نیروی رادیکال مورد نیاز برای رسیدن به لنز گرانشی خورشیدی

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

نیروی رادیکال مورد نیاز برای رسیدن به لنز گرانشی خورشیدی

چشم‌انداز ارسال ماموریتی به لنز گرانشی خورشیدی (SGL) نشان‌دهنده جهشی عظیم در تلاش ما برای تصویربرداری مستقیم از سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت، جوهای آنها و شاید حتی نشانه‌های تمدن است. با این حال، فاصله عظیم SGL، که بین 650 تا 900 واحد نجومی (AU) از زمین تخمین زده می‌شود، چالشی هولناک را ایجاد می‌کند. این فاصله تقریباً چهار برابر فاصله طی شده توسط دورترین کاوشگر ساخته بشر، وویجر 1، است که خود بیش از 130 سال طول می‌کشد تا به SGL برسد. در نتیجه، روش‌های پیشرانش متعارف برای رسیدن به این هدف در یک چارچوب زمانی منطقی کاملاً ناکافی هستند.

مقاله‌ای اخیر که توسط دکتر سلاوا توری‌شف، یکی از برجسته‌ترین حامیان ماموریت‌های SGL و محققی در آزمایشگاه پیشرانه جت (JPL) ناسا، نوشته شده است، به فناوری‌های پیشرانشی می‌پردازد که به طور بالقوه می‌توانند چنین سفر بلندپروازانه‌ای را ممکن سازند. این مقاله بر پیشرفت‌های قابل توجه مهندسی و فناوری که برای واقعی کردن ماموریت SGL در آینده نزدیک لازم است، تأکید می‌کند و از محدودیت‌های قابلیت‌های فعلی سفر فضایی فراتر می‌رود.

تجزیه و تحلیل دکتر توری‌شف به صراحت موشک‌های شیمیایی سنتی و حتی کمک‌های گرانشی از سیارات غول‌پیکر را به عنوان گزینه‌های عملی برای پیمودن فاصله عظیم تا 650 AU در یک چارچوب زمانی عملی رد می‌کند. برای رسیدن به SGL در تنها 20 سال، یک فضاپیما باید سرعت متوسط 154 کیلومتر بر ثانیه را حفظ کند. اگرچه این سرعت کمی کمتر از حداکثر سرعتی است که توسط کاوشگر خورشیدی پارکر (192 کیلومتر بر ثانیه) به دست آمده است، اما آن سرعت اوج فقط در نزدیک‌ترین گذر آن به خورشید، تنها 6.16 میلیون کیلومتر دورتر، به دست آمد. حفظ چنین سرعت‌های شدیدی برای سفری که دهه‌ها طول می‌کشد، در حال حاضر از نظر فناوری غیرممکن است.

بادبان‌های خورشیدی: بهره‌گیری از انرژی خورشید

یکی از جذاب‌ترین مفاهیم مورد بررسی، استفاده از بادبان‌های خورشیدی است. این سازه‌های عظیم و بازتابنده از تکانه فوتون‌های نور خورشید برای تولید نیروی رانش بهره می‌برند. تحقیقات دکتر توری‌شف نشان می‌دهد که یک رویکرد هم‌افزا، که فشار نور خورشید را با مانور کمک گرانشی در نزدیکی خورشید ترکیب می‌کند، می‌تواند فضاپیما را به سرعت‌هایی برساند که قادر به دستیابی به گذر 20 تا 30 ساله به SGL باشد. این روش از انرژی و تأثیر گرانشی خورشید برای حداکثر شتاب استفاده می‌کند.

با این حال، موانع قابل توجهی باقی مانده است. برای دستیابی به سرعت گذر 30 ساله، فضاپیما باید از نزدیک‌ترین نقطه حضیض (perihelion) در فاصله 0.05 AU عبور کند، فاصله‌ای که کمی دورتر از نزدیک‌ترین رویکرد کاوشگر خورشیدی پارکر (0.04 AU) است. چالش اصلی مهندسی در طراحی مواد بادبان خورشیدی فوق‌العاده نازک نهفته است که بتواند تابش شدید خورشیدی و گرما را در چنین نزدیکی به خورشید تحمل کند. قابلیت‌های مهندسی فعلی هنوز برای تولید بادبان‌هایی که بتوانند این محیط شدید را تحمل کنند، کافی نیست.

علاوه بر این، جرم و چگالی فضاپیما عوامل حیاتی برای ماموریت‌های بادبان خورشیدی هستند. بادبان‌های خورشیدی نیروی رانش محدودی را فراهم می‌کنند و آنها را برای پیشرانه بارهای سنگین نامناسب می‌سازند. علاوه بر این، محموله علمی ماموریت، که احتمالاً شامل یک تلسکوپ و منبع تغذیه آن است، یک چالش جرمی قابل توجه را ایجاد می‌کند. در فاصله 650 AU، انرژی خورشیدی برای تامین انرژی ابزارها بسیار ضعیف است و نیاز به یک سیستم تغذیه داخلی، مانند مولد ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (RTG) دارد. RTGها ذاتاً سنگین هستند و چگالی کلی فضاپیما را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند و به طور بالقوه مزایای یک طراحی بادبان خورشیدی سبک را خنثی می‌کنند.

پیشرانه الکتریکی هسته‌ای (NEP): یک جایگزین قوی

با توجه به چالش‌های بادبان‌های خورشیدی، پیشرانه الکتریکی هسته‌ای (NEP) به عنوان یک رقیب قوی ظاهر می‌شود. این سیستم از یک راکتور شکافت هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کند که سپس پیشرانه‌های الکتریکی با راندمان بالا را تغذیه می‌کند. اگرچه این موتورها نیروی رانش کمتری نسبت به موشک‌های شیمیایی دارند، اما تکانه ویژه استثنایی آنها – به این معنی که آنها بسیار کم مصرف سوخت هستند و می‌توانند برای مدت طولانی کار کنند – آنها را برای ماموریت‌های طولانی مدت و با سرعت بالا ایده‌آل می‌سازد.

بر اساس محاسبات دکتر توری‌شف، یک فضاپیمای با پیشرانه NEP، با وزن 20 تن و بار 800 کیلوگرم، می‌تواند سفر به SGL را در حدود 27 تا 33 سال تکمیل کند. اگرچه به سرعت یک کاوشگر بهینه‌شده بادبان خورشیدی سبک نیست، اما این بازه زمانی به خوبی در طول عمر یک انسان قرار می‌گیرد و آن را به یک پیشنهاد واقع‌بینانه‌تر تبدیل می‌کند.

NEP مزایای اضافی را ارائه می‌دهد. پس از رسیدن به SGL، سیستم پیشرانه می‌تواند برای "حفظ موقعیت" (station keeping) استفاده شود و موقعیت دقیق فضاپیما را با استفاده از پیشران باقی‌مانده حفظ کند. برق تولید شده همچنین می‌تواند مستقیماً ابزارهای علمی را برای مشاهده تغذیه کند. عیب اصلی NEP مدیریت حرارتی است. راکتور داخلی مقدار قابل توجهی گرمای اتلافی تولید می‌کند که باید در فضا دفع شود، معمولاً از طریق پانل‌های بزرگ رادیاتور. اندازه عظیم این رادیاتورها می‌تواند مشکلات ادغام را برای وسایل پرتاب ایجاد کند.

چشم‌اندازهای آینده

سفر به لنز گرانشی خورشیدی نمایانگر مرز جدیدی در اکتشافات فضایی است که نیازمند راه‌حل‌های رادیکال در زمینه پیشرانه است. هر دو بادبان خورشیدی پیشرفته و سیستم‌های NEP قوی، مسیرهای بالقوه‌ای را ارائه می‌دهند که هر کدام مجموعه چالش‌های مهندسی پیچیده خاص خود را دارند. کار دکتر توری‌شف یک نقشه راه حیاتی را فراهم می‌کند و بر نیاز حیاتی به تحقیق و توسعه مداوم برای پیشبرد مرزهای آنچه در سفرهای بین ستاره‌ای ممکن است و پرده‌برداری از اسرار نهفته در SGL تأکید می‌کند.

خبرگزاری اخباری