منذ مئات السنين، كرس البشر جهودهم لاستكشاف أسرار الكون. ومع ذلك، لتحقيق الملاحة بين النجوم، ستكون متطلبات الطاقة للمركبة الفضائية أكثر صرامة. للسفر إلى النجوم التي تبعد عشرات السنين الضوئية، نحتاج إلى حمل الكثير من الوقود، لكن هذا من شأنه أن يجعل المركبة الفضائية ثقيلة للغاية.
نظرًا لوجود العديد من العوائق التي تحول دون حمل الوقود معك، فهل من الممكن السفر خفيفًا والتخلي عن الوقود ببساطة؟ يوجد الآن خيار ربط مركبة فضائية بشراع عاكس عملاق وتسليط الضوء عليه بالليزر القوي. سيدفع زخم الفوتونات المركبة الفضائية إلى جزء صغير من سرعة الضوء. وبالاعتماد على الشعاع، يمكن لمهمة الشراع الضوئي أن تصل إلى بروكسيما سنتوري (بروكسيما سنتوري هو أقرب نجم إلى الأرض بعد الشمس، ويبعد عنا حوالي 4.2 سنة ضوئية) في غضون بضعة عقود.
ما هو الشراع الخفيف؟ الشراع الخفيف، المعروف أيضًا باسم الشراع الشمسي أو شراع الفوتون، هو نظام دفع للمركبة الفضائية يستخدم الضغط الخفيف لأشعة الشمس كدفعة. تستخدم الأشرعة الضوئية الضغط الخفيف لأشعة الشمس بدلاً من الطاقة المولدة من الطاقة الشمسية.
الشراع الضوئي عبارة عن عدسة رقيقة عملاقة يبلغ سمكها عُشر شعرة الإنسان فقط. يمكن فهمه على أنه شراع في عصر الاستكشاف. ويولد الشراع الضوئي ضغطًا خفيفًا من خلال استقبال ضوء الشمس، مما يدفع المركبة الفضائية إلى التحرك والتسارع. نظرًا لأن الضغط الإشعاعي لضوء الشمس صغير جدًا، يحتاج الشراع الضوئي إلى الخضوع لعملية تسارع طويلة، ولكن ميزته هي أنه يمكن استخدامه أينما يوجد ضوء الشمس أو ضوء النجوم الآخر، لذلك يمكنه نظريًا القيام بالسفر طويل المدى بين النجوم.
ومع ذلك، فإن مشاكل بناء شراع خفيف كبير بما فيه الكفاية وخفيف الوزن وكيفية الإبحار به إلى الأمام لا تزال بحاجة إلى حل. في الوقت الحالي، لا تزال تكنولوجيا الشراع الخفيف في مرحلة البحث النظري، والتحديات الهندسية التي تواجهها هائلة لأنه حتى أصغر المشكلات قد يكون من الصعب حلها عبر عقود من السنين الضوئية.
فيما يتعلق باستقرار الأشرعة الضوئية التي تعمل بالليزر، ناقشت ورقة بحثية حديثة كيفية موازنة الشراع الضوئي على شعاع الليزر. في حين أنه يمكن توجيه الليزر مباشرة نحو النجم، أو موقع النجم بعد عقود، إلا أن الشراع الضوئي لا يمكن أن يتبع الشعاع إلا إذا كان متوازنًا تمامًا. إذا كان شراع الضوء مائلاً قليلاً بالنسبة إلى الشعاع، فإن ضوء الليزر المنعكس سيعطي الشراع الضوئي دفعة جانبية طفيفة. ومهما كان هذا الانحراف صغيرًا، فإنه سيزداد بمرور الوقت، مما يتسبب في انحراف مسار الشراع الخفيف باستمرار عن الهدف. لا يمكننا أبدًا محاذاة الشراع الخفيف بشكل مثالي، لذلك نحتاج إلى طريقة ما لتصحيح الانحرافات الصغيرة.
تستخدم الصواريخ التقليدية بشكل أساسي الجيروسكوبات الداخلية لتثبيت الصاروخ واستخدام المحرك لضبط الدفع ديناميكيًا لاستعادة التوازن. لكن أنظمة الجيروسكوب ضخمة جدًا بالنسبة لأشرعة الضوء بين النجوم، وقد يستغرق تعديل الشعاع شهورًا أو سنوات للوصول إلى الشراع الضوئي، مما يجعل التغييرات السريعة مستحيلة. لكن الورقة تقترح استخدام خدعة إشعاعية تسمى Poynting. - تأثير روبرتسون .
يشير تأثير بوينتنج-روبرتسون إلى ظاهرة سحب الجسيمات الموجودة في الفضاء بين الكواكب نحو الشمس وتحركها حول الشمس بسبب التفاعل مع الإشعاع الشمسي. وهو ناتج عن امتصاص وانبعاث الإشعاع من قبل الجسيمات، لذلك يسمى أيضًا تأثير الضغط الضوئي الذي يتسبب في سقوط جزيئات الغبار ببطء في الشمس على طول مدار حلزوني. وتتناسب شدة هذا التأثير مع السرعة الخطية للغبار حول الشمس ومع شدة الإشعاع الشمسي.
إذًا كيف نستخدم تأثير بوينتنج-روبرتسون لإبقاء كاشف الشراع الضوئي في المسار الصحيح؟ وبافتراض أن الشعاع عبارة عن موجة مستوية بسيطة أحادية اللون (أشعة الليزر الحقيقية أكثر تعقيدًا)، يوضح الباحثون كيف يمكن لنظام بسيط ثنائي الشراع أن يستخدم تأثيرات الحركة النسبية للحفاظ على توازن المركبة. عندما ينحرف الشراع قليلاً عن مساره، فإن قوة الاستعادة من الشعاع تلغي ذلك. وهذا يثبت أن المفهوم ممكن. ولكن مع مرور الوقت، تلعب التأثيرات النسبية دورًا أيضًا. وقد أخذت الأبحاث السابقة في الاعتبار تأثير دوبلر للحركة النسبية، ولكن هذه الدراسة تظهر أن النسخة النسبية من الانحراف اللوني تلعب دورًا أيضًا. ويجب أن يؤخذ النطاق الكامل للتأثيرات النسبية في الاعتبار في التصاميم الفعلية، الأمر الذي يتطلب نمذجة معقدة وتقنيات بصرية. لذلك لا تزال الأشرعة الخفيفة تبدو وسيلة ممكنة للوصول إلى النجوم. كل ما علينا هو أن نكون حريصين على عدم الاستهانة بالتحديات الهندسية.
