بادبانهای خورشیدی یکی از جذابترین و آیندهدارترین فناوریها در حوزهٔ پیشرانش فضایی به شمار میآیند. مهمترین مزیت آنها نسبت به روشهای سنتی پیشرانش این است که هیچگونه سوختی مصرف نمیکنند. در حالی که موتورهای شیمیایی یا حتی الکتریکی به مخازن سوخت وابستهاند و عمر مأموریت را به مقدار سوخت محدود میکنند، بادبان خورشیدی تنها با استفاده از فشار فوتونهای نور خورشید حرکت میکند؛ منبعی که عملاً پایانناپذیر است.
اما این فناوری در کنار مزایای چشمگیرش، با یک چالش اساسی روبهروست:
بادبان خورشیدی چگونه تغییر مسیر میدهد و میچرخد؟
مقایسه با دریانوردی سنتی
در دریانوردی معمولی، ناخدای کشتی میتواند با تغییر زاویهٔ بادبان نسبت به جهت باد، مسیر حرکت را کنترل کند. علاوه بر آن، کشتیها دارای سکان (rudder) هستند که امکان تغییر جهت را حتی در بادهای ضعیف فراهم میکند.
اما در فضا شرایط کاملاً متفاوت است:
- خبری از سیال (هوا یا آب) نیست
- بادبان خورشیدی تنها با نور سروکار دارد
- سکان فضایی عملاً بیمعناست
به همین دلیل، کنترل جهت و چرخش بادبان خورشیدی یکی از چالشهای قدیمی و حلنشدهٔ این فناوری بوده است.
مقالهای تازه از arXiv؛ راهحلی با الهام از هنر ژاپنی
در یک مقالهٔ جدید که بهصورت پیشچاپ (pre-print) در پایگاه علمی arXiv منتشر شده،
گلژان آلدان و ایگور بارگاتین از دانشگاه پنسیلوانیا، روشی نوآورانه برای حل این مشکل ارائه دادهاند.
نام این روش: کیریگامی (Kirigami)
کیریگامی چیست؟
کیریگامی یک هنر سنتی ژاپنی است که شباهت زیادی به اوریگامی دارد، اما با یک تفاوت اساسی:
- اوریگامی: مبتنی بر تا زدن کاغذ
- کیریگامی: مبتنی بر بریدن کاغذ
در کیریگامی، بهجای تا کردن، بخشهایی از کاغذ بریده میشود تا ساختارهای سهبعدی و انعطافپذیر ایجاد گردد. پژوهشگران از همین ایدهٔ ساده، اما هوشمندانه، برای طراحی نوعی بادبان خورشیدی استفاده کردهاند که بتواند بدون مصرف سوخت و با حداقل انرژی الکتریکی، جهت خود را تغییر دهد.
روشهای سنتی کنترل جهت بادبان خورشیدی
پیش از معرفی ایدهٔ کیریگامی، بد نیست نگاهی به روشهای متداول قبلی بیندازیم:
۱. چرخهای واکنشی (Reaction Wheels)
این روش که در ماهوارههای معمولی هم استفاده میشود، شامل چرخهایی است که با چرخش خود، گشتاور ایجاد میکنند.
اما:
- جرم بالایی دارند
- نیازمند انرژی زیاد هستند
- در عمل فلسفهٔ «سبکبودن» بادبان خورشیدی را زیر سؤال میبرند
۲. پرههای نوک بادبان (Tip Vanes)
در این روش، آینههای کوچکی در نوک بادبان نصب میشوند که قابلیت چرخش دارند.
مشکلات اصلی:
- پیچیدگی مکانیکی بالا
- احتمال خرابی زیاد
- اگر از کار بیفتند، بادبان در همان جهت قبلی «گیر میکند»
۳. ابزارهای کنترل بازتابپذیری (RCDs)
این فناوری مشابه نمایشگرهای کتابخوان الکترونیکی (مثل Kindle) است و از کریستال مایع استفاده میکند تا میزان بازتاب یا جذب نور را تغییر دهد.
اگرچه این روش مؤثر است، اما:
- برای حفظ حالت خود نیاز به برق دائمی دارد
- باتری را حتی در زمان عدم فعالیت تخلیه میکند
- در مأموریتهای بلندمدت مشکلساز میشود
(نمونهٔ استفاده: مأموریت IKAROS در سال ۲۰۱۰)
ایدهٔ کیریگامی؛ بریدن برای کنترل حرکت
در مقابل تمام این روشها، بادبان کیریگامی رویکردی کاملاً متفاوت دارد.
در این طرح:
- روی سطح بادبان خورشیدی برشهای هدفمند ایجاد میشود
- مادهٔ بادبان از پلیایمید آلومینایز شده ساخته شده (مادهای استاندارد در بادبانهای خورشیدی)
- این برشها بهصورت محوری و مورب در هر «سلول واحد» از شبکهٔ بادبان طراحی میشوند
کمانش کنترلشده؛ کلید اصلی فناوری
وقتی این فیلم نازک کشیده میشود، برشها اجازه میدهند که ماده از حالت مسطح خارج شود و دچار کمانش (buckling) گردد؛ یعنی بخشهایی از سطح بادبان بهصورت سهبعدی از صفحه بیرون بزنند.
نتیجه:
- بادبان دیگر یک صفحهٔ صاف نیست
- بلکه به سطحی سهبعدی با هزاران بخش کوچکِ زاویهدار تبدیل میشود
هزاران آینهٔ کوچک در دل بادبان
هر یک از این بخشهای کمانشیافته مانند یک آینهٔ بسیار کوچک عمل میکند که نور خورشید را با زاویهای خاص بازمیتاباند.
طبق قانون پایستگی تکانه:
- اگر نور در جهتی بازتاب شود
- بادبان در جهت مخالف رانده میشود
بنابراین با کنترل میزان و جهت کمانش در هر بخش، میتوان:
- جهت نیروی واردشده به بادبان را تغییر داد
- و در نهایت، کل سازه را به سمت دلخواه چرخاند
مصرف انرژی بسیار کم
برای ایجاد این کمانشها، مقدار کمی انرژی الکتریکی لازم است که از طریق سرووموتورها تأمین میشود.
مزیت مهم این سیستم:
- سرووموتورها فقط هنگام حرکت انرژی مصرف میکنند
- برخلاف RCDها نیازی به مصرف دائمی برق ندارند
- در نتیجه باتری بادبان بسیار دیرتر تخلیه میشود
آزمایشهای شبیهسازی و واقعی
پژوهشگران برای اطمینان از کارایی این روش، دو نوع آزمایش انجام دادند:
شبیهسازی عددی
با استفاده از نرمافزار COMSOL:
- ردیابی پرتوهای نور (Ray Tracing)
- بررسی نیروهای واردشده به بادبان
- تحلیل زوایای مختلف تابش خورشید و میزان کمانش
نتیجه:
- نیروی تولیدی بسیار کوچک است (حدود ۱ نانونیوتن به ازای هر وات نور خورشید)
- اما در بازههای زمانی طولانی، برای چرخاندن یک بادبان خورشیدی کاملاً کافی است
آزمایش عملی
- برشهایی روی فیلم نازک ایجاد شد
- فیلم در محفظهٔ آزمایش قرار گرفت
- با لیزر نوردهی شد و سپس کشیده شد
- حرکت نقطهٔ لیزر روی دیوارهٔ محفظه ثبت شد
نتایج عملی، دقت بسیار بالایی با پیشبینیهای نظری داشتند.
آیندهٔ بادبانهای خورشیدی
این فناوری میتواند:
- هزینهٔ انرژی کنترل جهت را کاهش دهد
- نیاز به سوخت را عملاً حذف کند
- مأموریتهای فضایی بلندمدت را ممکنتر سازد
با این حال:
- فناوریهای رقیب نیز در حال توسعه هستند
- مأموریتهای آزمایشی فضایی هنوز محدودند
- احتمالاً مدتی طول میکشد تا این ایده را در فضا ببینیم
اما یک چیز قطعی است:
اگر بادبان کیریگامی روزی در فضا باز شود، یکی از شگفتانگیزترین سازههای تاریخ فضانوردی خواهد بود.