في العقد الماضي ، تم اكتشاف آلاف الكواكب خارج نظامنا الشمسي. وقد أدى ذلك إلى تجديد الاهتمام باستكشاف الفضاء ، والذي يتضمن إمكانية إرسال المركبات الفضائية لاستكشاف الكواكب الخارجية. نظرًا للتحديات التي تنطوي عليها ، يتم حاليًا استكشاف عدد من المفاهيم المتقدمة ، مثل المفهوم العريق للشراع الخفيف (كما يتضح من اختراق Starshot ومقترحات مماثلة).
ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، اقترح العلماء مفهومًا أكثر فاعلية يُعرف باسم الشراع الكهربائي ، حيث يولد الشراع المكون من شبكة سلكية شحنات كهربائية لتحريف جزيئات الرياح الشمسية ، وبالتالي توليد الزخم. في دراسة حديثة ، قارن عالمان من جامعة هارفارد هذه الأساليب ومقارنتها لتحديد أيهما سيكون أكثر فائدة لأنواع مختلفة من المهام.
الدراسة ، التي ظهرت مؤخرًا على الإنترنت ويتم مراجعتها للنشر من قبل Acta Astronautica، أجراها ماناسافي لينجام وأبراهام لوب - أستاذ مساعد في معهد فلوريدا للتكنولوجيا (FIT) وأستاذ العلوم فرانك بي بيرد جونيور في جامعة هارفارد ومدير معهد النظرية والحساب (ITC) ، على التوالي.
مفهوم الشراع الخفيف هو مبدأ عريق ، حيث تستخدم مركبة فضائية مزودة بصفائح كبيرة من المواد العاكسة الضغط الإشعاعي للنجم (المعروف أيضًا باسم الرياح الشمسية) للتسريع بمرور الوقت. تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التكنولوجيا في أنها لا تتطلب مركبة فضائية لنقل إمدادات الوقود الخاصة بها ، والتي تمثل عادة غالبية كتلة المركبة الفضائية.
هذا مهم بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بالسفر بين النجوم حيث أن كمية كتلة التفاعل اللازمة للوصول إلى جزء صغير من سرعة الضوء (ج) ستكون هائلة. وخلافاً لمفاهيم مثل الدفع بالمواد المضادة أو المفاهيم التي تعتمد على فيزياء لا تزال غير مجربة (أو حتى افتراضية) ، فإن أشرعة الشمس / الضوء تستخدم التكنولوجيا والفيزياء التي تم إثباتها بالكامل في هذه المرحلة.
ميزة أخرى هي حقيقة أنه يمكن تسريع شراع الضوء باستخدام وسائل أخرى غير الإشعاع الشمسي. كما أوضح لينغام لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"يمكن دفع الأشرعة الخفيفة إما بواسطة صفائف الليزر أو الإشعاع الشمسي / النجمي. في كلتا الحالتين ، فإن الميزة الرئيسية لأشرعة الضوء هي أنه لا يحتاج المرء إلى حمل الوقود على متن الطائرة على عكس الصواريخ الكيميائية. هذا يقلل بشكل كبير من كتلة المركبة الفضائية لأن غالبية الكتلة في الصواريخ الكيميائية ترجع إلى الوقود. تنطبق نفس الميزة أيضًا على الأشرعة الكهربائية ".
ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، تم تطوير اختلافات في هذا المفهوم ، مثل الشراع المغناطيسي (المعروف أيضًا باسم "magsails") الذي اقترحه روبرت Zubrin و Dana Andrews في عام 1988 ، والشراع الكهربائي الذي اقترحه Pekka Janhunen في عام 2006. في حالة الأول ، حلقة فائقة التوصيل ستولد مجالًا كهربائيًا بينما الثاني سيولد مجالًا مغناطيسيًا عبر شراع من الأسلاك الصغيرة - وكلاهما سيطرد الرياح الشمسية.
هذه المفاهيم لها بعض الاختلافات الملحوظة عن الأشرعة الشمسية أو الخفيفة التقليدية. كما أوضح لينغام:
"تعتمد الأشرعة الكهربائية على نقل الزخم من جسيمات الرياح الشمسية / النجمية المشحونة (البروتونات في مثالنا) من خلال تشتيتها عبر الحقول الكهربائية ، بينما تعتمد الأشرعة الخفيفة على نقل الزخم من الفوتونات المنبعثة من النجم. وهكذا ، فإن رياح النجم تقود الأشرعة الكهربائية ، بينما الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من النجم يقود الأشرعة الخفيفة. "
ومن المثير للاهتمام أن الأشرعة المغناطيسية اعتبرها بعض الباحثين وسيلة ممكنة لإبطاء الشراع الخفيف عند اقترابه من وجهته. أحد هؤلاء الأفراد هو البروفيسور كلاوديوس جروس من معهد الفيزياء النظرية جامعة جوته في فرانكفورت وأندرياس هاين وكلفن ف. لونج - الباحثون الرئيسيون في مشروع Dragonfly (مفهوم مشابه اختراق Starshot).
جميع المفاهيم الثلاثة قادرة على تحويل الإشعاع المنبعث من النجوم إلى زخم ولكنها تأتي أيضًا بنصيبها من العيوب. بالنسبة للمبتدئين ، تعتمد الأشرعة الكهربائية إلى حد كبير على خصائص النجوم المضيفة لها. من ناحية أخرى ، تصبح الأشرعة الخفيفة غير فعالة إلى حد كبير عندما يتعلق الأمر بالنجوم من النوع M (القزم الأحمر) لأن ضغط الإشعاع ليس مرتفعًا بما يكفي لتوليد سرعة كافية للهروب من نظام النجوم.
هذه مسألة مقيدة إلى حد ما ، حيث ترى كيف أن الأقزام منخفضة الكتلة والمنتشرة للغاية من النوع M تمثل الغالبية العظمى من النجوم في الكون - تمثل 75 ٪ من النجوم في درب التبانة. كما أن الأقزام الحمراء طويلة العمر بشكل لا يصدق مقارنة بالفئات الأخرى من النجوم ويمكن أن تظل في تسلسلها الرئيسي لمدة تصل إلى 10 تريليون سنة. لذلك ، يفضل استخدام نظام دفع يمكنه استخدام أنظمة الأقزام الحمراء على النطاقات الزمنية الأطول.
نظرًا لهذه الاعتبارات ، سعى Lingam و Loeb إلى تحديد طريقة السفر بين النجوم التي ستكون الأفضل (الأشرعة الخفيفة أو الأشرعة الإلكترونية) فيما يتعلق بفئات النجوم المختلفة - نوع F (أبيض) ، G- نوع (أصفر) ، K- اكتب (برتقالي) ، ونجوم من نوع M. بعد أخذ خصائص الإشعاع لكل فئة بعين الاعتبار ، أخذوا في الاعتبار الكتلة المحتملة للمركبة الفضائية - بناءً على المعلمات التي حددتها اختراق Starshot.
ما وجدوه هو أن مركبة فضائية مقترنة بشراع كهربائي يمثل وسيلة أفضل للدفع بالقرب من معظم أنواع النجوم ، وليس فقط لمركبة فضائية بمقياس جرام مثل (وهو ما يسمى بـ Starshot). ومع ذلك ، وجدت حسابات Lingam و Loeb أيضًا أن المركبة الفضائية الشراعية الكهربائية ستستغرق وقتًا أطول بكثير للوصول إلى أنواع السرعات التي تجعل السفر بين النجوم عمليًا.
"بدلاً من ذلك ، إذا نظر المرء إلى الأشرعة الخفيفة التي تعمل بمصفوفات الليزر (مثل Breakthrough Starshot) ، فمن الممكن عندئذ تحقيق سرعات نسبية (على سبيل المثال ، 10٪ سرعة الضوء) عبر أشرعة الضوء ؛ في المقابل ، فإن الأشرعة الكهربائية التي تعمل بالرياح النجمية تحقق سرعات تبلغ 0.1٪ فقط من سرعة الضوء.
بينما يمكن أن يحقق الشراع الكهربائي 0.1 ج في نهاية المطاف ، من تحقيق قرب متكرر من النجوم بشكل متكرر ، قدروا أن هذا سيستغرق 10000 لقاء على مدى مليون سنة. كما قال Lingam:
"[E] أشرعة المحاضرات تمثل وسيلة فعالة للقيام بالسفر بين النجوم. ومع ذلك ، فإن أي أنواع تكنولوجية ترغب في استخدام هذه الطريقة يجب أن تكون طويلة الأمد لأن هذه العملية بأكملها لتحقيق السرعات النسبية تتطلب حوالي مليون سنة. إذا كانت هذه الأنواع طويلة العمر موجودة بالفعل ، فإن الأشرعة الكهربائية تمثل وسيلة ملائمة إلى حد ما وموفرة للطاقة لاستكشاف درب التبانة على مدى فترات زمنية طويلة (ملايين السنين).
في حين أن مليون سنة ليست أكثر من مجرد غمضة عين من الناحية الكونية ، فهي طويلة بشكل لا يصدق من حيث عمر الحضارات - على الأقل من خلال لنا المعايير. كنوع ، كانت البشرية موجودة منذ حوالي 200،000 سنة ولا تسجل سوى تاريخها لحوالي 6000. أكثر من ذلك ، نحن فقط حضارة ترتاد الفضاء لمدة 60 عامًا الماضية.
إرجو ، الشراع الذي يمكن تسريعه بواسطة الليزر يظل الوسيلة الأكثر عملية لاستكشاف الكواكب الخارجية في حياتنا. هناك أثر آخر لهذه الدراسة هو كيف يمكن أن يفيد البحث عن الذكاء خارج الأرض (SETI). عند البحث في الكون عن علامات النشاط التكنولوجي (المعروف أيضًا باسم التوقيعات التكنولوجية) ، يضطر العلماء للبحث عن العلامات التي سيتعرفون عليها.
نظرًا لفوائد الشراع الكهربائي ، فمن الممكن أن تفضل حضارة خارج كوكب الأرض هذه التكنولوجيا على تقنيات مماثلة. كما أوضح البروفيسور لوب لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"تشير حساباتنا إلى أن الحضارات المتقدمة من المرجح أن تفضل استخدام الأشرعة الكهربائية على الأشرعة الخفيفة للدفع الذي يعتمد على الناتج الطبيعي للنجوم في شكل الرياح أو الإشعاع. ومع ذلك ، إذا رغبت حضارة تكنولوجية في تحقيق سرعات أو إطلاق شحنات كبيرة لا يمكن دفعها من خلال الطاقة التي ينتجها نجمها المضيف ، فمن المرجح أن تفضل الأشرعة الخفيفة التي يتم دفعها بواسطة شعاع الضوء المنتج بشكل مصطنع ، مثل شعاع قوي الليزر. الوضع مشابه للاختلاف بين القوارب الشراعية التي تستخدم الرياح المقدمة مجانًا من الطبيعة الأم ، مقارنةً بالقوارب الأكبر أو الأسرع التي يتم دفعها بوسائل اصطناعية مثل المحرك ".
لسوء الحظ ، كما أضاف لوب ، لا يمكن اكتشاف الأشرعة الكهربائية بسهولة على مسافات كبيرة لأنها مصنوعة من شبكات سلكية مكهربة ولا تنبعث منها أي بصمات تكنولوجية واضحة. ويختتم قائلاً: "يجب أن تركز شركة SETI في المقام الأول على البحث عن الأشرعة الخفيفة ، والتي تكون مرئية بسبب تسرب أشعة الضوء خارج حدود الشراع بالقرب من مواقع الإطلاق أو لأنها تعكس ضوء الشمس عندما تمر بالقرب من الشمس ، تمامًا مثل الكويكبات أو المذنبات ذات الحجم المماثل. "
ومع ذلك ، يؤكد Lingam و Loeb أيضًا على أن الأشرعة الكهربائية يمكن أن تكون خيارًا جذابًا لحضارة خارج الأرض لنفس السبب بالضبط. بالإضافة إلى كونها موفرة للطاقة ، فإن الأشرعة الكهربائية لا تخضع لانتشارها وبالتالي يمكن أن تنتقل من نظام نجم إلى آخر دون أن يتم ملاحظتها. حل محتمل لمفارقة فيرمي؟ ربما!
على أي حال ، تشير هذه الدراسة إلى أن خططنا الحالية لاستكشاف أنظمة النجوم المجاورة يجب أن تركز على المفاهيم التي تؤكد السرعة على طول العمر. هذا يعني أن نشر الأشرعة الكهربائية أو المغناطيسية (التي يمكن أن تستمر في استكشاف الكون على مدى دهور) فكرة سيئة ولكن المهمة التي يمكن أن تصل إلى نظام نجمي آخر في حياتنا تبدو الخيار المفضل في الوقت الحالي.
