در سرعت مداری، شاتل فضایی میتوانست در عرض چند دقیقه از فراز یک قاره عبور کند. این فضاپیما تقریباً هر ۹۰ دقیقه یک بار به دور زمین میچرخید و آنقدر سریع حرکت میکرد که خدمه آن تقریباً هر ۴۵ دقیقه یک طلوع یا غروب خورشید را میدیدند.
این سرعت حدود ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت بود. این عدد در مقیاس انسانی بسیار عظیم به نظر میرسد، چون واقعاً هم عظیم است. اما وقتی همین سرعت را به فاصله میان ستارهها تعمیم میدهیم، تقریباً ناچیز به نظر میرسد.
یک تقسیم ساده، تفاوت را بهخوبی نشان میدهد. نزدیکترین عضو سامانه آلفا قنطورس حدود ۴.۲۴ سال نوری با زمین فاصله دارد. یک وسیله نقلیه که بتواند سرعت مداری شاتل را در یک خط مستقیم حفظ کند، برای طی کردن این فاصله به حدود ۱۶۴ هزار سال زمان نیاز خواهد داشت. اگر فاصله کمی بیشتر آلفا قنطورس A و B را در نظر بگیریم، این زمان به حدود ۱۶۸ هزار سال میرسد. بنابراین، حدود ۱۶۵ هزار سال میتواند یک برآورد مناسب برای درک مقیاس این سفر باشد.
پروژه Breakthrough Starshot راهحل کاملاً متفاوتی پیشنهاد میکند: جرم فضاپیما را به یک تراشه چندگرمی کاهش دهید، آن را به یک بادبان بازتابنده با عرض حدود یک متر متصل کنید و با استفاده از آرایه عظیمی از لیزرهای مستقر روی زمین به آن شتاب دهید. هدف این پروژه رسیدن به سرعتی معادل حدود یکپنجم سرعت نور است. در این صورت، سفر به آلفا قنطورس کمی بیشتر از ۲۰ سال طول خواهد کشید.
فیزیک پشت این عدد ساده است؛ اما مهندسی لازم برای تحقق آن بسیار دشوار خواهد بود. هنوز هیچ فضاپیمای کامل Starshot یا سامانه پیشرانش لیزری در مقیاس کامل ساخته نشده و تاریخ مشخصی برای پرتاب آن نیز وجود ندارد.
سفر ۱۶۵ هزار ساله، یک محاسبه ریاضی است؛ نه یک مأموریت شاتل
ناسا سرعت مداری شاتل را حدود ۱۷,۵۰۰ مایل، معادل ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت، اعلام کرده است. این عدد سرعت حرکت افقی مدارگرد را توصیف میکند؛ سرعتی که به اندازهای زیاد است که فضاپیما بتواند دائماً به سمت زمین سقوط کند، اما هرگز به سطح آن نرسد.
این به آن معنا نیست که شاتل میتوانست به سمت آلفا قنطورس حرکت کند و این سرعت را برای همیشه حفظ کند. موتورهای اصلی شاتل هنگام پرتاب، سوخت مورد نیاز خود را از مخزن خارجی دریافت میکردند و این مخزن پیش از رسیدن به مدار جدا میشد. موتورهای کوچکتر مانور مداری نیز میتوانستند مدار را تغییر دهند و بازگشت به زمین را آغاز کنند، اما شاتل نه پیشرانه لازم و نه طول عمر مورد نیاز برای یک سفر میانستارهای را داشت.
با این حال، این مقایسه همچنان مفید است. هر سال نوری حدود ۹.۴۶ تریلیون کیلومتر است. فاصله حدود ۴.۲۴ سال نوری تا پروکسیما قنطورس در نتیجه کمی بیش از ۴۰ تریلیون کیلومتر خواهد بود. یک فضاپیما با سرعت ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت در طول یک سال حدود ۲۴۵ میلیون کیلومتر طی میکند. تقسیم این دو عدد بر یکدیگر، زمانی حدود ۱۶۴ هزار سال به دست میدهد.
نام آلفا قنطورس در واقع اختلاف فاصله کوچکی را پنهان میکند. نمای رصدخانه جنوبی اروپا از این سامانه، ستارگان درخشان آلفا قنطورس A و B را در کنار پروکسیما قنطورس کمنورتر نشان میدهد. پروکسیما نزدیکترین ستاره منفرد به ما و در فاصلهای حدود ۴.۲۴ سال نوری است؛ در حالی که A و B حدود ۴.۳۷ سال نوری فاصله دارند. به همین دلیل، محاسبات دقیقتر اعدادی بین حدود ۱۶۴ هزار تا ۱۶۸ هزار سال به دست میدهند.
مانع اصلی این نیست که موشکها در نزدیکی زمین آهسته هستند؛ مشکل اصلی این است که فاصلههای میانستارهای باعث میشوند حتی سرعتهای بسیار زیاد در مقیاس زمینی نیز برای چنین سفری کافی نباشند.
Starshot با کنار گذاشتن تقریباً تمام جرم فضاپیما آغاز میشود
پروژه Breakthrough Starshot قصد ندارد یک شاتل، سرنشین یا حتی یک فضاپیمای رباتیک معمولی را به ستارهای دیگر بفرستد. فضاپیمای نانومقیاس این پروژه از دو بخش اصلی تشکیل میشود: یک تراشه موسوم به StarChip و یک بادبان نوری.
StarChip یک تراشه در مقیاس چند گرم خواهد بود که دوربینها، حسگرهای مختلف، پردازنده، منبع انرژی، تجهیزات ناوبری و سیستم ارتباطی را حمل میکند. بادبان نیز حدود یک متر عرض خواهد داشت و بسیار نازک و بسیار بازتابنده طراحی میشود. وزن کل این وسیله تنها چند گرم خواهد بود.
این انتخاب در مورد جرم، معادله پیشرانش را کاملاً تغییر میدهد. موشکهای شیمیایی سوخت، مخزن و موتور حمل میکنند و سپس هنگام شتابگیری مجبورند تمام این جرم را نیز همراه محموله خود حرکت دهند. اما Starshot منبع اصلی انرژی خود را روی زمین باقی میگذارد.
یک آرایه لیزری زمینی، پرتوهای نور هماهنگشده را به سمت بادبان هدایت میکند. فوتونها جرم سکون ندارند، اما تکانه دارند و هنگامی که از سطح بادبان بازتاب میشوند، فشار ایجاد میکنند.
نور معمولی خورشید برای طی کردن چنین مسافتی در ۲۰ سال فشار کافی ایجاد نمیکند. مشخصات موتور فوتونی Starshot یک لیزر زمینی در مقیاس گیگاوات را مطرح کرده است، در حالی که در طرح گستردهتر پروژه از آرایهای با قابلیت توسعه تا حدود ۱۰۰ گیگاوات صحبت شده است.
این پرتو قرار نیست فضاپیما را در تمام مسیر میانستارهای دنبال کند؛ بلکه طی چند دقیقه، فضاپیما را شتاب میدهد.
سرعت هدف حدود ۰.۲ سرعت نور است؛ یعنی نزدیک به ۶۰ هزار کیلومتر بر ثانیه. این سرعت تقریباً ۷۷۰۰ برابر سرعت مداری شاتل است.
با تقسیم فاصله ۴.۲۴ سال نوری بر سرعت ۰.۲ سال نوری در سال، زمان سفر کمی بیشتر از ۲۱ سال به دست میآید.
شتابگیری کوتاه، شدید و کاملاً رباتیک خواهد بود
بخش عمده سفر ۲۰ ساله در حالت حرکت آزاد انجام خواهد شد. بخش هیجانانگیز ماجرا در نزدیکی زمین اتفاق میافتد؛ جایی که پرتو لیزر باید بادبان را از سرعتهای مداری به کسری قابلتوجه از سرعت نور برساند.
بسته به پروفایل نهایی شتابگیری، فضاپیما ممکن است نیروهایی معادل هزاران برابر گرانش زمین را تجربه کند. بدن انسان قادر به تحمل چنین فشاری نیست.
اما یک محموله چندگرمی از جنس مواد جامد را میتوان بدون صندلی، محفظه تحت فشار، سامانه پشتیبانی حیات یا سازوکارهای بزرگ و حساس ساخت. البته قطعات الکترونیکی و نوری آن همچنان باید بتوانند چنین شتابی را تحمل کنند.
هنگامی که زمان سفر با طول عمر انسان مقایسه میشود، این تفاوت بهراحتی فراموش میشود. Starshot طرحی برای انتقال انسان به ستارهای دیگر در ۲۰ سال نیست. این پروژه پیشنهاد میکند تعداد زیادی کاوشگر کوچک و خودکار را برای عبور یکطرفه و پرسرعت از کنار یک سامانه ستارهای ارسال کنیم.
همچنین سرعت ۲۰ درصد سرعت نور به معنای نزدیک شدن به حداکثر سرعت ممکن نیست. هیچ فضاپیمای دارای جرم نمیتواند به سرعت نور برسد. هدف Starshot همچنان پایینتر از این مرز قرار دارد، اما انرژی و دقت مورد نیاز برای رسیدن حتی به ۰.۲ سرعت نور، بسیار فراتر از توان هر سامانه پیشرانشی ساختهشده تاکنون است.
بادبان باید هم فوقالعاده سبک باشد و هم تقریباً بینقص
یک فیلم یکمتری که با پرتو لیزری بسیار قدرتمند رانده میشود، صرفاً نباید براق باشد. این بادبان باید تقریباً تمام نور ورودی را بازتاب دهد. حتی جذب مقدار کمی از نور میتواند یک ماده فوقنازک را آنقدر گرم کند که ویژگیهای نوری آن تغییر کند، شکلش تغییر کند یا کاملاً از بین برود.
بادبان همچنین باید هنگام شتابگیری در مرکز پرتو باقی بماند و زاویه خود را بهدرستی حفظ کند. یک آرایه فازی باید تعداد زیادی عنصر لیزری را بهگونهای هماهنگ کند که مانند یک ابزار نوری واحد عمل کنند، اثر تلاطم جو را اصلاح کنند و همزمان با دور شدن فضاپیما در مسافتی چند میلیون کیلومتری، فوکوس پرتو را حفظ کنند.
پژوهشگران شروع به بررسی بخشهایی از این مسئله کردهاند. در سال ۲۰۲۵، محققان مؤسسه فناوری کالیفرنیا، Caltech، اندازهگیری مستقیم فشار تابشی روی یک غشای نیترید سیلیکونی به ضخامت ۵۰ نانومتر را گزارش کردند. آنها نیروهایی در حدود ۷۰ فمتونیوتن را اندازهگیری کردند و بررسی کردند که زاویه پرتو، اندازه نقطه تابش و پراکندگی نور از لبهها چگونه واکنش غشا را تغییر میدهد.
این پژوهش اهمیت دارد، زیرا پیشرانش پایدار به پیشبینی دقیق نیروهای بسیار کوچک و حرکات ناخواسته جانبی وابسته است. با این حال، آزمایش مذکور روی یک غشای میکروسکوپی متصل به تجهیزات آزمایشگاهی و با تابش ۱۱۰ وات بر سانتیمتر مربع انجام شد؛ نه روی یک بادبان آزاد و یکمتری که در معرض آرایهای ۱۰۰ گیگاواتی قرار گرفته باشد.
این آزمایش در واقع ابزاری اولیه برای اندازهگیری ویژگیهایی بود که میتوانند در ساخت بادبانهای نوری آینده اهمیت داشته باشند.
رسیدن به این سامانه، مجموعه جدیدی از مشکلات را ایجاد میکند
فضای میانستارهای بسیار رقیق است، اما کاملاً خالی نیست. در سرعت ۰.۲ سرعت نور، حتی برخورد با اتمهای منفرد گاز و ذرات گردوغبار میتواند انرژی کافی برای آسیب زدن به مواد در معرض برخورد داشته باشد.
یک مطالعه کمی درباره فضاپیماهای نسبیتی و محیط میانستارهای نشان داده است که بمباران گازی، فرسایش ناشی از گردوغبار، ایجاد حفره و ذوب موضعی میتوانند در مسیر حرکت به سمت آلفا قنطورس اهمیت داشته باشند.
برآوردها به نوع ماده و جمعیت ذرات موجود در فضا بستگی دارند، اما نمیتوان این خطر را صرفاً به این دلیل نادیده گرفت که فضای میان ستارهها خالی به نظر میرسد.
راهکارهای احتمالی شامل قرار دادن لبه باریکی از فضاپیما در جهت حرکت، افزودن یک سپر فداشونده و ارسال تعداد زیادی کاوشگر است تا موفقیت مأموریت به زنده ماندن تنها یک فضاپیما وابسته نباشد. هر لایه محافظ نیز بخشی از بودجه جرمی چندگرمی فضاپیما را مصرف خواهد کرد.
رسیدن به مقصد نیز به معنای توقف و قرار گرفتن در مدار ستارهها نخواهد بود؛ بلکه یک عبور سریع یا Flyby خواهد بود. هیچ آرایه لیزری دومی در آلفا قنطورس وجود نخواهد داشت که سرعت کاوشگر را کاهش دهد.
با سرعت ۰.۲ سرعت نور، یک فضاپیمای نانومقیاس میتواند فاصله زمین تا خورشید را در حدود ۴۲ دقیقه طی کند. این فضاپیما میتواند در عرض چند ساعت از مهمترین منطقه مورد نظر برای رصد عبور کند. بنابراین، انتخاب هدف، تنظیم جهت و زمانبندی ثبت تصاویر باید بهصورت کاملاً خودکار انجام شود.
ارسال دادههای ثبتشده به زمین حتی میتواند دشوارتر از ثبت خود تصاویر باشد. یک فضاپیمای چندگرمی باید انرژی لازم را تأمین و فرستنده خود را به سمت زمین نشانهگیری کند و سیگنالی بسیار ضعیف را از فاصلهای بیش از چهار سال نوری به زمین بفرستد.
حتی نخستین بیت دادهای که هنگام رسیدن فضاپیما ارسال میشود، ۴.۲۴ سال دیگر زمان نیاز دارد تا به زمین برسد.
بنابراین، زمان کلی از لحظه پرتاب تا دریافت دادهها، حتی در صورتی که همهچیز دقیقاً طبق برنامه پیش برود، به حدود ۲۵ یا ۲۶ سال نزدیک خواهد شد.
۲۰ سال، یک نتیجه طراحی است؛ نه پیشبینی زمان پرتاب
پروژه Breakthrough Starshot در سال ۲۰۱۶ بهعنوان یک برنامه تحقیق و توسعه معرفی شد. هدف اعلامشده آن، بررسی امکانپذیری ساخت فضاپیماهای نانومقیاس با پیشرانش نوری و ایجاد پایههای لازم برای یک مأموریت احتمالی میانستارهای است.
فهرست چالشهای مهندسی این پروژه شامل مواردی مانند آرایه لیزری، ذخیره انرژی، اصلاح اثرات جو، پایداری بادبان، مقابله با گردوغبار، ناوبری، تصویربرداری و ارتباطات است.
هنوز هیچ فضاپیمای عملیاتی StarChip، موتور فوتونی تکمیلشده یا تاریخ قطعی برای پرتاب به سمت آلفا قنطورس وجود ندارد.
پیشرفتهای آزمایشگاهی در زمینه مواد و بررسی نیروهای نوری نباید با ساخت یک سامانه پروازی یکپارچه اشتباه گرفته شود. ممکن است یک طرح از نظر علمی کاملاً جدی باشد و در عین حال هنوز فاصله زیادی با مرحله ساخت داشته باشد.
بنابراین، مقایسه ۱۶۵ هزار سال با ۲۰ سال، مقایسه دو پیشبینی با سطح بلوغ یکسان نیست.
عدد اول یک آزمایش فکری است که از سرعتی استفاده میکند که بشر بارها در مدار پایین زمین به آن دست یافته است.
عدد دوم یک محاسبه برای ماشینی است که اجزای منفرد اصول آن با قوانین شناختهشده فیزیک سازگار هستند، اما معماری کامل آن تاکنون در عمل به نمایش گذاشته نشده است.
یک عدد نشان میدهد که سرعت مداری معمولی در برابر فاصله ۴۰ تریلیون کیلومتری میان ستارهها تا چه اندازه ناچیز است.
عدد دیگر هزینه خارقالعاده کوتاه کردن این سفر را نشان میدهد: تقریباً تمام فضاپیما را کنار بگذارید، موتور را روی زمین نگه دارید، با استفاده از یک لیزر عظیم که هنوز ساخته نشده است به یک بادبان شتاب دهید و سپس به چند گرم تجهیزات الکترونیکی اعتماد کنید تا دو دهه در تاریکی فضا سفر کند.
