سفر به فضای میان ستاره ای امکان پذیر می شود - وبلاگ روزنوشت

به گزارش وبلاگ روزنوشت، جیسون بنکاسکی، پژوهشگر آزمایشگاه فیزیک کاربردی (APL) در دانشگاه جانز هاپکینز، چندی پیش به همراه همکارانش وسیله ای آزمایش کرد که ممکن است روزی راستا رسیدن ما به فضای میان ستاره ای را هموار کند.

به گزارش وبلاگ روزنوشت و به نقل از زومیت، این ابزار شبیه سازی خورشیدی است که به اندازه بیست خورشید می تواند بدرخشد. وقتی شبیه ساز حین آزمایش به شدت داغ شد، بنکاسکی پمپاژ هلیوم مایع به لوله کوچک جاسازشده درون ورقه ای 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.

وسیله موجود در آزمایشگاه فیزیک کاربردی شباهت زیادی به پیشرانه حرارتی خورشیدی ندارد؛ اما بنکاسکی و تیمش عملکرد تقریبی این سامانه را با آزمایش یادشده آزمودند. پیشرانه حرارتی خورشیدی موتور موشکی فرضی است که از حرارت خورشید نیرو می گیرد و به باور پژوهشگران، می تواند عنصری ضروری در کاوش های میان ستاره ای باشد.

تا امروز، تنها دو فضاپیمای وویجر 1 و وویجر 2 منظومه شمسی ما را ترک کرده اند. بااین حال، ورود دو فضاپیما به فضای میان ستاره ای پاداشی علمی پس از اتمام مأموریت اصلی آن ها در کاوش مشتری و زحل به حساب می آید. هیچ کدام از فضاپیماهای وویجر برای مطالعه مرز بین قلمرو کیهانی ما و سایر بخش های جهان به ابزار مناسب مجهز نیستند. همچنین، دوقلوهای وویجر با سرعت تقریبا 48 هزار کیلومتربرساعت، آن چنان آهسته حرکت می کنند که گریز از تأثیر خورشید برایشان نزدیک به نیم قرن طول کشید.

داده هایی که فضاپیماهای وویجر از لبه منظومه شمسی فرستاده اند، هیجان انگیز است. این اطلاعات نشان داده اند که بخش عمده ای از پیش بینی های فیزیک دانان درباره مرز محله کیهانی ما اشتباه بود. ازاین رو، گروهی عظیم از اخترفیزیک دانان و کیهان شناسان و دانشمندان سیاره شناس مصرانه به دنبال ساخت کاوشگر اختصاصی میان ستاره ای برای کاوش این محدوده کشف نشده هستند.

سال 2019، ناسا آزمایشگاه فیزیک کاربردی را مسئول مطالعه طرح های مفهومی برای مأموریت اختصاصی میان ستاره ای کرد. در سرانجام سال بعدی، تیم این آزمایشگاه پژوهشش را در بررسی ده سالانه آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی ارائه خواهد داد. این بررسی اولویت های علمی ده سال آینده مرتبط با خورشید را معین خواهد کرد. پژوهشگران آزمایشگاه فیزیک کاربردی مشغول کار روی برنامه کاوشگر میان ستاره ای هستند و تمام جنبه های این مأموریت از برآورد هزینه تا ابزارها را مطالعه می کنند. بااین حال، صرفا فهمیدن اینکه چگونه می توان در زمانی معقول به فضای میان ستاره ای رسید، تا امروز عظیم ترین و مهم ترین بخش پازل بوده است.

لبه منظومه شمسی با نام هلیوسفر منطقه ای به شدت دور از دسترس است. زمانی که فضاپیما به پلوتو برسد، تنها یک سوم از جهت رسیدن به فضای میان ستاره ای را پیموده است. تیم APL طرح مفهومی کاوشگری را مطالعه می کند که سه برابر دورتر از لبه منظومه شمسی خواهد رفت و با صرف نصف زمان سپری شده برای رسیدن وویجر به هلیوسفر، این سفر تقریبا 80 میلیارد کیلومتری را انجام خواهد داد. برای اجرای این نوع مأموریت، پژوهشگران به کاوشگری نیازمند خواهند بود که به کلی با هر نمونه ساخته شده تا به امروز تفاوت دارد. بنکاسکی می گوید:

فضاپیمایی می خواهیم که سریع تر و دورتر خواهد رفت و بیش از هر کاوشگر ساخته شده تا امروز به خورشید نزدیک خواهد شد. این مأموریت همانند سخت ترین کاری است که احتمالا می توانید انجام دهید.

در اواسط نوامبر، پژوهشگران کاوشگر میان ستاره ای در کنفرانس اینترنتی یک هفته ای شرکت کردند تا هم زمان با ورود مطالعه به سال سرانجامی اش، به روزرسانی ها درباره آن را به اشتراک بگذارند. در کنفرانس، تیم هایی از APL و ناسا نتایج کار خود روی پیشرانه حرارتی خورشیدی را به اشتراک گذاشتند که به باورشان، سریع ترین راه برای رساندن کاوشگر به فضای میان ستاره ای است. ایده چنین پیشرانه ای این است که موشک به جای احتراق، نیروی خود را از گرمای خورشید تأمین کند. براساس برآوردهای بنکاسکی، این موتور سه برابر بهینه تر از بهترین پیشرانه های شیمیایی مرسومی است که امروزه دردسترس هستند. بنکاسکی می گوید ازنظر فیزیکی، این تصور برایش بسیار سخت است که موتوری بتواند پیشرانه حرارتی خورشیدی را در زمینه بهینگی شکست دهد.

برخلاف موتور مرسوم که در سرانجامی موشک نصب می شود، پیشرانه حرارتی خورشیدی که پژوهشگران در حال مطالعه آن هستند، با سپر فضاپیما ادغام خواهد شد. این پوسته سخت و تخت از فوم کربن سیاه ساخته و یک طرف آن با مواد بازتابنده سفید پوشانده می شود. از بیرون، این پوسته به سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر شباهت زیادی خواهد داشت؛ اما تفاوت مهم لوله کشی پیچ وخم دار نهفته زیر سطح آن است. اگر کاوشگر میان ستاره ای از نزدیکی خورشید گذر کند و هیدروژن را به درون لوله های سپرش بکشاند، هیدروژن منبسط و از نازل سرانجامی لوله مشتعل خواهد شد و درنهایت، سپر حرارتی نیروی رانش ایجاد خواهد کرد.

ایده مذکور از نظر تئوری ساده، اما پیاده سازی آن درعمل فوق العاده سخت است. موشک حرارتی خورشیدی فقط درصورتی کارآمد است که پیروز شود مانور اوبرت را انجام دهد؛ حرکتی مداری که خورشید را به پرتابگری عظیم تبدیل می کند. گرانش خورشید همانند تقویت کننده نیرو عمل می کند و اگر فضاپیما هنگام چرخیدن به دور خورشید موتورهایش را روشن کند، سرعت آن را به نحو چشمگیر افزایش می دهد. هرچه فضاپیما حین مانور اوبرت به خورشید نزدیک تر شود، سریع تر حرکت خواهد کرد. در مأموریتی که APL طراحی کرده است، کاوشگر میان ستاره ای به فاصله تنها 1/6 میلیون کیلومتر از سطح جوشان خورشید خواهد رسید.

در مقام مقایسه باید اشاره کرد وقتی کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا در سال 2025 نزدیک ترین گذرش را از کنار خورشید انجام دهد، در فاصله تقریبا 6/5 میلیون کیلومتری از سطح آن خواهد بود و در سرعت نزدیک به 69 هزار کیلومتربرساعت، خورشید را مطالعه خواهد کرد. این تقریبا دو برابر سرعتی محسوب می شود که کاوشگر میان ستاره ای قصد دارد به آن دست یابد. کاوشگر خورشیدی پارکر سرعت یادشده را با کشش گرانشی خورشید و زهره در طول جهتی هفت ساله به دست خواهد آورد. کاوشگر میان ستاره ای در گردشی به دور خورشید باید سرعت خود را از تقریبا 48 هزار کیلومتربرساعت به حدود 321 هزار کیلومتربرساعت برساند که این امر مستلزم نزدیکی بیش از حد به خورشید است.

دین شیک، کارشناس مواد در آزمایشگاه پیش رانش جت ناسا، به تازگی در کنفرانسی مطالعه ای موردی درباره موشک حرارتی خورشیدی ارائه داد. او می گوید نزدیک شدن به انفجاری گرماهسته ای به اندازه خورشید مشکلاتی مختلفی برای مواد به وجود می آورد. برای مأموریت APL، کاوشگر با انجام مانور اوبرت نزدیک به دوونیم ساعت را در دمای تقریبی 2،500 درجه سانتی گراد سپری خواهد کرد.

این میزان گرما به راحتی می تواند سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر را ذوب کند؛ درنتیجه، تیم شیک در ناسا مواد جدیدی پیدا کرده است که می تواند سطح بیرونی را بپوشاند تا انرژی حرارتی را بازتاب دهد. این پوشش در ترکیب با اثر خنک کنندگی هیدروژن در حال جریان درون لوله های سپر حرارتی، کاوشگر میان ستاره ای را هنگام نزدیکی بیش از حد به خورشید خنک می کند. شیک می گوید: می خواهید مقدار انرژی در حال بازتاب را به حداکثر برسانید. حتی تفاوت های کوچک در بازتابندگی مواد، افزایش چشمگیر گرمای فضاپیما را شروع می کند.

مشکل عظیم تر کنترل جریان هیدروژن داغ درون لوله ها است. هیدروژن در دمای بسیار زیاد به کلی باعث خوردگی هسته کربنی سپر حرارتی می شود؛ درنتیجه به منظور اجتناب از این امر، داخل لوله ها را باید با مواد قدرتمندتر پوشاند. تیم پژوهشی چند ماده را شناسایی کرده است که می توانند وظیفه محافظت را برعهده بگیرند؛ اما داده های چندانی درباره عملکرد آن ها، به ویژه در دمای بسیار شدید موجود نیست. شیک می گوید: مواد زیادی وجود ندارد که بتواند نیازهای ما را برآورده کند. این محدودیت از برخی جهات مطلوب است؛ زیرا باید همان چند نمونه معدود را بررسی کنیم. درعین حال نامطلوب هم است؛ زیرا گزینه های چندانی دراختیار نداریم.

به گفته شیک، عامل بازدارنده عظیم در پژوهش این است که پیش از فرستادن موشک حرارتی خورشیدی به پیرامون خورشید، آزمایش های فراوانی روی مواد سپر حرارتی باید انجام شود؛ اما این مسئله موجب کنارگذاشتن مأموریت نمی شود. درواقع، پیشرفت های خیره کننده در علم مواد موجب شده است اکنون ایده موشک حرارتی خورشیدی درمقایسه با زمان طرح آن به وسیله مهندسان نیروی هوایی آمریکا در بیش از 60 سال گذشته، دست یافتنی تر به نظر آید. بنکاسکی می گوید:

تصور کردم به طورمستقل در ذهنم به این ایده رسیدم؛ اما در سال 1956، افرادی در حال صحبت درباره آن بودند. تولید فزاینده یکی از مؤلفه های اصلی ایده محسوب می شود و نمی توانستیم بیست سال پیش آن را انجام دهیم. اکنون می توانم فلز را در آزمایشگاه چاپ سه بعدی کنم.

بنکاسکی شاید نخستین کسی نباشد که ایده پیشرانه حرارتی خورشیدی را مطرح می کند؛ اما او معتقد است اولین کسی خواهد بود که نمونه ای آزمایشی این موتور را به نمایش خواهد گذاشت. بنکاسکی و تیمش هنگام آزمایش نشان دادند که تولید نیروی رانش با استفاده از نور خورشید هنگام عبور آن از درون مجاری جاسازی شده در سپر حرارتی امکان پذیر است؛ بااین حال، آزمایش ها محدودیت های زیادی داشتند. پژوهشگران از همان مواد یا پیشرانه ای استفاده نکردند که در مأموریت واقعی به کار خواهد رفت. همچنین، آزمایش ها در دمایی بسیار کمتری رخ داد که کاوشگر میان ستاره ای تجربه خواهد کرد.

به گفته بنکاسکی، نکته مهم این است که داده ها از آزمایش های دمای پایین با مدل هایی تطابق داشت که چگونگی عملکرد کاوشگر را پس از اعمال اصلاحات برای مواد متفاوت در مأموریت واقعی پیش بینی می کند. بنکاسکی می گوید:

آزمایش را روی سامانه ای انجام دادیم که هیچ وقت واقعا پرواز نخواهد کرد. اکنون، گام دوم این است که هریک از این قطعات را با نمونه ای جایگزین کنیم که در فضاپیمایی واقعی برای مانور اوبرت به کار خواهد رفت.

طرح مفهومی فضاپیمای حرارتی خورشیدی پیش از آمادگی برای استفاده در مأموریت، جهتی طولانی پیش رو دارد. وقتی بنکاسکی و همکارانش در APL گزارش خود را سال آینده ارائه دهند، انبوهی از داده ها را به دست خواهند آورد که جهت را برای انجام آزمایش ها در فضا هموار می کند. تضمینی وجود ندارد که آکادمی ملی طرح مفهومی کاوشگر میان ستاره ای را به عنوان اولولیتی اصلی برای دهه پیش رو انتخاب کند. بااین حال، هر زمان برای ترک قلمرو خورشید آماده شویم، موشک حرارتی به احتمال زیاد بلیت خروج ما از منظومه شمسی خواهد بود.