ما وراء معادلة الصاروخ
كل مركبة فضائية غادرت الأرض كانت مقيدة بسيطرة معادلة الصاروخ. للسير أسرع، تحتاج المزيد من الوقود. لكن المزيد من الوقود يعني المزيد من الوزن، مما يعني أنك تحتاج لوقود أكثر لتسريع تلك الكتلة الإضافية. هذه الحلقة المفرغة تضع قيودًا أساسية على سرعة السفر بالصواريخ الكيميائية، مما يجعل الرحلات بين النجوم مستحيلة فعليًا مع تكنولوجيا الدفع الحالية.
تقدم الأشرعة الشمسية هروبًا أنيقًا من هذا القيد. باستخدام ضغط الفوتونات — من أشعة الشمس أو شعاع ليزر قوي يعتمد على الأرض — لدفع سطح عاكس كبير، يمكن للمركبة الفضائية أن تتسارع بشكل مستمر دون حمل أي وقود على الإطلاق. من حيث المبدأ، شراع شمسي مدفوع بشعاع ليزر قوي بما يكفي يمكن أن يصل إلى جزء كبير من سرعة الضوء، مما يجعل الرحلات بين النجوم ممكنة في غضون حياة الإنسان.
ومع ذلك، هناك مشكلة حرجة: الشراع ينصهر. شعاع الليزر الشديد اللازم لتسريع الشراع إلى سرعات بين النجوم سيسخن المادة العاكسة إلى آلاف الدرجات، مما يدمرها قبل وقت طويل من وصولها إلى سرعتها المستهدفة. الآن، نشر باحثون من جامعة تاسكيجي ورقة بحثية في مجلة Nanophotonics يصفون شراع ضوء مصنوع بالهندسة النانوية يحل هذا التحدي الحراري.
الحاجز الحراري
مبادرة Breakthrough Starshot، التي أُعلن عنها عام 2016 برعاية العالم الراحل Stephen Hawking والمستثمر Yuri Milner، اقترحت إرسال مركبات فضائية بحجم الجرام إلى Proxima Centauri بسرعة 20٪ من سرعة الضوء باستخدام مصفوفة ليزر تعتمد على الأرض. يتطلب المفهوم تركيز حوالي 100 جيجاوات من قوة الليزر على شراع بحجم بضعة أمتار فقط لعدة دقائق — طاقة كافية لتسخين معظم المواد بعيدًا عن نقطة انصهارها.
استخدمت تصاميم الأشرعة السابقة أغشية رقيقة من الألومنيوم أو المعادن العاكسة الأخرى، لكن حتى أكثر المعادن انعكاسًا تمتص جزءًا صغيرًا من الضوء الساقط، وتحوله إلى حرارة. عند كثافات القوة المطلوبة للتسريع بين النجوم، حتى امتصاص بنسبة 1٪ مصيبة فادحة. سيتبخر الشراع في ثوانٍ.
تم اقتراح حلول مختلفة، بما في ذلك صنع الشراع من مواد غريبة مثل الماس أو نيتريد السيليكون، أو استخدام مرايا عازلة متعددة الطبقات تحقق انعكاسية أعلى من المعادن. لكن جميع التصاميم السابقة واجهت صعوبة في تحقيق الانعكاسية العالية والكتلة المنخفضة والتكامل الهيكلي اللازم لشراع بين النجوم عملي.
الحل النانوفوتوني
اقترب Dimitar Dimitrov و Elijah Taylor Harris من جامعة تاسكيجي من المشكلة باستخدام الهندسة النانوفوتونية — تصميم المواد على مستوى نانومتري للتحكم في كيفية تفاعلها مع الضوء. يستخدم تصميم الشراع الخاص بهم فيلمًا رقيقًا من نيتريد السيليكون مع نمط من سلسلة دورية من الميزات على نطاق نانو تنشئ هيكل بلورة فوتونية.
تم تصميم هذه البلورة الفوتونية لعكس الطول الموجي المحدد لليزر الدافع بكفاءة غير عادية — أكثر من 99.9% — بينما تشع الحرارة الممتصة بعيدًا عن الشراع من خلال قنوات انبعاث حراري مصممة بعناية. تعمل النانو هيكل كمرآة قريبة من المثالية وأيضًا كمشع فعال، وتحل كلا جزأي المشكلة الحرارية.
استخدم الباحثون محاكاة كهرومغناطيسية حسابية لتحسين هندسة النانو هيكل، وإيجاد تكوين يحتفظ بخصائصه البصرية حتى عندما يسخن الشراع. هذه الاستقرار الحراري أمر حاسم لأن الخصائص البصرية لمعظم المواد تتغير مع درجة الحرارة، مما قد ينشئ تأثير تسخين جامح حيث يزداد الامتصاص مع تسخين الشراع، مما يسبب زيادة في التسخين بشكل أسرع.
اعتبارات الكتلة والهيكل
يجب أن يكون شراع الضوء للرحلات بين النجوم خفيفًا بشكل استثنائي. يتطلب مفهوم Breakthrough Starshot شراعًا بكثافة مساحية أقل من جرام واحد لكل متر مربع — يعادل بضع طبقات من الذرات. يحقق تصميم تاسكيجي هذا باستخدام طبقة واحدة من نيتريد السيليكون المصنوع بالنمط بسمك بضع مئات من النانومتر فقط، مع دخول ميزات البلورة الفوتونية مباشرة في الفيلم.
يقدم التكامل الهيكلي تحديًا منفصلاً. خلال مرحلة التسارع، يتعرض الشراع لضغط إشعاعي كبير — وهذا هو الهدف كله — لكن هذا الضغط ليس موحدًا تمامًا عبر سطح الشراع. التغييرات البسيطة في كثافة الليزر أو انعكاسية الشراع تنشئ قوى تفاضلية يمكن أن تتسبب في انحناء الشراع أو تمزقه أو الدوران خارج السيطرة. دمج الباحثون ميزات تصلب هيكلي في تصميم النانو هيكل الخاص بهم التي توفر صلابة ميكانيكية دون إضافة كتلة كبيرة.
من النظرية إلى النجوم
تصميم فريق تاسكيجي نظري في الوقت الحالي، لكنه يعالج ما تم الاعتراف به على نطاق واسع كأحد أهم الاختناقات الهندسية للرحلات بين النجوم المدفوعة بالليزر. تصنيع شراع بالدقة على مستوى النانومتر المطلوبة على مساحات بضعة أمتار مربعة يتجاوز القدرات الإنتاجية الحالية، لكن التقدم في الحفر على مستوى النانو ومعالجة النانو من الملف إلى الملف يغلق هذه الفجوة بشكل مطرد.
أثبتت مهمة IKAROS اليابانية الدفع بالأشرعة الشمسية في الفضاء عام 2010، وتم إطلاق نظام NASA Advanced Composite Solar Sail System عام 2024 لاختبار مواد الأشرعة الجديدة في المدار الأرضي. استخدمت هذه المهام أشعة الشمس بدلاً من الليزر وسافرت بسرعات متواضعة، لكنها أثبتت أن المفهوم الأساسي يعمل. يمكن لتصميم النانو من تاسكيجي أن يسد الفجوة بين هذه المحاولات المبكرة والهدف الأكثر طموحًا بكثير للرحلة بين النجوم.
بالنسبة لتكنولوجيا تعد بنقل أول مسابير البشرية إلى أنظمة نجمية أخرى، فإن حل مشكلة الذوبان ليس إنجازًا صغيرًا.
هذا المقال مبني على تقارير Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.
