استفاده از موشک حرارتی خورشیدی؛ راهی احتمالی برای رسیدن به فضای میان ستاره ای+عکس

به گزارش جام جم آنلاین به نقل از زومیت، جیسون بنکاسکی، پژوهشگر آزمایشگاه فیزیک کاربردی (APL) در دانشگاه جانز هاپکینز، چندی پیش به‌همراه همکارانش وسیله‌ای آزمایش کرد که ممکن است روزی مسیر رسیدن ما به فضای میان‌ستاره‌ای را هموار کند.‌ این ابزار شبیه‌سازی خورشیدی است که به‌اندازه‌ی بیست خورشید می‌تواند بدرخشد. وقتی شبیه‌ساز حین آزمایش به‌شدت داغ شد، بنکاسکی پمپاژ هلیوم مایع به لوله‌ی کوچک جاسازشده درون ورقه‌ای تخت را شروع کرد. هلیوم با عبور از مجرا گرمای ناشی از هزاران LED را جذب کرد و تا آنجا منبسط شد که درنهایت، ازطریق نازلی کوچک به بیرون رفت.
وسیله‌ی موجود در آزمایشگاه فیزیک کاربردی شباهت زیادی به «پیشرانه‌ی حرارتی خورشیدی» ندارد؛ اما بنکاسکی و تیمش عملکرد تقریبی این سامانه را با آزمایش یادشده آزمودند. پیشرانه‌ی حرارتی خورشیدی موتور موشکی فرضی است که از حرارت خورشید نیرو می‌گیرد و به‌باور پژوهشگران، می‌تواند عنصری ضروری در کاوش‌های میان‌ستاره‌ای باشد.
تا امروز، تنها دو فضاپیمای وویجر ۱ و وویجر ۲ منظومه‌ی شمسی ما را ترک کرده‌اند. بااین‌حال، ورود دو فضاپیما به فضای میان‌ستاره‌ای پاداشی علمی پس از اتمام مأموریت اصلی آن‌ها در کاوش مشتری و زحل به‌حساب می‌آید. هیچ‌کدام از فضاپیماهای وویجر برای مطالعه‌ی مرز بین قلمرو کیهانی ما و سایر بخش‌های جهان به ابزار مناسب مجهز نیستند. همچنین، دوقلوهای وویجر با سرعت تقریبا ۴۸ هزار کیلومتربرساعت، آن‌چنان آهسته‌ حرکت می‌کنند که گریز از تأثیر خورشید برایشان نزدیک به نیم قرن طول کشید.

 

داده‌هایی که فضاپیماهای وویجر از لبه‌ی منظومه‌ی شمسی فرستاده‌اند، هیجان‌انگیز است. این اطلاعات نشان داده‌اند که بخش عمده‌ای از پیش‌بینی‌های فیزیک‌دانان درباره‌ی مرز محله‌ی کیهانی ما اشتباه بود. ازاین‌رو، گروهی بزرگ از اخترفیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان و دانشمندان سیاره‌شناس مصرانه به‌دنبال ساخت کاوشگر اختصاصی میان‌ستاره‌ای برای کاوش این محدوده‌ی کشف‌نشده هستند.
سال ۲۰۱۹، ناسا آزمایشگاه فیزیک کاربردی را مسئول مطالعه‌ی طرح‌های مفهومی برای مأموریت اختصاصی میان‌ستاره‌ای کرد. در پایان سال بعدی، تیم این آزمایشگاه پژوهشش را در بررسی ده‌سالانه‌ی آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی ارائه خواهد داد. این بررسی اولویت‌های علمی ده سال آینده‌ی مرتبط با خورشید را تعیین خواهد کرد. پژوهشگران آزمایشگاه فیزیک کاربردی مشغول کار روی برنامه‌ی کاوشگر میان‌ستاره‌ای هستند و تمام جنبه‌های این مأموریت از برآورد هزینه تا ابزارها را مطالعه می‌کنند. بااین‌حال، صرفا فهمیدن اینکه چگونه می‌توان در زمانی معقول به فضای میان‌ستاره‌ای رسید، تا امروز بزرگ‌ترین و مهم‌ترین بخش پازل بوده است.
لبه‌ی منظومه‌ی شمسی با نام هلیوسفر منطقه‌ای به‌شدت دور‌از‌دسترس است. زمانی‌که فضاپیما به پلوتو برسد، تنها یک‌سوم از مسیر رسیدن به فضای میان‌ستاره‌ای را پیموده است. تیم APL طرح مفهومی کاوشگری را مطالعه می‌کند که سه برابر دورتر از لبه‌ی منظومه‌ی شمسی خواهد رفت و با صرف نصف زمان سپری‌شده برای رسیدن وویجر به هلیوسفر، این سفر تقریبا ۸۰ میلیارد کیلومتری را انجام خواهد داد. برای اجرای این نوع مأموریت، پژوهشگران به کاوشگری نیازمند خواهند بود که به‌کلی با هر نمونه‌ی ساخته‌شده تاکنون تفاوت دارد. بنکاسکی می‌گوید:
فضاپیمایی می‌خواهیم که ‌سریع‌تر و دورتر خواهد رفت و بیش از هر کاوشگر ساخته‌شده تا امروز به خورشید نزدیک خواهد شد. این مأموریت همانند سخت‌ترین کاری است که احتمالا می‌توانید انجام دهید.

 

در اواسط نوامبر، پژوهشگران کاوشگر میان‌ستاره‌ای در کنفرانس اینترنتی یک‌هفته‌ای شرکت کردند تا هم‌زمان با ورود مطالعه به سال پایانی‌اش، به‌روزرسانی‌ها درباره‌ی آن را به‌اشتراک بگذارند. در کنفرانس، تیم‌هایی از APL و ناسا نتایج کار خود روی «پیشرانه‌ی حرارتی خورشیدی» را به‌اشتراک گذاشتند که به‌باورشان، سریع‌ترین راه برای رساندن کاوشگر به فضای میان‌ستاره‌ای است. ایده‌ی چنین پیشرانه‌ای این است که موشک به‌جای احتراق، نیروی خود را از گرمای خورشید تأمین کند. براساس برآوردهای بنکاسکی، این موتور سه برابر بهینه‌تر از بهترین پیشرانه‌های شیمیایی مرسومی است که امروزه دردسترس هستند. بنکاسکی می‌گوید ازنظر فیزیکی، این تصور برایش بسیار دشوار است که موتوری بتواند پیشرانه‌ی حرارتی خورشیدی را در زمینه‌ی بهینگی شکست دهد.
برخلاف موتور مرسوم که در انتهای موشک نصب می‌شود، پیشرانه‌ی حرارتی خورشیدی که پژوهشگران در حال مطالعه‌ی آن هستند، با سپر فضاپیما ادغام خواهد شد. این پوسته‌ی سخت و تخت از فوم کربن سیاه ساخته و یک طرف آن با مواد بازتابنده‌ی سفید پوشانده می‌شود. از بیرون، این پوسته به سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر شباهت زیادی خواهد داشت؛ اما تفاوت مهم لوله‌کشی پیچ‌وخم‌دار نهفته زیر سطح آن است. اگر کاوشگر میان‌ستاره‌ای از نزدیکی خورشید گذر کند و هیدروژن را به درون لوله‌های سپرش بکشاند، هیدروژن منبسط و از نازل انتهای لوله مشتعل خواهد شد و درنهایت، سپر حرارتی نیروی رانش ایجاد خواهد کرد.
ایده‌ی مذکور از‌نظر تئوری ساده، اما پیاده‌سازی آن درعمل فوق‌العاده دشوار است. موشک حرارتی خورشیدی فقط درصورتی کارآمد است که موفق شود «مانور اوبرت» را انجام دهد؛ حرکتی مداری که خورشید را به پرتابگری عظیم تبدیل می‌کند. گرانش خورشید همانند تقویت‌کننده‌ی نیرو عمل می‌کند و اگر فضاپیما هنگام چرخیدن به دور خورشید موتورهایش را روشن کند، سرعت آن را به‌نحو چشمگیر افزایش می‌دهد. هرچه فضاپیما حین مانور اوبرت به خورشید نزدیک‌تر شود، سریع‌تر حرکت خواهد کرد. در مأموریتی که APL طراحی کرده است، کاوشگر میان‌ستاره‌ای به فاصله‌ی تنها ۱/۶ میلیون کیلومتر از سطح جوشان خورشید خواهد رسید.
در مقام مقایسه باید اشاره کرد وقتی کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا در سال ۲۰۲۵ نزدیک‌ترین گذرش را از کنار خورشید انجام دهد، در فاصله‌ی تقریبا ۶/۵ میلیون کیلومتری از سطح آن خواهد بود و در سرعت نزدیک به ۶۹ هزار کیلومتربرساعت، خورشید را مطالعه خواهد کرد. این تقریبا دو برابر سرعتی محسوب می‌شود که کاوشگر میان‌ستاره‌ای قصد دارد به آن دست یابد. کاوشگر خورشیدی پارکر سرعت یادشده را با کشش گرانشی خورشید و زهره در طول مسیری هفت‌ساله به‌دست خواهد آورد. کاوشگر میان‌ستاره‌ای در گردشی به دور خورشید باید سرعت خود را از تقریبا ۴۸ هزار کیلومتربرساعت به حدود ۳۲۱ هزار کیلومتربرساعت برساند که این امر مستلزم نزدیکی بیش‌از‌حد به خورشید است.
دین شیک، کارشناس مواد در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا، به‌تازگی در کنفرانسی مطالعه‌ای موردی درباره‌ی موشک حرارتی خورشیدی ارائه داد. او می‌گوید نزدیک‌شدن به انفجاری گرماهسته‌ای به‌اندازه‌ی خورشید مشکلاتی مختلفی برای مواد به‌وجود می‌آورد. برای مأموریت APL، کاوشگر با انجام مانور اوبرت نزدیک به دوونیم ساعت را در دمای تقریبی ۲،۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد سپری خواهد کرد.
این میزان گرما به‌راحتی می‌تواند سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر را ذوب کند؛ درنتیجه، تیم شیک در ناسا مواد جدیدی پیدا کرده است که می‌تواند سطح بیرونی را بپوشاند تا انرژی حرارتی را بازتاب دهد. این پوشش در ترکیب با اثر خنک‌کنندگی هیدروژن در حال جریان درون لوله‌های سپر حرارتی، کاوشگر میان‌ستاره‌ای را هنگام نزدیکی بیش‌از‌حد به خورشید خنک می‌کند. شیک می‌گوید: «می‌خواهید مقدار انرژی در حال بازتاب را به حداکثر برسانید. حتی تفاوت‌های کوچک در بازتابندگی مواد، افزایش چشمگیر گرمای فضاپیما را شروع می‌کند.»
مشکل بزرگ‌تر کنترل جریان هیدروژن داغ درون لوله‌ها است. هیدروژن در دمای بسیار زیاد به‌کلی باعث خوردگی هسته‌ی کربنی سپر حرارتی می‌شود؛ درنتیجه به‌منظور اجتناب از این امر، داخل لوله‌ها را باید با مواد قدرتمندتر پوشاند. تیم پژوهشی چند ماده را شناسایی کرده است که می‌توانند وظیفه‌ی محافظت را برعهده بگیرند؛ اما داده‌های چندانی درباره‌ی عملکرد آن‌ها، به‌ویژه در دمای بسیار ‌شدید موجود نیست. شیک می‌گوید: «مواد زیادی وجود ندارد که بتواند نیازهای ما را برآورده کند. این محدودیت از برخی جهات مطلوب است؛ زیرا باید همان چند نمونه‌ی معدود را بررسی کنیم. درعین‌حال نامطلوب هم است؛ زیرا گزینه‌های چندانی دراختیار نداریم.»
به‌گفته‌ی شیک، عامل بازدارنده‌ی بزرگ در پژوهش این است که پیش از فرستادن موشک حرارتی خورشیدی به پیرامون خورشید، آزمایش‌های فراوانی روی مواد سپر حرارتی باید انجام شود؛ اما این مسئله موجب کنارگذاشتن مأموریت نمی‌شود. درواقع، پیشرفت‌های خیره‌کننده در علم مواد موجب شده است اکنون ایده‌ی موشک حرارتی خورشیدی درمقایسه‌با زمان طرح آن به‌وسیله‌ی مهندسان نیروی هوایی آمریکا در بیش از ۶۰ سال گذشته، دست‌یافتنی‌تر به‌نظر آید. بنکاسکی می‌گوید:
تصور کردم به‌طورمستقل در ذهنم به این ایده رسیدم؛ اما در سال ۱۹۵۶، افرادی در حال صحبت درباره‌ی آن بودند. تولید فزاینده یکی از مؤلفه‌های اصلی ایده محسوب می‌شود و نمی‌توانستیم بیست سال پیش آن را انجام دهیم. اکنون می‌توانم فلز را در آزمایشگاه چاپ سه‌بعدی کنم.
بنکاسکی شاید نخستین کسی نباشد که ایده‌ی پیشرانه‌ی حرارتی خورشیدی را مطرح می‌کند؛ اما او معتقد است اولین کسی خواهد بود که نمونه‌ای آزمایشی این موتور را به‌نمایش خواهد گذاشت. بنکاسکی و تیمش هنگام آزمایش نشان دادند که تولید نیروی رانش با استفاده از نور خورشید هنگام عبور آن از درون مجاری جاسازی‌شده در سپر حرارتی امکان‌پذیر است؛ بااین‌حال، آزمایش‌ها محدودیت‌های زیادی داشتند. پژوهشگران از همان مواد یا پیشرانه‌ای استفاده نکردند که در مأموریت واقعی به‌کار خواهد رفت. همچنین، آزمایش‌ها در دمایی بسیار کمتری اتفاق افتاد که کاوشگر میان‌ستاره‌ای تجربه خواهد کرد.
به‌گفته‌ی بنکاسکی، نکته‌ی مهم این است که داده‌ها از آزمایش‌های دمای پایین با مدل‌هایی تطابق داشت که چگونگی عملکرد کاوشگر را پس از اعمال اصلاحات برای مواد متفاوت در مأموریت واقعی پیش‌بینی می‌کند. بنکاسکی می‌گوید:
آزمایش را روی سامانه‌ای انجام دادیم که هیچ‌وقت واقعا پرواز نخواهد کرد. اکنون، گام دوم این است که هریک از این قطعات را با نمونه‌ای جایگزین کنیم که در فضاپیمایی واقعی برای مانور اوبرت به‌کار خواهد رفت.
طرح مفهومی فضاپیمای حرارتی خورشیدی پیش از آمادگی برای استفاده در مأموریت، مسیری طولانی پیش ‌رو دارد. وقتی بنکاسکی و همکارانش در APL گزارش خود را سال آینده ارائه دهند، انبوهی از داده‌ها را به‌دست خواهند آورد که مسیر را برای انجام آزمایش‌ها در فضا هموار می‌کند. تضمینی وجود ندارد که آکادمی ملی طرح مفهومی کاوشگر میان‌ستاره‌ای را به‌عنوان اولولیتی اصلی برای دهه‌ی پیش ‌رو انتخاب کند. بااین‌حال، هر زمان برای ترک قلمرو خورشید آماده شویم، موشک حرارتی به‌احتمال زیاد بلیت خروج ما از منظومه‌ی شمسی خواهد بود.