مواد هوشمند به طور فزاینده‌ای در کاوش‌های فضایی مورد توجه قرار گرفته‌اند و کاربردهای آن‌ها در همه‌جا دیده می‌شود؛ از باز کردن آنتن‌های ماهواره‌ها گرفته تا تغییر شکل و بازسازی مریخ‌نوردها. یکی از جدیدترین ایده‌ها در این حوزه، استفاده از مواد هوشمند برای تبدیل بادبان‌های خورشیدی است که در درجه اول به عنوان سامانه پیشرانش برای ماموریت‌های فضایی استفاده می‌شوند و در مقصد نهایی به یک سپر حرارتی تبدیل می‌شوند. مقاله‌ای جدید از جوزف ایوارسون و داویده گوتزتی، هر دو از دپارتمان مهندسی هوافضای دانشگاه آبرن، که در مجله Acta Astronautica منتشر شده است، چگونگی عملکرد این ایده و کاربردهای بالقوه آن برای کاوش بخش‌های مختلف منظومه شمسی را شرح می‌دهد.
مفهوم بادبان تغییر شکل‌دهنده (3S)
ایده‌ای که این پژوهشگران مطرح کرده‌اند، “بادبان تغییر شکل‌دهنده” یا به اختصار 3S (Shape Shifting Sailer) نام دارد. این مفهوم بسیار ساده است: یک ورقه نازک از مواد هوشمند به عنوان بادبان خورشیدی در طول سفر فضاپیما به مقصدش عمل می‌کند. هنگامی که فضاپیما به مقصد خود می‌رسد، این ورقه تغییر جهت می‌دهد تا به عنوان یک سپر حرارتی و ابزار کاهش‌دهنده سرعت (drag device) برای کاوشگر در هنگام ورود به جو سیاره مقصد یا ترمز هوایی (aerobraking) برای قرار گرفتن در مدار آن عمل کند. این تغییر شکل می‌تواند به سادگی با استفاده از لولاهای ساخته‌شده از آلیاژهای حافظه‌دار شکلی (Shape Memory Alloy – SMA) انجام شود. این لولاها می‌توانند بادبان خورشیدی که معمولاً صاف است را به شکلی مخروطی یا سپرمانند تبدیل کنند تا هم به کاهش سرعت کاوشگر کمک کند و هم بخشی از گرمای ناشی از ورود به جو را منحرف کند. البته باید توجه داشت که این سپر حرارتی تنها تا حدی مؤثر است و نمی‌توان آن را یک سپر کامل در برابر گرما دانست.
مدل‌سازی اولیه: گام اول مهندسان
پیش از ساخت چنین سیستمی، مهندسان، همان‌طور که انتظار می‌رود، ابتدا به مدل‌سازی آن پرداختند. آن‌ها کار خود را به دو مرحله تقسیم کردند: مطالعه “فضای طراحی” (design space) و مطالعه امکان‌سنجی (feasibility study).
در اصطلاح مهندسی، “فضای طراحی” به معنای بررسی تمام عوامل مختلفی است که می‌توانند بر یک معیار خاص تأثیر بگذارند، مانند وزن یا حداکثر دمایی که یک کاوشگر هنگام ورود به جو مریخ تجربه می‌کند. با تغییر این عوامل در شبیه‌سازی‌ها، مهندسان می‌توانند درک بهتری از مهم‌ترین تصمیمات طراحی به دست آورند، به‌ویژه در مورد تعادل بین عواملی مانند کاهش وزن بادبان یا افزایش اثر محافظت حرارتی آن.
مطالعه موردی در سیارات مختلف
نویسندگان مقاله، مطالعه موردی خود را برای چهار سیاره و قمر هدف انجام دادند: زمین، مریخ، تیتان (قمر زحل)، اورانوس و نپتون. آن‌ها از یک الگوریتم نیمه‌خودکار به نام الگوریتم ژنتیک استفاده کردند که تعادل بین حداکثر دما و حداکثر فشار وارد بر بادبان را بهینه‌سازی می‌کرد. نتایج نشان داد که این دو معیار (دما و فشار) در تضاد با یکدیگر هستند، زیرا شکل‌های فیزیکی که یکی از این دو ویژگی را به حداقل می‌رسانند، معمولاً دیگری را به حداکثر می‌رسانند. برای مثال، برای کاهش فشار، بهترین شکل شبیه یک “برگ” است: سطح بزرگ اما وزن بسیار سبک. اما برای کاهش دما، بهترین شکل شبیه یک “گلوله توپ” است: کوچک، ضخیم و متراکم، که معمولاً به معنای “اینرسی حرارتی” بالا است، یعنی توانایی ماده برای تحمل گرمای کلی بیشتر.
در مرحله بعدی مطالعه، پژوهشگران مسیرهای پروازی احتمالی برای ورود به جو و قرار گرفتن در مدار سیارات موردنظر را بررسی کردند. در مورد زمین، آن‌ها دریافتند که این ماده می‌تواند تا حدی بار حرارتی کلی را کاهش دهد و نرخ گرمایش اوج را بین ۲۰ تا ۲۵ درصد کم کند، اما تنها در صورتی که بادبان در حین ورود به جو جدا شود. بهترین سناریو برای استفاده از ایده 3S در مریخ بود، جایی که شبیه‌سازی‌ها نشان داد در سناریوی “جدا شدن بادبان”، گرمایش کاوشگر در حال ورود به جو می‌تواند تا ۴۰ درصد کاهش یابد.
چالش‌ها در سیارات دیگر
متأسفانه نتایج برای تیتان، اورانوس و نپتون چندان امیدوارکننده نبود. در مورد غول‌های گازی (اورانوس و نپتون)، استفاده از این سیستم به‌طور کلی غیرممکن به نظر می‌رسید، زیرا سرعت‌های موردنیاز برای ترمز هوایی در جو این سیارات بسیار بالا بود و هر ماده‌ای که در آینده نزدیک بتوان تولید کرد، در برابر این سرعت‌ها می‌سوزد. در مورد تیتان، سیستم 3S از نظر تئوری امکان‌پذیر بود، اما نیاز به جرمی در بادبان داشت که تقریباً برابر با جرم بار مفید (payload) کاوشگر باشد. با توجه به هزینه بالای ارسال جرم به تیتان، بعید به نظر می‌رسد که این ایده به زودی عملی شود.
اهمیت برای کاوش مریخ
حتی اگر این ایده تنها برای کاوش مریخ کاربرد داشته باشد، باز هم ارزشمند است، زیرا مریخ یکی از اهداف اصلی ماموریت‌های آینده ناسا در مسیر “از ماه به مریخ” است. نتایج امیدوارکننده شبیه‌سازی‌های این مقاله نشان می‌دهد که سرمایه‌گذاری برای توسعه نمونه اولیه سیستم 3S می‌تواند مفید باشد تا مشکلات احتمالی این طرح بررسی شود. با این حال، با توجه به وضعیت کنونی بودجه کاوش‌های فضایی، ممکن است توسعه چنین سیستمی مدتی طول بکشد.
مواد هوشمند و آینده کاوش فضایی
مواد هوشمند، مانند آلیاژهای حافظه‌دار شکلی که در این ایده استفاده شده‌اند، قابلیت تغییر شکل در پاسخ به محرک‌های خارجی (مانند گرما یا میدان مغناطیسی) را دارند. این ویژگی آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای فضایی تبدیل کرده است، جایی که وزن، فضا و کارایی از اهمیت بالایی برخوردارند. بادبان‌های خورشیدی که از این مواد ساخته شده‌اند، می‌توانند در طول سفر فضایی به عنوان پیشران عمل کنند و در مقصد به یک ابزار چندمنظوره برای ترمز هوایی یا محافظت حرارتی تبدیل شوند.
نمونه‌های قبلی مانند LightSail 2 نشان داده‌اند که بادبان‌های خورشیدی می‌توانند به عنوان پیشران‌های مؤثری عمل کنند. ایده 3S این مفهوم را یک گام فراتر می‌برد و بادبان را به ابزاری چندکاره تبدیل می‌کند که می‌تواند هم در پیشرانش و هم در ورود به جو نقش ایفا کند. این رویکرد نه تنها کارایی ماموریت‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه می‌تواند هزینه‌ها را نیز کاهش دهد، زیرا نیاز به حمل سپرهای حرارتی جداگانه یا سیستم‌های ترمز پیچیده را از بین می‌برد.
نتیجه‌گیری
ایده بادبان تغییر شکل‌دهنده (3S) نمونه‌ای برجسته از نوآوری در استفاده از مواد هوشمند برای کاوش فضایی است. این سیستم با ترکیب پیشرانش بادبان خورشیدی و قابلیت تبدیل به سپر حرارتی، راهکاری خلاقانه برای چالش‌های ورود به جو و ترمز هوایی ارائه می‌دهد. اگرچه این ایده در حال حاضر برای برخی سیارات مانند مریخ نتایج بهتری نشان داده است، اما پتانسیل آن برای بهبود ماموریت‌های آینده قابل توجه است. با ادامه پیشرفت در فناوری مواد هوشمند و شبیه‌سازی‌های پیشرفته، چنین نوآوری‌هایی می‌توانند راه را برای کاوش‌های فضایی کارآمدتر و کم‌هزینه‌تر هموار کنند. توسعه نمونه‌های اولیه و آزمایش‌های بیشتر می‌تواند این ایده را از مفهوم به واقعیت تبدیل کند و به ما کمک کند تا به درک عمیق‌تری از منظومه شمسی و فراتر از آن دست یابیم.
