قرنها انسان برای عبور از اقیانوسها به قدرت باد تکیه میکرد، اما در قرن بیستویکم، ناوبری در خلأ با فناوری کاملاً متفاوتی انجام میشود. فضاپیماهای مدرن بهجای پارچههای ضخیم، از لایههای فوقالعاده نازک و بازتابنده بهره میبرند و بهجای جریان هوا، خود را به فشار مستمر اما نامرئی نور خورشید میسپارند. پیشرانش بادبان خورشیدی (Solar Sail) که زمانی محدود داستانهای علمیتخیلی بود، اکنون به واقعیتی دستیافتنی تبدیل شده است؛ موفقیتی که برنامه لایتسیل (LightSail) و فضاپیمای پیشگام آن، عمدتاً با تأمین مالی مردمی به دست آورد.
بادبان خورشیدی چگونه کار میکند؟
بادبانهای نوری یا فوتونی، روشی نوین برای جابهجایی فضاپیماها محسوب میشوند که بر پایه استفاده از فشار تابشی خورشید بر سطوح وسیع بنا شده است. فرض کنید یک قایق بادبانی در حال حرکت روی آب است؛ فضاپیماهای مجهز به این فناوری نیز دقیقاً با همین مکانیسم، اما با بازتاب نور از روی یک سطح عظیم و براق، در خلأ شتاب میگیرند.
مکانیزم فیزیکی این پیشرانش بسیار شفاف است. نور از بستههای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است. بااینکه فوتونها فاقد جرم هستند، اما دارای تکانه (Momentum) میباشند. ورقههای بزرگ و بازتابنده مانند مایلار (Mylar)، این تکانه را جذب کرده و با بازتاب دادن فوتونها، بخش عمدهای از انرژی جنبشی را به فضاپیما منتقل میکنند. این افقی از نیرو، سفینه را در مسیری مخالف زاویه بازتاب نور به حرکت درمیآورد.
فشار خورشیدی صرفاً یک فرضیه تئوری نیست. این پدیده درمکانیک مداریاثرگذاری کاملاً اثباتشدهای دارد. برای درک بهتر، کافی است بدانید یک فضاپیمای متعارب در مسیر مریخ، بر اثر همین فشار نوری هزاران کیلومتر از مسیر اصلی خود منحرف میشود. مهندسان پروازهای فضایی از دهه ۱۹۶۰ مجبور بودهاند این نیرو را در طراحی مسیر و کنترل جهتگیری سفینههای میانسیارهای لحاظ کنند.
قدرت شگفتانگیز اما ملایم نور
شدت نیروی حاصل از بادبانهای نوری بسیار کم است. یک بادبان خورشیدی با ابعاد 800 در 800 متر، در فاصله مدار زمین تنها حدود 5 نیوتن نیرو دریافت میکند. برای مقایسه، بادبان 9 در 9 متری در پروژه سامانه بادبان خورشیدی کامپوزیتی پیشرفته ناسا، توانایی تولید تنها 0.0007 نیوتن رانش را دارد. به همین دلیل، این فناوری در رده سیستمهای پیشرانش کمرانش جای میگیرد و عملکردی شبیه به فضاپیماهای دارای پیشرانه الکتریکی دارد.
با این وجود، برتری اصلی این روش در دوام بینظیر آن نهفته است:
- عدم نیاز به سوخت: موشکهای شیمیایی رانش قدرتمند اما بسیار کوتاهمدتی تولید میکنند، در حالی که بادبانهای خورشیدی شتابی ضعیف اما دائم ارائه میدهند که سرعت فضاپیما را در گذر زمان به شدت افزایش میدهد.
- عملکرد نامحدود: به دلیل مصرفنشدن هیچگونه material پیشرانه، این نیرو تا زمانی که خورشید یا ستارهای دیگر در دسترس باشد، اعمال میشود و اثر تجمعی آن در طول سالها بسیار چشمگیر خواهد بود.
- اقتصاد و طول عمر بالا: با توجه به نداشتن قطعات متحرک پیچیده و عدم نیاز به حمل سوخت، این فضاپیماها میتوانند بارها برای ارسال بار به مدار مورد استفاده مجدد قرار گگیرند.
- سفرهای میانستارهای: بادبانهای نوری یکی از معدود راهکارهای عملی برای سفر به ستارگان دور هستند. پروژه Breakthrough Initiatives در سال 2016 اعلام کرد که قصد دارد با استفاده از آرایهای از لیزرهای قدرتمند زمینی، بادبانهای میکرونی را به سمت آلفا قنطورس (نزدیکترین منظومه ستارهای) بفرستد.
از رویاهای کپلر تا واقعیت تاریخی
ایده استفاده از نور برای حرکت در فضا، قدمتی چهارقرنه دارد. یوهانس کپلر، ستارهشناس برجسته، هنگام مشاهده اینکه دنباله دنبالهدارها همواره در جهت مخالف خورشید قرار دارد، به وجود این نیرو پی برد. او در نامهای به گالیله در سال 1610 نوشت: «کشتیها یا بادبانهایی متناسب با نسیمهای آسمانی فراهم کنید؛ آنگاه کسانی خواهند بود که از این فضای تهی نهراسند.»
پایههای ریاضی و فیزیکی این مفهوم در سالهای 1861 تا 1864 با انتشار نظریه الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول شکل گرفت و اثبات کرد که نور تابشی میتواند فشار فیزیکی اعمال کند.
تلاشهای عملی برای ساخت چنین سفینهای در اوایل دهه 2000 با شکستهایی همراه بود، اما سرانجام در سال 2015 و 2019، انجمن سیارهای (The Planetary Society) با پرتاب فضاپیماهای لایتسیل 1 و 2، موفق شد این فناوری را به طور کامل در مدار زمین اثبات کند. لایتسیل 2 نشان داد که میتوان صرفاً با کنترل زاویه بادبان نسبت به خورشید، ارتفاع مدار فضاپیما را بهطور هدفمند افزایش داد.
آینده کاوشهای عمیق فضایی به شدت بهابزارهایی وابسته است که نیازی به تامین سوخت سنگین از زمین ندارند. با تکامل تدریجی ساختارهای کامپوزیتی و توسعه پرتوهای لیزری هدایتشده، ناوگانهای بادبانی سالهای آینده میتوانند به دیدهبانهای ثابت خورشیدی یا کاوشگرانی در آستانه مرز منظومه شمسی تبدیل شوند؛ جایی که موشکهای سنتی هرگز قادر به رسیدن به آن نخواهند بود.
