لیزرها مسیر نفوذ در یخ‌های فضایی را با ذوب سریع هموار می‌کنند

لیزرها تنها برای بازی با گربه‌ها یا نشان دادن نکات روی اسلایدهای پاورپوینت به کار نمی‌آیند. پژوهش تازه‌ای نشان داده است که این ابزار می‌تواند نقش مهمی در آینده کاوش‌های فضایی داشته باشد؛ به‌ویژه در حفر سوراخ روی یخ‌های اجرام فرازمینی، از دُم دنباله‌دارها گرفته تا کلاهک‌های یخی مریخ. این ایده در مقاله‌ای که پژوهشگران دانشگاه فنی درسدن در نشریه Acta Astronautica منتشر کرده‌اند مطرح شده است. آنان یک «مته لیزری» معرفی کرده‌اند که برای حفاری در سطح‌های یخی سراسر منظومه‌ی شمسی طراحی شده است.

مشکل حفاری یخ در فضا

تا امروز حفاری در یخ‌های موجود روی سیاره‌ها و دنباله‌دارها معمولاً با دستگاهی به نام کریوبات (Cryobot) انجام می‌شود. این وسیله چیزی شبیه یک میله‌ی داغ است که با تماس حرارتی، یخ را ذوب می‌کند و به درون آن نفوذ می‌یابد. با وجود ظاهر ساده، این روش مشکلات جدی دارد. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها نیاز بالای انرژی است. یک کریوبات معمولاً به چندین کیلووات انرژی نیاز دارد، در حالی‌که سامانه‌های انرژی رایج روی کاوشگرها ــ مانند ژنراتورهای حرارتی رادیوایزوتوپی ــ تنها چند صد وات توان فراهم می‌کنند. حمل یک منبع انرژی در حد کیلووات به سیاره‌ای دور یا یک قمر یخی، از نظر مهندسی و هزینه تقریباً غیرممکن است.

چالش‌های دیگر نیز کم نیستند. برای رسیدن به عمق زیاد باید میله‌ای بلندتر به کار رفت، که خود نیازمند مواد بیشتر، فضای ذخیره‌سازی بزرگ‌تر، و افزایش وزن کلی کاوشگر است. از سوی دیگر، شرایط محیطی نیز مشکل‌ساز است. بیشتر این حفاری‌ها در خلأ کامل انجام می‌شود و در چنین وضعی، یخ مستقیماً به بخار آب تصعید می‌شود، نه اینکه به آب مایع تبدیل شود. همین امر باعث می‌شود تماس حرارتی بین کریوبات و یخ بسیار ضعیف و ناکارآمد باشد.

لیزر به جای میله داغ

اینجاست که لیزر به عنوان جایگزین پیشنهاد می‌شود. لیزر بسیاری از مشکلات کریوبات را برطرف می‌کند. اول اینکه ابعادی کوچک دارد و می‌تواند با توان بسیار پایین عمل کند. دوم اینکه نیازی به تماس مستقیم با یخ ندارد و پرتو لیزر می‌تواند از فاصله به سطح مورد نظر تابانده شود. و از همه مهم‌تر، بخار آب حاصل از تصعید می‌تواند از سوراخ بالا آمده و ذرات به دام افتاده در یخ را نیز همراه خود بیاورد تا روی سطح کاوشگر برای تجزیه و تحلیل باقی بمانند. این کار نیازی به ابزار فلزی بزرگ یا تماس مستقیم ندارد.

آزمایش در شرایط شبیه‌سازی‌شده

برای آزمون این ایده، گروه پژوهشی به سرپرستی مارتین کوساگک از مؤسسه‌ی مهندسی هوافضا در دانشگاه فنی درسدن، آزمایش‌هایی را در یک محفظه‌ی خلأ انجام دادند. آن‌ها از یک لیزر فروسرخ با طول موج ۱۵۵۰ نانومتر استفاده کردند، زیرا این طول موج به‌شدت توسط یخ جذب می‌شود و انرژی لیزر را مستقیماً به گرمای مورد نیاز برای ذوب منتقل می‌کند.

آن‌ها سه نوع یخ را آزمایش کردند که نمونه‌هایی از یخ‌های گوناگون در منظومه‌ی شمسی به شمار می‌روند:

1. یخ شفاف معمولی: در این حالت سرعت حفاری حدود ۱ متر در ساعت بود و لیزر کمی کمتر از ۲۰ وات انرژی مصرف می‌کرد. عمق حفاری با استفاده از یک فاصله‌یاب نوری که در امتداد لیزر نصب شده بود، اندازه‌گیری شد.
2. یخ دانه‌دانه (Granular): این نوع یخ به‌جای توده‌ی یکپارچه، از دانه‌های یخ تشکیل شده است و شباهت بیشتری به آنچه در قمرهایی مانند «انسلادوس» انتظار داریم دارد. نتایج این بار حتی بهتر بودند: سرعت حفاری به ۱٫۷ متر در ساعت رسید و مصرف توان تنها ۱۲٫۷ وات بود. این افزایش سرعت احتمالاً به دلیل چگالی کمتر دانه‌ها در مقایسه با یخ فشرده است.
3. یخ غبارآلود (Dusty): در این نمونه، نیمی از حجم یخ را ذرات غیر فرّار مانند سنگ تشکیل می‌داد. جالب آن‌که لیزر تنها نیاز داشت بخش یخی را تصعید کند، و این فرایند خود به‌طور طبیعی ذرات جامد را از سوراخ بیرون پرتاب می‌کرد. نتیجه چشمگیر بود: با توان تنها ۱۰ وات، سرعت حفاری به ۳٫۱ متر در ساعت رسید.

مزایا و محدودیت‌ها

این سرعت‌ها در مقایسه با روش‌های پیشین واقعاً چشمگیرند، به‌ویژه که سیستم می‌تواند پیوسته کار کند و در مدت کوتاهی به عمق زیادی برسد. با این حال، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. قطر سوراخ‌های ایجادشده تنها حدود ۶٫۱۵ میلی‌متر بود؛ یعنی برای فرستادن ابزارهای پژوهشی به درون یخ کافی نیست. افزون بر این، اگر فشار در انتهای سوراخ بیش از حد بالا برود، ممکن است یخ به جای تصعید، ذوب شود و بازده کار کاهش یابد؛ چرا که انرژی صرف گرم کردن آب مایع خواهد شد، نه یخ جامد.

از سوی دیگر، روی زمین چاه‌های عمیق یخی معمولاً پس از مدتی به‌دلیل فشار بسته می‌شوند. البته در اجرام کم‌جرم منظومه‌ی شمسی، گرانش کمتر ممکن است به باز ماندن سوراخ‌ها تا عمق بیشتر کمک کند. اما یکی از نقاط ضعف سامانه‌ی لیزری، همان مزیتش است: بیرون پرتاب شدن ذرات غبار. این ذرات می‌توانند روی آینه‌هایی که پرتو لیزر را هدایت می‌کنند بنشینند و کارایی دستگاه را کاهش دهند. بنابراین یک سامانه‌ی کامل نیازمند راهی برای جلوگیری از آلودگی آینه‌ها خواهد بود.

گامی کوچک، اما مهم

در مجموع، این پژوهش گامی مهم در مسیر تازه‌ای برای حفاری در اجرام یخی منظومه‌ی شمسی است. اگرچه در آزمایش‌ها تنها تا عمق حدود ۲۵ سانتی‌متر پیش رفتند، اما همین موفقیت کوچک نشان داد که روش لیزری می‌تواند آینده‌دار باشد. مأموریت‌های آینده به روش‌های حفاری مؤثر نیاز دارند و لیزر گزینه‌ای عملی به نظر می‌رسد، به شرط آن‌که آزمایش‌ها و بهینه‌سازی‌های بیشتری روی آن انجام شود.

شاید در آینده‌ای نه‌چندان دور، پرتوهای لیزر واقعاً راه خود را از میان یخ‌های ضخیم قمرهای مشتری یا کلاهک‌های مریخ باز کنند و به پژوهشگران امکان دهند به لایه‌های پنهان دست یابند. البته بعید است در آنجا گربه‌ای برای بازی با نور لیزر حضور داشته باشد، اما بی‌تردید دانشمندان چیزهای شگفت‌انگیزی از دل یخ‌های فضایی بیرون خواهند کشید.