شوتي شوتي شيبتي (طاقة شمسية)

الأشرعة الشمسية، التي تعمل بالإشعاع والقادرة على التحرك في الفضاء وتكون بمثابة مصدر دفع للمركبات الفضائية، لم تعد خيالًا علميًا. حول الأشرعة الشمسية والتطبيقات الفضائية المقابلة لها

طال عنبار، نُشر المقال في عدد أغسطس 2008 من مجلة غاليليو

في قصة الخيال العلمي القصيرة "الريح تهب من الشمس" (التي كتبت عام 1963)، يقول آرثر سي. كلارك سباق الأشرعة الشمسية من الأرض إلى القمر والعودة. ورأى كلارك في رؤيته الخيالية خلق رياضة جديدة للمليارديرات - الرحلات الفضائية التي تعتمد على اندفاع الفوتونات التي تضرب الأشرعة العملاقة الرقيقة. تبلغ القوة التي تمارسها الفوتونات حوالي 5,000 مرة أكبر من قوة دفع جزيئات الرياح الشمسية، والتي تضرب الشراع أيضًا (ومع ذلك، هناك تصميمات لأشرعة شمسية خاصة ستستخدم الرياح الشمسية أيضًا).

حتى الآن لا توجد مسابقات لرحلات الفضاء المأهولة باستخدام الفوتونات أو الرياح الشمسية كقوة دافعة، ولكن تم بناء مركبات فضائية غير مأهولة تستخدم هذه الفكرة. تم إطلاق إحداها إلى الفضاء، ولكن بسبب فشل مركبة الإطلاق، لم تتمكن من الوصول إلى المدار ونشر أشرعتها.

إن حلم الأشرعة الشمسية هو حلم نظري بالفعل، ولكن في المؤتمرات العلمية والدراسات المختلفة يبدو واعدًا جدًا - خاصة بالنسبة للبعثات البحثية غير المأهولة للنظام الشمسي، والتي يمكن أن تستفيد من توفير كبير في كتلة المركبة الفضائية، وبالتالي أيضًا في تكاليف الإطلاق. في هذه المقالة سوف نستعرض بإيجاز مجال الأشرعة الشمسية والتطبيقات الفضائية المقابلة لها. (في الأشرعة الشمسية أنظر أيضاً مقالة "الرفع على أجنحة الريح الشمسية")

الشراع الشمسي - ما هو؟

الشراع الشمسي هو سطح كبير ذو انعكاسية عالية للإشعاع (على سبيل المثال، الضوء في النطاق المرئي)، قادر على التحرك في الفضاء ويكون بمثابة مصدر دفع للمركبات الفضائية. تم طرح الفكرة الأصلية للشراع الشمسي من قبل عالم الصواريخ الروسي فريدريش تساندر في عام 1920. وبالمناسبة، كان تساندر هو الذي صمم أول صاروخ يعمل بالوقود السائل من الاتحاد السوفيتي.

الأساس الفيزيائي للأشرعة الشمسية هو حقيقة أن الإشعاع الذي يضرب أي جسم يؤثر عليه بقوة. نوع الإشعاع ليس مهما، ويمكن أن يكون في مجالات الضوء المرئي، الأشعة تحت الحمراء، الموجات الدقيقة، الخ. ستكون الأشرعة الشمسية التي ستعمل في الفضاء قادرة على استخدام إشعاع الشمس أو بدلاً من ذلك شعاع الليزر أو موجات الراديو التي سيتم إرسالها إليها من الأرض أو القمر أو الأقمار الصناعية.

إن القوة التي يمارسها إشعاع الشمس على المسافة منها حيث تكون الأرض (متوسط ​​مسافة حوالي 150 مليون كيلومتر) ضئيلة - حوالي تسعة ملايين نيوتن لكل متر مربع من المواد العاكسة. ومن ثم، يجب أن يكون الشراع الشمسي مزودًا بشراع ذي مساحة سطحية كبيرة، ويجب أن تكون كتلته صغيرة قدر الإمكان، لاستخدام طريقة الدفع هذه.

إن كفاءة الشراع الشمسي تعتمد على قدرته على عكس الإشعاع. ومع انعكاس المزيد من الإشعاع منه (أي امتصاص كمية أقل من الإشعاع)، فإن الدفع الذي يوفره الشراع سيزداد. إذا أردنا تقليل مساحة الشراع فيمكننا استخدام مصدر إشعاع صناعي مثل الليزر. كما أن استخدام مصدر إشعاع صناعي سيجعل من الممكن تركيز شعاع الضوء على الشراع بشكل فعال، وهو ما من شأنه أن يقلل من مساحة الشراع. وفي الوقت نفسه، يجب أن نتذكر أن الأشرعة الشمسية التي ستعكس ضوء الشمس لن تعتمد على مصدر خارجي للإشعاع من مصدر اصطناعي، وبالتالي تبسيط العملية في الفضاء.

مما ستصنع أشرعة الشمس؟

والمتطلبات الفنية للشراع هي الكتلة المنخفضة والقدرة العالية على عكس الإشعاع والقدرة على تخزينه في حالة مطوية ونشره في الفضاء. إن المادة التي ينظر إليها حاليا على أنها الأنسب للأشرعة الشمسية التي تعكس ضوء الشمس هي شبكة رقيقة من الألومنيوم، بها ثقوب صغيرة يبلغ قطرها نصف الطول الموجي الذي نرغب في إعادته.

سوف تنبعث المطبات النانومترية من الأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء. هذه المادة موجودة اليوم، لكن قوتها الميكانيكية ليست كافية للطي (في مرحلة الإطلاق) والتقاعد في الفضاء. استخدمت سفينة الفضاء كوزموس 1، وهي أول شراع شمسي، صفائح مايلر (مادة بلاستيكية) مغلفة بالألمنيوم (على غرار "بطانية الهروب" المعروفة لدى المسافرين والجنود والرياضيين). نجحت اليابان في اختبار سحب شراع شمسي صغير مصنوع من مادة مايلر من الخدمة لأغراض تجريبية في أغسطس 2004.

مميزات الأشرعة الشمسية

يتم تسريع سفن الفضاء التي نستخدمها في المرحلة الأولى من رحلتها إلى الفضاء عن طريق الصواريخ، مما يمنحها سرعة كافية للدخول في مدار حول الأرض (حوالي ثمانية كيلومترات في الثانية). ومع ذلك، إذا أردنا الطيران إلى مكان آخر، خارج مدار القهوة هذا، على سبيل المثال إلى القمر أو المريخ أو الزهرة أو النظام الشمسي الخارجي، فيجب علينا زيادة سرعة المركبة الفضائية.

الكون 1

كانت سفينة الفضاء كوزموس 1 أول شراع شمسي في العالم، وكانت الأولى في جانب آخر - فقد تم جمع ميزانية تطويرها وبنائها وإطلاقها من قبل منظمة عامة (جمعية الكواكب) من التبرعات. وتم تصميم وبناء المركبة الفضائية من قبل مكتب التصميم الروسي باباكين، وتم إطلاقها إلى الفضاء باستخدام قاذفة أقمار صناعية محولة من صاروخ باليستي، من غواصة روسية. ولسوء الحظ، فشلت عملية الإطلاق التي تمت في يونيو 2005، بسبب مشكلة في المرحلة الثانية من الصاروخ، ولم تصل المركبة الفضائية إلى الفضاء. يجري حاليًا بناء المركبة الفضائية Cosmos 2، ومن المقرر إطلاقها في غضون سنوات قليلة.

يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة محركات صاروخية تحرق الوقود (والأكسجين) - وهي كتلة يمكن أن تصل إلى مئات الكيلوجرامات، وتأتي على حساب حمولة المركبة الفضائية. استخدمت القليل من المركبات الفضائية حتى الآن محركًا أيونيًا، والذي يستخدم أيونات الزينون التي يتم تسريعها بواسطة مجال مغناطيسي قوي وتنبعث من المركبة الفضائية. يعتبر مثل هذا المحرك أكثر اقتصادا من حيث الوقود الدافع، ولكنه ينتج قوة دفع قليلة جدًا (مع مرور الوقت). وبالتالي، يتم استثمار جزء كبير من قوة الإطلاق في تسريع الكتلة إلى الفضاء خلال فترة زمنية قصيرة - وقود المركبة الفضائية.

بالطبع، بالإضافة إلى الوقود، يجب أن نأخذ في الاعتبار كتلة الخزانات المخصصة لتخزينه ونظام نقل الحركة والمحركات نفسها. إن استخدام الشراع الشمسي سيجعل من الممكن تقليل كتلة المركبة الفضائية وتوجيه معظم الطاقة لتسريع الحمولة، بدلاً من كتلة كبيرة من أنظمة المحرك.

الميزة الأكبر هي أنه يمكنك تسريع الشراع الشمسي لفترة طويلة جدًا - فطالما ضرب الإشعاع الشراع، ستستمر المركبة الفضائية في التسارع. بشكل أساسي، باستخدام أشعة الليزر القوية والتخطيط السليم للشراع، من الممكن تسريع الأشرعة الشمسية إلى سرعات عالية للغاية، تصل إلى عشرات بالمائة من سرعة الضوء - وهي سرعة لا نستخدمها اليوم في أي نظام دفع تقليدي - كيميائي أو نووي - يمكن تحقيقه.

عيوب الأشرعة الشمسية

وبالإضافة إلى الصعوبات التقنية التي ينطوي عليها بناء شراع عاكس بما فيه الكفاية وخفيف الوزن وقابل للطي والسحب، فإن العائق الأبرز هو قدرة الشراع الشمسي على التحرك في نفس اتجاه الإشعاع. إن قدرة المركبة الفضائية على المناورة - بما في ذلك الكبح عند الوصول إلى وجهتها - محدودة، وفي هذه المرحلة من التخطيط للأشرعة الشمسية، سيتم أيضًا تركيب العديد من محركات المناورة التقليدية فيها.

الحجم الهائل للشراع سيتعرض لخطر الاصطدام بالأجسام النادرة في الفضاء، لكنها لا تزال موجودة. لن يسبب الاصطدام بنيزك صغير أضرارًا كبيرة: مثل هذا الجسم سيُحدث تمزقًا صغيرًا في الشراع ويمر عبره. لكن الاصطدام بجسم أكبر، مثل كويكب، سيكون مدمرا. إن قوة الأشرعة الموجودة في التصميم حاليًا لن تسمح بالبقاء على قيد الحياة في حالة الاصطدامات، لذلك يجب تخطيط مسار الشراع مع مراعاة الأجرام السماوية الصغيرة (المذنبات والكويكبات) داخل النظام الشمسي. وبطبيعة الحال، فإن المرور عبر حلقات الكواكب (مثل نظام حلقات زحل) لن يكون ممكنا أيضا.

والمشكلة الأخرى هي شدة إضاءة الشمس عندما يبتعد عنها الشراع. وكما نعلم فإن شدة الإضاءة تتناسب عكسيا مع مربع المسافة من مصدر الضوء. الحل المحتمل للانخفاض الكبير في قوة الإشعاع يمكن أن يكون تحسين قدرة العودة للمادة التي سيتم بناء الشراع منها من ناحية، واستخدام مصادر الضوء الاصطناعية مثل الليزر من ناحية أخرى. لا توجد حاليًا أقمار صناعية مجهزة بالليزر لدفع الأشرعة الشمسية، ولكن في المستقبل، مع انتشار الأشرعة الشمسية، قد يتم إطلاق مثل هذه الأقمار الصناعية إلى أماكن مختلفة في النظام الشمسي.

التطبيقات الممكنة

إن استخدام الميزر (تضخيم الموجات الميكروية بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع) يمكن - من حيث المبدأ - أن يمكّن من تسريع الأشرعة الشمسية إلى سرعات هائلة، ويسمح لأول مرة ببناء مركبة فضائية بين النجوم والوصول إلى النجوم المجاورة (الشموس) في سفن الفضاء البحثية. كما ستكون الأشرعة الشمسية قادرة على دفع المركبات الفضائية داخل نظامنا الشمسي، وخاصة المركبات الفضائية الصغيرة والخفيفة.

هناك خطة لإطلاق قمر صناعي نانوي (NanoSail-D؛ انظر "قمري الصناعي الصغير") ليتم تجهيزها بشراع شمسي صغير، لدراسة جدوى استخدام الدفع الشمسي للأقمار الصناعية النانوية. وهناك مقترحات -يُنظر إليها اليوم على أنها عملاء من عالم الخيال العلمي- لاستخدام الأشرعة الشمسية لإبعاد الكويكبات التي تعرض الأرض للخطر؛ عند هذه النقطة، فإن الكتلة الكبيرة من الكويكبات، بالإضافة إلى الدفع المنخفض للأشرعة الشمسية، تجعل الحل غير عملي. لكن في المستقبل، خاصة مع تقاعد مجموعة من أجهزة الليزر والميزر في الفضاء، سيكون من الممكن التفكير في نظام لحماية الأرض من الكويكبات، والذي سيستفيد من هذه التكنولوجيا.