائية. هذه هي الرؤية البعيدة وراء العمل، لكن الإنجاز المباشر أكثر تواضعًا ووضوحًا: تحريك أجسام صغيرة تحكمًا كاملًا بواسطة الضوء وحده.
لماذا يبقى التحكم هو التحدي الحقيقي
فكرة الدفع بالضوء ليست جديدة. فقد فهم العلماء ضغط الإشعاع منذ أكثر من قرن، كما أن جهات مثل NASA وJAXA أطلقت بالفعل مركبات بأشرعة شمسية تستخدم ضوء الشمس للحصول على دفع لطيف ومستمر. أما المشكلة الصعبة فلم تكن يومًا مجرد توليد القوة، بل توليدها مع الحفاظ على الاستقرار والتحكم في الاتجاه.
ويصبح هذا التحدي أشد بكثير عند السرعات العالية أو المسافات الطويلة. فمركبة مدفوعة بالضوء لا يمكن توجيهها أو تثبيتها ستكون فائدتها محدودة. وحتى الانحرافات الصغيرة قد تتضخم بشكل كبير خلال الرحلات بين الكواكب أو بين النجوم. وما تعد به metajets هو إمكانية تشكيل كل من الدفع والتحكم عبر استجابة بصرية مصممة هندسيًا، بدلًا من الأنظمة الميكانيكية أو دافع على متن المركبة.
وبحسب وصف العمل، نجح الباحثون في رفع الأجهزة الصغيرة وتوجيهها في اتجاهات متعددة. وهذه القدرة على المناورة متعددة الاتجاهات هي ما يميز التجربة عن مجرد دفعة بسيطة. فهي تشير إلى أن نمط السطح يمكن تصميمه لإنتاج استجابات قوة مخصصة تحت الإضاءة، بحيث يصبح الجهاز ليس قابلًا للحركة فحسب، بل قابلًا للتحكم أيضًا.
من الأجهزة المجهرية إلى فرضيات الفضاء السحيق
يبقى الانتقال من العروض المجهرية إلى المركبات الفضائية المستقبلية كبيرًا للغاية. والإطار الذي يضعه المقال في سياق السفر بين النجوم هو طموح صريح، لا تطبيق عملي. ولا ينبغي الخلط بين نتيجة مختبرية ونظام نقل قريب الأمد. ومع ذلك، فإن أبحاث الدفع في مراحلها المبكرة مهمة لأنها توسع نطاق أساليب التحكم الممكنة فيزيائيًا أمام المهندسين في المستقبل.
وهناك أيضًا دلالة تقنية أقرب زمنًا. فإذا استطاع التحكم الضوئي المعتمد على الأسطح الفوقية توليد قوى يمكن التنبؤ بها على الأجسام الصغيرة، فقد يجد المفهوم تطبيقات خارج مجال المركبات الفضائية. فالتصنيع المجهري، والروبوتات الموجهة بصريًا، والمعالجة من دون تلامس كلها مجالات تكون فيها الحركة الدقيقة على المقاييس الصغيرة ذات قيمة كبيرة. وحتى لو بقيت رؤية السفر إلى الفضاء بعيدة، فقد تجد الهندسة الضوئية استخدامًا أقرب وأسرع.
وتبرز التجربة إلى أي مدى تعتمد علوم المواد الحديثة على البنية وليس على التركيب وحده. فالأسطح الفوقية تعمل لأن هندستها النمطية تتلاعب بالموجات الكهرومغناطيسية بطرق لا تستطيعها المواد الضخمة. وهذه الحرية التصميمية تحول الأسطح إلى أدوات بصرية نشطة، قادرة على الترشيح والتركيز وإعادة التوجيه، والآن ربما الدفع أيضًا.
وبالنسبة لقطاع الفضاء، فالجاذبية واضحة. فكل نظام دفع مقيد بالكتلة التي يجب أن يحملها، ولا سيما الوقود. وأي طريقة تعتمد على ضوء يُزوَّد من الخارج بدلًا من دافع على متن المركبة تعد بمعادلة كتلة مختلفة جذريًا. الأشرعة الشمسية تمهد بالفعل لهذا الاتجاه، بينما تشير metajets إلى مسار نحو توجيه أدق وتحكم قد يكون أكثر استجابة.
والتحفظ المهم يتعلق بالمقياس. فضغط الإشعاع ضعيف، وجعله مفيدًا يتطلب مددًا طويلة أو ضوءًا شديدًا أو كتلًا صغيرة جدًا أو كل ذلك معًا. ولهذا يركز العمل الحالي على تراكيب مجهرية تحت إضاءة الليزر. أما نقل هذه التأثيرات إلى أنظمة أكبر فسيحتاج إلى تقدم كبير في المواد والتحكم بالحزم وبنية المهمات.
ومع ذلك، فإن النتيجة تستحق المتابعة لأنها تعيد صياغة مفهوم كلاسيكي عبر منصة مواد حديثة. فبدلًا من التعامل مع ضغط الضوء كأداة خشنة، يتعامل نهج metajet معه بوصفه شيئًا قابلًا للبرمجة. وإذا استمر هذا المبدأ في الصمود تجريبيًا، فقد يفتح فئة جديدة من أنظمة الحركة البصرية التي تتحقق أولى نجاحاتها في المختبر بينما تبقى تطبيقاتها الأكثر طموحًا في الفضاء السحيق.
هذه المقالة تستند إلى تغطية New Atlas. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on newatlas.com