موفقیت استارشات

بعضی ازمحققان می گویند که آرایه های فازی تقویت کننده های لیزر می توانند فضاپیماهای کوچک را به مدت 20 سال در فضا هدایت کنند. اما آیا تکنولوژی انسانی برای سفر چالش برانگیز آماده است ؟

تصور یک هنرمند از یک فضاپیما با بادبان نوری که زمین را ترک می کند.

سفر میان ستارگان به مدت طولانی رویای علاقه مندان علمی تخیلی و دانشمندان است.

با این حال، فاصله های دلهره آور فضا، زمان، انسان ها را بر روی سیاره کوچک خود، حبس نماید. برخی از علاقه مندان به فضا اکنون می گویند تکنولوژی مورد نیاز برای این سفر، با توجه به پیشرفت های حاصل شده در اپتیک لیزری وجود دارد.

در سال گذشته یک میلیاردر “تیم رویایی” دانشمندان و مهندسین را گرد هم آورد و یک چالش در پیش روی آنها قرار داد: طراحی یک فضاپیمای  کوچک که می تواند به یک سیستم سیاره ای خارج از منظومه شمسی (در یک کسر نسبتا بزرگ از سرعت نور) سفر کند و عکس ها و داده ارسال کند. برای سرعت بخشیدن به وسایل نقلیه مینیاتوری فضایی که تقریبا 1 گرم جرم دارد، می بایست آریه لیزری ساخته شود که بتواند پرتوهای پرتوان انرژی را به بادبان میکرو فضاپیما برساند.

در رسیدن به موفقیت، استارشات یکی از چندین طرح فضایی است که توسط میلیاردر روسی یوری میلنر و تلاش های بشر دوستانه او به نام “پروژه های دستیابی به موفقیت” برگزار می‌شود.

در تاریخ  12 آوریل سال 2016 ، پنجاه و پنجمین سالگرد اولین پرواز فضایی انسان،  میلنر و استفان هاوکینگ فیزیکدان انگلیسی اعلام کرد که میلنر 100 میلیون دلار آمریکا برای مطالعات مفهومی از یک سفر به ستاره ها اختصاص داده است. میلنر دو طرح ابتکاری دیگر را در این زمینه سرمایه گذاری می کند : “دستیابی به موفقیت”، یک تحقیق رادیویی 100 میلیون دلاری برای شناسایی تمدن های فراتر از زمین و “پیام دستیابی”، یک رقابت در آمریکا 1 میلیون دلار برای ارسال پیام به بشریت به فرازمینی ها.

نقشه راه برای رسیدن به ستاره ها که توسط چالش های ابتکاری در دستیابی  به موفقیت ارائه می شود، به طرز حیرت انگیزی ساده و پیچیده است. دانشمندان می توانند یک  پرتو نور که در طول موج کوتاه مادون قرمز عمل می کنند را بسازند که به راحتی به جو زمین نفوذ کند. کنترل کننده ها صدها یا هزاران فضاپیمای کوچ را که بادبان های آنها تنها چند صد اتم ضخامت دارد را توسط یک پرتو بسیار پر در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه به سرعت نور می رساند. فضا پیمای کوچک 20 سال طول می‌کشد تا  به نزدیک ترین سیاره فراخورشیدی برسد و 25/4 سال بعد اطلاعات خود را ارسال می کند. درحالی که موشک های شیمیائی به زمان بسیار طولانی نیاز دارند.

یوری میلنر ( سمت چپ ) و استیفن هاوکینگ و یک میکرو فضاپیما

هیچکدام از افراد در تیم هدایت کننده  انتظار ندارند که دستیابی به موفقیت در استارشات آسان باشد یا تنها با 100 میلیون دلار میلنر انجام شود . هر بخش از پروژه، محدودیت های تکنولوژی را به چالش می کشد: ارایه لیزری کلاس گیگاوات، تعدادی از ابزار های سنجش و تصویر برداری بر روی هر یک از فضاپیماها و سیستم ارتباطی برای ارسال سیگنال با دقت زیاد در فاصله بین ستارگان به زمین.

با این حال، برخی از دانشمندان و مهندسان مشتاقانه در حال مطالعه فن آوری های توانمند هستند که عمدتا از طریق شبیه سازی های عددی انجام می پذیرد. کشف یک سیاره در اطراف پروکسیما سانتاوری، ستاره کوتوله قرمز نزدیک به خورشید زمین، در سال 2016، مقصد قابل ملاحظه ای را برای فضاپیماهای کوچک  فراهم کرده است. سیاره ای که به نام پروکسیماB شناخته می شود درون منطقه قابل سکونت ستاره قرار دارد و به این معنی است که شرایط ممکن است برای این سیاره مناسب باشد تا آب مایع روی سطح آن داشته باشد. در فوریه 2017 یک تیم بلژیکی دریافت که یک ستاره کوتوله، Trappist-1، دارای چندین سیاره زمین مانند است که در منطقه قابل سکونت خود قرار دارند. بدیهی است که ما نمی دانیم که آیا هر یک از این سیاره ها آفتاب میزبان حیات، هوشمند و یا غیرقابل انعطاف است، و نخستین محققان روباتیک از زمین ممکن است به این پرسش پاسخ ندهد .

با این حال با توجه فاصله 25.4 سال نوری پروکسیما و 40 سال نوری Trappist این سیارات به اندازه کافی جهت مطالعه به ما نزدیک می باشند.

خاستگاه های ایده بادبان فضائی

این ایده که نور می تواند باعث حرکت اجسام مادی شود به 4 قرن قبل و به مشاهدات یوهان کپلر در خصوص دور شدن دنباله ستاره های دنباله دار از خورشید باز می گردد. فرضیه این است که تابش الکترومغناطیسی دارای تکانه می باشد که  باعث ایجاد فشار می شود. معادلات جیمز کلرک ماکسول در قرن نوزدهم و آزمایشات انجام شده در انتهای قرن بیستم این فرضیه را تائید می کند.

در دهه 1960، نویسندگان علمی تخیلی آرتور سی کلارک و رابرت داستان هایی در خصوص مسابقات بادبان خورشید به رشته تحریر درآوردند. پس از آن، مطالعات فنی درباره تکنولوژی های بالقوه برای سفر بین سیاره ای و بین ستاره ای، با استفاده از نیروی رانش لیزری منتشر گردید.

در سال 1985، برنامه هایی را برای ساخت یک فضاپیما کم جرمی کم فشار که توسط یک پرتو مایکروویو پرتاب می شد، اجرا گردید که حلقه ستاره ای نامیده شد. این طرح چندین مشکل فنی داشت، از جمله اندازه بزرگ بادبان سفینه به علت طول موج 3 میلی متری امواج ماکرویو. در اواخر دهه 1990 Geoffrey Landis از مرکز تحقیقاتی ملی ناسا و ملی ایالات متحده (NASA) مرکز تحقیقات Glenn به پروژه حلقه ستاره ای در یک مطالعه برای موسسه مفهوم پیشرفته ناسا (NIAC)، مورد بازبینی قرار گرفت. لندیس پیشنهاد کرد که برای بادبان بین ستاره ای یک ساختار عایق مانند شبکه کربن، بهتر از آلومینیوم خواهد بود.

بین این تلاش ها و کارها در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا (UCSB) در ایالات متحده آمریکا، جامعه ای از علاقمندان میان ستاره ای شروع به کار کرد. در عین حال تحقیقات علمی کاربردی نیاز به بودجه داشت.

تعریف نقشه راه برای پرواز بین ستاره ای

در تابستان سال 2015، میلانر و پت وردن، فیزیکدان، با موافقت آوی لوب، رئیس بخش نجوم دانشگاه هاروارد، به تیم استار شات پیوستند. گرچه لوب اکنون یک کیهان شناسی نظری است، در طی کار روی دکترای خود در فیزیک پلاسما، تحقیق بر روی شتاب دادن سریع به اجسام را رهبری می نمود. او می گوید زمینه کاری من با ماهیت این پروژه سازگار است.

کار فیلیپ م. لوبین، استاد فیزیک UCSB، در اواخر دسامبر 2015 توجه لوب را گرفت. لوب می گوید لوپین ایده های پیشین را از نیم قرن پیش گرفته است و آنها را در زمینه تکنولوژی مدرن قرار می دهد.

لوبین و همکاران گروه Cosmology Experimental UCSB خود در سال 2009 به بررسی مفهوم انرژی هدایت شده پرداختند، که عمدتا به دفاع از زمین از شهاب سنگ ها و سیارک ها می پردازد. او به زودی متوجه شد که همان نوع از لیزر حالت جامد در مقیاس بزرگ که می تواند پرتوی به اندازه کافی قدرتمند برای از بین بردن سنگ فضایی تولید کند، قابلیت استفاده در پروژه های دیگر مانند کاهش زباله های فضائی، تجزیه و تحلیل ترکیب منظومه شمسی و نیروی رانش نسبی را دارد. علی رقم عدم تامین مالی، لوبیین تحقیقات خود را در مورد تحقیقات بین ستاره ای با منابع مالی NIAC دنبال کرده است.

او در تعریف نقشه راه برای پرواز بین ستاره ای دیدگاه خود را از اجزای اساسی یک ماموریت به منظومه خورشیدی پروکسیما B به شرح زیر بیان می کند : یک هدایت کننده فوتون یا آرایه ای فازی لیزری، یک میکرو فضاپیما و بادبان های سبک نازک.

راه اندازی و سفر

بزرگترین تصمیم گیری در خصوص ارایه لیزری که میکرو فضاپیما را به مقصد ارسال می کند این است که بر روی مدار زمین ساخته شوند یا بالای مدار آن!

گزینه ی دوم انعطاف پذیری را بالا میبرد اما هزینه ی ماموريت را افزایش میدهد.

یک لایه ی اصلی ارایه لیزری نیاز به انعطاف پذیری برای غلبه یافتن بر آشفتگی بر آتمسفر دارد و این طول موجی که در آن جو زمین ( که در بسیاری از محاسبات)  شفاف است عمل کند. لوبین 1060 نانومتر را پیشنهاد می کند.

او میگوید که استارشات دستاورد پیشنهادی مبتنی بر مبانی است تا هزینه های ماموریت بین ستاره ای را کاهش دهد. اما برخی از برنامه های کاربردی دیگر این فناوری، آرایه های کوچکتری را می خواهند که باعث افزایش شدید هزینه خواهد شد.

به گفته پیت کلپار یکی دیگر از فارغ التحصیلان ناسا است که به عنوان مدیر مهندسی برای پروژه استارشات فعالیت می کند،  هزینۀ قرار دادن آرایه نور با نور در مدار زمین و یا  دور تر از ماه  صدها میلیارد و یا حتی تریلیون دلار آمریکا است. نگه داشتن آرایه بر روی زمین هزینه های آن را به ده ها میلیارد دلار کاهش می دهد شبیه به هزینه ساخت برخورد دهنده بزرگ هادرون سرن و یا ساخت یا تلسکوپ فضایی جیمز وب است.

برای سیستم کار اولیه لوبین و تیم او از توپولوژی امپدانس تقویت کننده اسیلاتور اصلی استفاده می کنند که می تواند قدرت پرتو را در حفظ هماهنگی، افزایش دهد.  به گفته لوبین این کار می بایست بصورت هماهنگ باشد، در غیر این صورت کار نمی کند. شما نمی توانید تعداد زیادی از اشاره گرهای لیزر را وارد کنید و آن را بر فضاپیمای خود متمرکز کنید.

بازیافت فوتون می تواند کارایی هدایت فوتون را تا حدودی در فاصله های کوتاه بهبود بخشد اما اثرات پراش و نسبیتی آن را در فواصل دورتر از بین می برد.

به گفته اوب پراش پرتو استارشات می بایست به حدود 2 میلیون کیلومتر را محدود شود. محاسبات اولیه لوبین نشان می دهد که یک آرایه لیزر فازی با قدرت  100 گیگاوات از یک سو می تواند هر فضاپیمای استارشات را تا 20 درصد سرعت نور طی یک شلیک 3 دقیقه ای برساند. می توان یک ردیف از میکروفضاپیما ها را تصور کرد مانند هواپیماهای خطوط هوائی که در انتظار مجوز فرود در فرودگاه هستند،  برای پرتاب آماده می شوند.

مواد مورد استفاده در ساخت بادبان میکرو فضاپیما ها می بایست بسیار سبک، بسیار مقاومت و دارای قابلیت بازتاب فراوان باشد. به گفته لوب می بایست 99.999 درصد از نور لیزر تابانده شده بر روی بادبان میکرو فضاپیما باید منعکس شود و در غیر این صورت بادبان خواهد سوخت. راهکار لوبین برای حل این مشکل استفاده از پوشش های دی الکتریک چند لایه می باشد که باعث بازتاب کافی از بادبان خواهد شد. این که آیا می توان بادبان را از گرافن و یا برخی از مواد فوق العاده با تکنولوژی پیشرفته ساخته شود هنوز در حال بررسی می باشد.

کلوپار معتقد است که تحقیقات در راستای نانو ساختارهای پلاسمایی، فلزات سنگین و مواد دو بعدی که توسط گروه هری اتواتر در موسسه فناوری کالیفرنیا آمریکا انجام شده است، در نهایت میتوان کلید حل مشکلات باشد.

بر اساس گزارش از مرکز فیزیک سماوی هاروارد-اسمیتسونیان آمریکا، بزرگترین چالش این پروژه اثر متقابل بادبان و پرتو انرژی می باشد. بعضی از بادبان هایی که توسط نیروی تشعشع ضعیف خورشید مورد آزمایش قرار گرفته است از هم گسسته شده اند. بی ثباتی حاصل از عدم نصب صحیح  و ایجاد چروک باعث از هم گسسته شدن آن خواهد شد.

به تازگی گروهی از محققان دانشگاه هاروارد محاسبات مربوط به شکل بادبان فضائی و نحوه تعامل آن را با آریه لیزری پیشران را به انجام رسانده اند. در طول مرحله افزایش شتاب، پرتوها باید روی هر فضاپیما مترکز گردد. در آزمایشاتی که بر روی یک بادبان مخروطی انجام شد، مشخص گردید بادبان های فضائی بدون کنترل کننده های فعال یا مکانیز های کنترلی که باعث افزایش وزن میکروفضاپیما خواهد شد، امکان پذیر نمی باشد. شبیه سازی های سه بعدی اشعه ماوراء بنفش بعدی نشان داد که یک پوسته کروی شکل موجب می شود که بادبان به اندازه کافی پایدار باشد.

کوچک سازی هر وسیله مورد نیاز برای سفر بین ستاره ای در مقیاس گرم ممکن است به سخت بنظر برسد  اما محققان استار شات معتقدند پیشرفت های اخیر در زمینه الکترونیک به طراحان اجازه می دهد که لیزر، دوربین، شتاب سنج، ژیروسکوپ و بقیه تجهیزات را در اندازه بسیار کوچک بسازند. این موارد قبلا در پروژه CubeSat ناسا که مربوط به ارسال میکرو ماهواره ها مدار زمین بوده است آزمایش شده است.

چالش دیگر برای میکرو فضاپیمای مقاومت گاز و گرد و غبار بین ستاره ای در مسیر سفر می باشد. فضای بین ستاره ای بنظر خالی می آید اما در حقیقت این گونه نیست.  فضای بین ستاره ای شامل گاز یونی، اتمی و مولکولی و همچنین ذراتی می باشد که از ذرات دود سیگار کوچکتر می باشد.

گرچه در مقام مقایسه گرد و غبار و گاز بین ستاره ای بسیار ضعیف تر از اتمسفر زمین می باشد اما در سفر با سرعت نسبیتی باعث کشش قابل توجهی خواهد شد. برخورد ذرات گرد و غبار و گاز باعث از بین رفتن سطح خارجی فضاپیما خواهد شد و یا باعث تغییر مسیر حرکت آن گردد.

محققان ناسا و موسسه علمی فناوری کره اخیرا طرحی را پیشنهاد کرده اند که بر اساس آن میکروپروسسور هائی با فناوری خود درمانی قابلیت حفاظت از تجهیزات کوچک میکر فضاپیما را در طی سفر 20 ساله خواهد داشت.

رسیدن به مقصد و بازگشت اطلاعات

زمانی که میکروفضاپیماها به منظومه پروکسیما سنتوری و یا هر منظومه دیگری برسند شروع به چرخش با سرعتی برابر با 2/0 سرعت نور می نمایند. در این سرعت فضاپیما اگر در فاصله‌ای برابر با فاصله ی ماه تا زمین قرار گیرد می توانند ۶ ثانیه و اگر در فاصله‌ای به اندازه فاصله ی زمین تا خورشید قرار گیرد می توانند به اندازه ۲۴ دقیقه رویت داشته باشد، که این مدت زمان به منظور جمع آوری اطلاعات کافی نخواهد بود. به منظور افزایش مدت زمانی رویت لازم است از سرعت فضاپیما کاسته شود که این کاهش سرعت باید به نحوی بدون استفاده از موتورهای احتراقی که موجب به افزایش وزن ماهواره می شوند، صورت گیرد.

دو دانشمند آلمانی به نام های رنه هلر و مایکل هیپک اخیراً ماکزیمم میزان سرعت اعمالی جهت آنکه ماهواره‌ای کوچک را بتوان در مداری در اطراف پروکسیما b به دام انداخت را، برابر با 046/0 سرعت نور تخمین زده اند. در این محاسبات وزن بادبان‌های کاوشگر برابر با وزن تک صفحه ی گرافیتی با اندازه‌ای برابر با اندازه مدنظر و وزن باری برابر با ۱۰ گرم در نظر گرفته شده اند.

در این طرح این میکروفضاپیما به منظور کاهش سرعت خود از میدان گرانش هر سه ستاره ی آلفا سنتوری استفاده می کنند که باعث می شود این فضاپیما ها در مداری به شدت بیضوی در اطراف مجموعه ستاره ای پروکسیما سنتوری و یا بعضاً فقط ستاره ی  پروکسیما b حرکت کند.(شکل ذیل)

لوبین در سخنان خود بیان کرده است، هرچند که محاسبات صورت گرفته توسط هلر و هیپک قابل تامل است اما او به علت عدم جواب گویی صفحات تک لایه گرافن در سرعت های بالا و عدم توانایی در ایجاد خاصیت بازتابی در آنها از این مواد گرافیتی استفاده نخواهد نمود. او همچنین بیان نموده است امیدوار است این پروژه موفقیت آمیز باشد زیرا اگر اطلاعاتی از جانب کاوشگر به زمین مخابره نشود کل پروژه استارشات بی معنا خواهد بود. او همچنان خاطر نشان شد که این کاوشگرها از سیستم مخابراتی پرتوی لیزری جهت ارسال اطلاعات استفاده خواهند نمود.

جنبه های انسانی پروژه

همانطور که اکثر از پروژه ها نقدهایی را به دنبال دارند، این پروژه نیز دارای منتقدان سرسختی است. افرادی مانند لرد مارتین ریس یکی از اعضای آکادمی سلطنتی هوافضای بریتانیا بیان نموده است که شک های اساسی نسبت به عملی بودن این پروژه دارد و آن را یک قمار می داند.

در یکی از جلسات پرسش و پاسخ در یکی از کنفرانس های مجامع فیزیک آمریکا، دکتر ریس بیان نموده است که شک های اساسی نسبت به عملی بودن این پروژه دارد و آن را یک قمار می داند.

در یک جلسه پرسش و پاسخ در یکی از کنفرانس های مربوط به مجامع فیزیک آمریکا، دکتر ریس بیان نمودند که به نظر این شان بهتر خواهد بود اگر در آینده نه چندان دور مبلغی معادل با ۱۰ میلیون دلار آمریکا را صرف ساخت تلسکوپی عظیم در مدار زمین کنند تا بتوانند مستقیم این اجرام را مورد بررسی قرار دهند. هرچند که ایشان در دفاع از پروژه ی استارشات نیز بیان نمودند که استفاده از لیزرهایی که جهت شتاب دادن به این میکرو فضاپیماها  استفاده می شوند تا آنها را به سرعتی برابر با ۰/۲ سرعت نور برسانند، می‌تواند موجب به ایجاد شعاع نوری شود که توانایی خروج از کهکشان ما را داشته باشد و بتوانند زمین را برای حیات و یا تمدن های فضایی به نقطه‌ای مشخص بدل نماید.

در همین راستا پروفسور مک دوئل در مورد عملی بودن این پروژه در دهه های اخیر تردیدهای را  وارد دانسته است، اما اعتقاد دارد که پروژه  استارشات می‌تواند نقطه تحولی در سفرهای بین سیارات منظومه شمسی باشد به نحوی که سفرهای چندین ساله، مانند سفر به مریخ و دیگر سیارات منظومه، را به سفرهای چندین هفته ای و یا چند روزه بدل نمایند. این مورد به نوبه ی خود باعث کمک به محققان برای بررسی سیارات منظومه ی شمسی در آینده خواهد بود.

پروژه استارشات همچنین باعث جلب توجه تعدادی از افراد موجود در کنگره آمریکا شده است. در ماه می سال ۲۰۱۶ جان کلبرسون که بخشی از شهر هیوستون که مرکز فضایی ناسا در آن قرار دارد را اداره می‌کند، دستور آماده سازی و بررسی امکان سفرهای بین ستاره ای را تا سال ۲۰۶۹ به مناسبت صدمین سالگرد ارسال آپولو ۱۱ به ماه را داده است. که حال این سفرها می‌توانند با استفاده از تکنولوژی های هسته‌ای، موتور های جت و یا تکنولوژی پروژه استارشات صورت گیرند.

در همین راستا پیتر کلوپار سعی در جذب دانشمندانی از بین برترینهای اپتیک و مهندسی را دارد. بنیاد کلوپار قصد صرف مبلغی پنج میلیون دلاری جهت درک مفاهیم بنیادی این پروژه را دارد. نظر کلوپار بر آن است که ساخت نمونه های اولیه بر روی زمین و آزمایش آنها در ۵ سال آینده، همراه با ساخت نمونه های اولیه با توانایی سفر به منظومه شمسی در اوایل و اواسط دهه ۲۰۳۰، امکان پذیر خواهد بود.

کلوپار همچنین اعتقاد دارد که این پروژه باید به دو منظور یک پروژه جهانی باشد، یک آن که هیچ دولتی به تنهایی نمی‌تواند مبالغ لازم جهت آزمایشات را فراهم آورد و ثانیاً تکنولوژی ساخت به کار رفته در این پروژه می تواند جنبه‌های نظامی به خود بگیرد و اگر این تکنولوژی فقط در اختیار یک کشور باشد فاجعه بار خواهد بود.

موفقیت استارشات

پاتریشیا داوکستا

تیم علوم فضایی:

سرپرست: ا.زمان‌پور

معصومه اقازاده -ارش زمانپور-فاطمه فقيهي-مهرپویا توکلی

منابع

https://www.osa-opn.org/home/articles/volume_28/may_2017/features/breakthrough_starshot/

• Anglada-Escudé et al. “A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri,” Nature 536, 437 (2016).
• Clery. “U.S. lawmaker orders NASA to plan for trip to Alpha Centauri by 100th anniversary of moon landing,” Science, DOI: 10.1126/science.aag0558 (2016).
• Cornwell. “Space-based laser communications break threshold,” Opt. Photon. News 26(5), 24 (May 2016).
• Lubin. “A roadmap to interstellar flight,” J. British Interplanetary Soc. 49, 40 (2016).
• Heller and M. Hippke. “Deceleration of high-velocity interstellar photon sails into bound orbits at α Centauri,” Astrophys. J. Lett. 835, L32 (2017).
• Manchester and A. Loeb. “Stability of a light sail riding on a laser beam,” Astrophys. J. Lett. 837, 2 (2017).
• Stevenson. “Self-healing transistors for chip-scale starships,” IEEE Spectrum 54, 2 January 2017.
• Gillon. et al. “Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1,” Nature 542, 7642 (2017).

Publish Date: 01 May 2017