تجربة الدفع بالضوء في تكساس A&M تشير إلى مسار جديد للسفر بين النجوم

نتيجة دفع مخبرية تمنح دفعة جديدة لفكرة بينجمية بعيدة المدى

أظهر علماء في جامعة تكساس A&M فئة من الأجهزة المجهرية يمكن تحريكها وتوجيهها في ثلاثة أبعاد باستخدام ضوء الليزر وحده، وهو تقدم لا يجعل السفر بين النجوم في متناول اليد فورًا، لكنه يبين نسخة أكثر قابلية للتحكم من الدفع المعتمد على الضوء مقارنة بالأساليب السابقة.

الأجهزة، التي وُصفت باسم “metajets”، صُممت بحيث يفعل الضوء أكثر من مجرد دفعها إلى الأمام. ومن خلال تشكيل كيفية إعادة توجيه الضوء الداخل بعناية، تمكن الباحثون من رفع الأجهزة رأسيًا مع تحريكها جانبيًا في الوقت نفسه. وهذه المجموعة مهمة لأنها تشير إلى مسار نحو القدرة على المناورة النشطة، لا مجرد الدفع، في الأنظمة التي تعتمد على ضغط الفوتونات.

وتعالج هذه النتيجة واحدة من أقدم وأصعب مشكلات السفر الفضائي. فالصواريخ التقليدية قوية بما يكفي لمغادرة الأرض واستكشاف النظام الشمسي، لكنها بطيئة جدًا على المقاييس بين النجوم. وتشير Universe Today إلى أن ألفا قنطورس، أقرب نظام نجمي، يبعد أكثر بقليل من أربع سنوات ضوئية. وبسرعات المركبات الفضائية العادية، ستستغرق الرحلة وقتًا أطول بكثير من عمر الإنسان. وحتى المفاهيم الأكثر جرأة من الصواريخ الحالية تظل تجعل زمن الرحلة يقاس بعشرات الآلاف من السنين.

لهذا يظل الدفع بالضوء جذابًا للغاية. فالفوتونات تحمل زخمًا، وعندما تنعكس من سطح ما تنقل جزءًا منه. والقوة صغيرة، لكن في الفضاء، حيث لا يوجد احتكاك جوي ويمكن للمهام أن تتسارع لفترات طويلة جدًا، يمكن للقوى الصغيرة أن تتراكم لتصبح سرعة ذات معنى.

ما الذي يميز الـ metajets

الأشرعة الشمسية هي أشهر أشكال الدفع بالضوء. وهي تعمل عبر توجيه سطح عاكس نحو ضوء الشمس أو حزمة ليزر قوية. والمبدأ الأساسي مثبت، لكن مفاهيم الأشرعة التقليدية تواجه تحديات في التحكم. فإجبار الشراع على الحركة شيء، وتوجيهه بدقة والحفاظ على استقراره شيء آخر.

يقدم عمل تكساس A&M بنية بصرية أكثر تطورًا. فكل metajet مغطى بمادة فائقة الرقة منقوشة بأنماط على مقياس النانو. وتتيح هذه الأنماط للجهاز أن يثني الضوء الداخل ويعيد توجيهه بطرق محددة عمدًا. وبعبارة أخرى، تحدد بنية السطح كيفية تحويل زخم الضوء إلى حركة.

وهذه الخاصية الهندسية هي الخطوة الأساسية. فبدلًا من التعامل مع الضوء بوصفه مجرد مصدر دفع خشن، يستخدم الباحثون تصميم السطح ليجعلوا الضوء أداة دفع وتوجيه قابلة للتحكم. وفي المختبر، حققت أجهزة metajets، بحسب ما ورد، قدرة مناورة كاملة في ثلاثة أبعاد، مع إمكانية الحركة جانبيًا أثناء الرفع العمودي في الوقت نفسه.

وفي التطبيقات الفضائية، هذا مهم لأن التحكم لا يقل أهمية عن التسارع. فالشراع الذي يمكن دفعه بقوة لكنه لا يستطيع الاستقرار أو تغيير اتجاهه يفيد بدرجة محدودة. أما المركبة المعتمدة على الضوء التي تستطيع تعديل اتجاهها ومسارها باستمرار، فتغدو لبنة بناء أكثر إقناعًا للمهام المستقبلية.

الصلة بين ذلك وبين السفر بين النجوم

المرجع طويل الأمد الواضح هو Breakthrough Starshot، أي فكرة استخدام ليزرات أرضية قوية لتسريع مركبات صغيرة جدًا إلى نسبة معتبرة من سرعة الضوء. وفي الرؤية العامة وراء مثل هذه المفاهيم، يمكن إرسال مسبار صغير جدًا نحو نظام ألفا قنطورس ويصل خلال عقود بدلًا من آلاف السنين.

لكن نتيجة تكساس A&M لا تعني أن مثل هذه المهمة باتت قريبة الآن. فالمادة المصدرية نفسها تصف العمل بأنه خطوة مبكرة ومبدئية. وتحويل تجربة مختبرية مجهرية إلى نظام بين نجمي قابل للتطبيق سيتطلب تقدّمًا هائلًا في المواد، والبنية التحتية لليزر، والتصنيع، والملاحة، وإدارة الحرارة، والاتصالات. وحتى لو حُلّت مسألة الدفع، فإن إعادة إرسال البيانات عبر سنوات ضوئية تظل تحديًا هائلًا على مستوى الأنظمة.

ومع ذلك، فإن التجربة مهمة لأنها تعالج ضعفًا أساسيًا في كثير من أفكار الدفع المستقبلية: فهي غالبًا تصف كيف تولد الحركة، لكنها لا تشرح كيف تحتفظ بالتحكم العملي. وإذا تمكنت هندسة الأسطح الفائقة من تشكيل استجابة المركبة للضوء بشكل موثوق، فإن الدفع بالضوء سيبدأ بالظهور أقل كمخطط نظري وأكثر كتخصص هندسي.

لماذا يهم هذا أبعد من السفر إلى النجوم

قد لا تكون القيمة المباشرة للعمل مرتبطة بالسفر بين النجوم أصلًا. فالتقنيات المطورة للأجهزة الصغيرة جدًا والحساسة للضوء قد تكون ذات صلة أقرب في التموضع الدقيق، والروبوتات الدقيقة، وعلوم المواد، والأنظمة البصرية المتقدمة. وغالبًا ما يتقدم البحث الفضائي عبر هذا النوع من التفاعل المتبادل، حيث تدفع رؤية بعيدة المدى ومثيرة العمل الذي يتبين لاحقًا أنه مفيد أسرع في مجالات مجاورة.

وهناك أيضًا درس استراتيجي في البحث هنا. فاستكشاف الفضاء يتشكل بشكل متزايد من الابتكار متعدد الطبقات: المواد الأفضل، وأنظمة التحكم الأذكى، والتصنيع على النطاق النانوي، والفوتونيات عالية الطاقة، كلها مهمة معًا. وتقع تجربة metajets عند تقاطع هذه المجالات. وهي أقل كونها اختراقًا منفردًا، وأكثر كونها إشارة إلى أن تخصصات تقنية مختلفة بدأت تتلاقى حول مشكلات كانت في السابق تنتمي أساسًا إلى الخيال العلمي.

وهذا التلاقي يستحق المتابعة. فالسفر بين النجوم يظل واحدًا من أصعب الطموحات في الهندسة كلها. لكن التقدم نحو مثل هذه الطموحات نادرًا ما يأتي دفعة واحدة كبيرة. بل يميل إلى الظهور من خلال عروض ضيقة تجعل جزءًا واحدًا من اللغز، كان يبدو مستحيلًا، أقل استحالة قليلًا.

ما التالي

• سيتعين على الباحثين إثبات أن أساليب التحكم المعروضة في المختبر يمكن أن تتوسع إلى ما هو أبعد من الأجهزة الاختبارية المجهرية.
• من المرجح أن يركز العمل المستقبلي على الاستقرار والكفاءة وعلى كيفية أداء تصاميم الأسطح الفائقة تحت إضاءة أقوى.
• السؤال بعيد المدى هو ما إذا كانت هذه التقنيات التحكمية يمكن دمجها في بنى أشرعة تعمل بالليزر ومخصصة للفضاء.

في الوقت الراهن، ينبغي قراءة تجربة تكساس A&M لا كضجة مبالغ فيها ولا كفضول تافه. إنها نقطة بيانات صغيرة لكنها ذات معنى لصالح فرضية أكبر: أن الضوء قد يفعل يومًا أكثر من مجرد إضاءة الفضاء السحيق. ففي الظروف المناسبة، ومع الأسطح الهندسية المناسبة، قد يساعدنا على عبوره.

هذه المقالة مبنية على تغطية Universe Today. اقرأ المقال الأصلي.