بادبانهای خورشیدی یکی از زیباترین و ظریفترین مفاهیم در اکتشافات فضایی هستند: استفاده از خود نور خورشید برای پیشراندن فضاپیما در پهنه کیهان، بدون نیاز به هیچ سوختی. اما این غولهای نازک و سبک با چالشی مهندسی دستوپنجه نرم میکنند که از آغاز مأموریتهایشان گریبانگیرشان بوده است: حفظ کنترل در حین حرکت با باد خورشیدی.
بادبانهای خورشیدی با گرفتن فوتونهای خورشیدی کار میکنند؛ درست مثل بادی که بادبان یک کشتی را پر میکند. این صفحات بسیار نازک و بازتابنده میتوانند چند ده متر گسترده باشند و فقط چند کیلوگرم وزن داشته باشند؛ و بهطور نظری، برای مأموریتهای اعماق فضا نیروی پیشرانی نامحدودی فراهم کنند. با این حال، نسبت زیاد اندازه به جرم آنها باعث میشود کنترل جهتگیریشان بسیار دشوار باشد.
در بیشتر فضاپیماها از چرخهای واکنشی (Reaction Wheels) برای تغییر جهت در فضا استفاده میشود. این چرخها مانند ژیروسکوپهایی عمل میکنند که میتوانند فضاپیما را در هر جهتی بچرخانند. اما بادبانهای خورشیدی آنقدر بزرگاند و نیروهایی پیچیده از سوی نور خورشید دریافت میکنند که این چرخها خیلی سریع دچار مشکل میشوند؛ آنقدر سریع میچرخند که به حد اشباع میرسند و دیگر نمیتوانند عملکردی داشته باشند.
وقتی چرخهای واکنشی اشباع میشوند، فضاپیما کنترل خود را از دست میدهد؛ نمیتوان ابزارهای علمی را بهدرستی نشانهگیری کرد یا جهتگیری مطلوب را حفظ نمود. مأموریتهایی مانند LightSail 2 مجبور بودند هر روز با استفاده از میلههای گشتاور مغناطیسی، سرعت چرخها را کاهش دهند و آنها را اصطلاحاً «تخلیه تکانه» کنند؛ امری که کارایی عملیات را کاهش میداد.
اما اکنون پژوهشگرانی از دانشگاه نیوساوتولز راهحلی ظریف و الهامگرفته از مأموریت پیشگامانه ژاپن یعنی IKAROS پیشنهاد دادهاند: ابزارهای کنترل بازتابندگی (RCDs). این ابزارها در واقع آینههای الکترونیکی هستند که میتوانند تنها با یک سوئیچ، نحوه بازتاب نور خورشید را تغییر دهند.
این RCDها غشاهایی نازک و انعطافپذیر هستند که درون آنها از کریستالهای مایع استفاده شده، مشابه همان چیزی که در نمایشگر لپتاپها وجود دارد. وقتی جریان الکتریکی به آنها اعمال میشود، میتوانند بین دو حالت جابهجا شوند: بازتابندگی شدید (مانند آینه) و بازتابندگی پراکنده. چون الگوهای مختلف بازتاب نور باعث تولید نیروهای متفاوتی از فشار تابشی خورشید میشوند، قرار دادن هوشمندانه این آینهها روی بادبانها میتواند گشتاور دقیقی برای کنترل جهت فضاپیما تولید کند.
تیم تحقیقاتی یک استراتژی کنترلی هوشمند طراحی کرده که بین دو حالت عملیاتی جابهجا میشود:
در حالت معمول «نشانهگیری به سمت زمین»، فضاپیما از چرخهای واکنشی برای جهتگیری دقیق جهت انجام مشاهدات علمی استفاده میکند. اما وقتی چرخها به آستانه اشباع نزدیک میشوند، به حالت «نشانهگیری به سمت خورشید» سوئیچ میشود.
در این حالت، بادبان خورشیدی مستقیماً به سمت خورشید میچرخد تا RCDها بیشترین کارایی را داشته باشند. در این زمان، آینههای الکترونیکی به صورت جفتی عمل میکنند؛ برخی بازتابنده کامل و برخی پخشکننده نور؛ این ترکیب باعث ایجاد عدم تعادل کنترلشده در فشار نور خورشید میشود که گشتاور مورد نیاز برای کند کردن چرخش چرخهای واکنشی را فراهم میآورد.
با استفاده از شبیهسازیهای دقیق رایانهای روی مدلی مشابه LightSail 2 در مدار خورشید-همزمان در ارتفاع ۷۰۰ کیلومتری، پژوهشگران نشان دادند که RCDها میتوانند بهطور مؤثری از اشباع چرخهای واکنشی جلوگیری کنند. بدون RCD، چرخها تنها طی ۴۸ ساعت به حد خود میرسند. اما با استفاده از RCD، سیستم میتواند بیش از یک هفته بهخوبی عمل کند؛ با دورههای تخلیه تکانه که حدود ۵ ساعت طول میکشند و هر دو روز یکبار رخ میدهند.
RCDها توانستند گشتاوری تا ۷.۴ میکرونیوتون-متر تولید کنند؛ عددی بسیار کوچک ولی کافی برای مقابله با تجمع تدریجی تکانه. فضاپیما همچنین توانست ظرف ۱۱ دقیقه بین حالت نشانهگیری به زمین و خورشید جابهجا شود، بدون اینکه بازده عملیاتی کاهش یابد یا کنترل سیستم از دست برود.
اما شاید مهمترین نکته این باشد که RCDها برای مأموریتهای اعماق فضا مزیت ویژهای دارند؛ جایی که ابزارهای سنتی مدیریت تکانه مانند مگنتورکرها دیگر کار نمیکنند، چون آنها به میدان مغناطیسی زمین وابستهاند. در حالی که RCDها فقط با نور خورشید کار میکنند و میتوانند کنترل دقیق جهت را برای سفر به سیارکها، سیارات دیگر یا حتی فضای میانستارهای ممکن کنند.
این فناوری همچنین از نظر مکانیکی بسیار سادهتر از روشهای پیشنهادی دیگر است. برخلاف سامانههای پیچیده ژیمبال یا جرمهای متحرک، RCDها هیچ قطعه متحرکی ندارند و وزن بسیار کمی به فضاپیما اضافه میکنند. آزمایش موفق آنها در مأموریت IKAROS نشان داده که در شرایط سخت فضا هم قابل اتکا هستند.
اگرچه در حال حاضر RCDها فقط توانایی کنترل دو محور از سه محور چرخشی را دارند (و برای کنترل کامل نیاز به سیستمهای کمکی است)، اما این پژوهش مسیر عملی و امیدبخشی را برای قابلاعتمادتر و کاراتر شدن فناوری بادبانهای خورشیدی پیش پای ما میگذارد. در واقع، این فناوری ساده که مانند رنگ هوشمند بازتاب خود را تغییر میدهد، میتواند آینده این نوع پیشرانش را دگرگون کند.
با توجه به اینکه آژانسهای فضایی و شرکتهای خصوصی بیشازپیش به دنبال پیشرانشهای پایدار و بدون سوخت برای مأموریتهای بلندپروازانه در اعماق فضا هستند، RCDها را میتوان گامی حیاتی برای تبدیل بادبان خورشیدی به روشی قابلاعتماد و کاربردی دانست.
گاهی، سادهترین راهحلها، همانهایی هستند که زیباتر از همه عمل میکنند.
