آیا استفاده از پیشرانه های لیزری برای سفرهای فضایی امکان پذیر است؟

امروزه دانشمندان برای اکتشافات بیشتر در اعماق فضا برنامه‌ریزی می‌کنند؛ اما تکنولوژی امروزی موشک‌ها مناسب سفرهای فضایی به مریخ و فراتر از آن نیست. با پیشرانه‌های مرسوم امروزی، رسیدن به نزدیک‌ترین نقطه‌ی سیاره‌ی سرخ بیش از ۵ ماه به طول می‌انجامد. اما پیشرانه‌های نوری می‌توانند گره‌گشای این مسئله باشند. این درواقع ایده‌ای است که دانشمند ناسا، فیلیپ لوبین (Philip Lubin) از دانشگاه کالیفرنیا به آن باور دارد.

لوبین اخیرا ایده‌ی خود را به‌صورت یک ویدیو به ناسا پیشنهاد کرده است. طرح  او و تیمش توانست جایزه‌ی ایده‌های پیشرفته‌ی ناسا موسوم به NIAC را به خود اختصاص دهد و با دریافت جایزه‌ی ۱۰۰ هزار دلاری، لوبین اکنون می‌تواند جزییات طرح خود را آماده و تست‌های مقدماتی را شروع کند. این پروژه، پیشرانه‌ی انرژی مستقیم برای اکتشافات بین ستاره‌ای یا DEEP-IN نام گرفته است. با استفاده از این روش، یک فضاپیما می‌تواند در سه روز به «نزدیک‌ترین نقطه‌ی مریخ به زمین» برسد. این طرح شامل جایگذاری یک سیستم لیزری در مدار زمین است، که البته می‌تواند مصارف دیگری مانند حفاظت از زمین برابر سیارک‌ها را نیز داشته باشد.


پیشرانه‌ی این سیستم متشکل از یک بادبان خورشیدی است که توسط لیزر به جلو رانده می‌شود. بادبان خورشیدی درواقع یک سطح نازک از مواد سبک است که می‌تواند فوتون‌های نور منعکس‌شده از سطوح مختلف را جذب کند و فضاپیما را به‌پیش ببرد؛ درست همان‌طور که یک بادبان کشتی می‌تواند بادها را جذب کند. تاکنون دو مورد آزمایش موفق روی بادبان‌های خورشیدی انجام شده است؛ یک مورد توسط سازمان فضایی ژاپن(JAXA) در سال ۲۰۱۰ و دیگری در سال ۲۰۱۲ توسط ناسا.

با توجه به این‌که فضاپیمای مجهز به چنین پیشرانه‌ای هیچ‌گونه سوختی با خود حمل نخواهد کرد، بنابراین بسیار سبک است و می‌تواند به مدت طولانی‌تری با سرعت زیاد حرکت کند. سرعت چنین وسیله‌ای می‌تواند تا حدی به‌سرعت نور نزدیک شود. آن‌طور که از نظریه‌های انیشتین استدلال می‌شود؛ هر شیئی که سریع‌تر حرکت می‌کند، زمان برای آن کندتر سپری می‌شود. بنابراین هرچه به سرعت نور نزدیک‌تر شویم، زمان آهسته‌تر جلو به‌پیش خواهد رفت.

اما پرسشی که در اینجا احتمالا برای شما هم مطرح شود؛ این است که چنین فضاپیمایی با چه سرعتی می‌تواند حرکت کند؟ گفته می‌شود یک فضاپیمای کم‌عرض با پیشرانه‌ی نوری می‌تواند با سرعت ۱۰۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت کند؛ این رقم درواقع سرعتی معادل ۳۰ درصد سرعت نور است. برای درک مقیاس این رقم بدانید که سفینه‌ی وویجر ۱ در حال حاضر با ۰.۰۰۶ درصد سرعت نور حرکت می‌کند. لوبین در مقاله‌ای جداگانه نوشته است:

رانش الکترومغناطیسی تنها توسط سرعت نور محدود می‌شود؛ در حالی که سیستم‌های شیمیایی توسط میزان انرژی تولیدی محدود شده‌اند.
کل این پروژه شاید به نظر همانند یک فیلم علمی‌تخیلی به نظر برسد. اما لوبین بر این باور است که تکنولوژی فوق هم‌اکنون نیز وجود دارد؛ فقط باید در ابعاد بزرگ‌تری استفاده شود. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که ناسا اولین مأموریت جدی ناسا برای مریخ را برای سال ۲۰۳۰ برنامه‌ریزی کرده است. آن‌طور که لوبین می‌گوید، یک کاوشگر ۱۰۰ کیلوگرمی رباتیک می‌تواند در عرض سه روز به مریخ برسد. اما یک سفینه‌ی سرنشین‌دار شاید در عرض یک ماه به مریخ برسد، یعنی چهار ماه کوتاه‌تر از هر تکنولوژی دیگر.

سفر به مریخ تنها شروع کار است. ساخت چنین تکنولوژی می‌تواند افق‌های جدیدتری پیش روی دانشمندان قرار دهد. در گردهمایی NIAC در سال ۲۰۱۵، لوبین در مورد طرح خود گفت:

در مسافت ۲۵ سال نوری از کره‌ی زمین، چندین سیاره‌ و شی‌ء فضایی قابل سکونت وجود دارد.
برای مثال منظومه‌ی ستاره‌ای Alpha Centauri در فاصله‌ی ۴ سال نوری زمین قرار دارد؛ اما لوبین معتقد است که یک کاوشگر کوچک با پیشرانه‌ی نوری می‌تواند در عرض ۱۷ سال به آنجا برسد.

باید توجه داشته باشیم که این تکنولوژی برای استفاده در فضاپیماهای کوچک بدون سرنشین مناسب است. فرستادن یک ربات با هوش ‌مصنوعی به کهکشان با چنین سرعتی می‌تواند سودمند باشد؛ زیرا می‌توان اطلاعات زیادی جمع‌آوری کرد. حتی شاید بتوانیم دنیاهای قابل سکونت دیگری را نیز پیدا کنیم. اما با وجود این موضوع، هنوز چالش‌هایی جدی در مسیر توسعه‌ی تکنولوژی یادشده وجود دارد. برای مثال، یکی از این چالش‌ها به این صورت است که واقعا به چه شکلی می‌توان اطلاعات جمع‌آوری‌شده را به زمین مخابره کرد؟ برقراری ارتباط با زمین می‌تواند مسئله‌ای چالش‌بر‌انگیز برای دانشمندان باشد. مسئله‌ی دیگر این است که باید لیزری قدرتمند برای به‌پیش ‌بردن سفینه‌ها ساخته شود و درنهایت هم باید تدبیری برای کاهش سرعت سفینه هنگام رسیدن به مقصدش اندیشیده شود.

علاوه بر پیشرانه‌های نوری، مدل‌های دیگری نیز در حال توسعه هستند. یکی از این مدل‌ها که اخیرا توجه زیادی به خود جلب کرد، EM Drive نام دارد که یک سیستم شتاب‌دهی الکترومغناطیس است. آزمایش‌های اولیه‌ی این مدل با موفقیت همراه بوده است؛ ولی با وجود موفقیت‌های اولیه، هیچ‌کس نحوه‌ی کارکرد آن را به‌طور دقیق نمی‌داند. یک مدل دیگر، موشک ضدماده است که توسط رایان ویید (Ryan Weed)، مدیرعامل شرکت Positron Dynamics ارائه شده است. آن‌طور که ویید می‌گوید، این موشک می‌تواند در طی سه ثانیه یک دور پیرامون زمین گردش کند و به‌جای اینکه چندین ماه برای رسیدن به مریخ زمان نیاز داشته باشد، تنها در عرض چند هفته به آن برسد. این سیستم از الکترون و پوزیترون استفاده می‌کند. برهم‌کنش این دو ذره، چنان انرژی عظیمی آزاد می‌کند که می‌تواند سرعت ۱۱۶ میلیون کیلومتر در ساعت را به ارمغان آورد. در همین حین، پیشرانه‌های یونی حال حاضر ناسا دارای حداکثر سرعت ۳۲۲ هزار کیلومتر در ساعت هستند. اما هزینه‌ی استفاده از چنین سیستمی سرسام‌آور است، چرا که هر کیلوگرم از این وسیله ۱۲,۵۰۰ یورو هزینه خواهد داشت.

ما حداقل به‌صورت نظری می‌توانیم پیشرانه‌ی نوری را درک کنیم. این پیشرانه نسبت به مدل‌های دیگر ارزان‌تر است، با این حال ممکن است به یک دسته مغناطیس‌های ابررسانا نیاز باشد که هزینه‌ی ساخت آن‌ها بالا است. با این وجود، طرح لوبین می‌تواند به شیوه‌‌ای اقتصادی توسعه داده شود. در حال حاضر به نظر می‌رسد که پیشرانه‌های مبتنی بر لیزر می‌تواند باعث برداشته شدن قدم‌های بزرگ در تاریخ بشریت شود؛ با این تکنولوژی می‌توان بیشتر در منظومه‌ی شمسی خود و در دیگر منظومه‌ها و حتی در سال‌ها و قرن‌های آینده، در سایر بخش‌های کهکشان راه ‌شیری به اکتشاف پرداخت.

ردپای سیاره های فراخورشیدی اطراف یک ستاره جوان یک سیاره شبیه زمین باید دارای چه مشخصه هایی باشد؟