موفقیت ماموریت LightSail 2 و نمایش ظرفیت بادبان‌های نوری برای فضانوردی

MacTavish · 27/8/19

برای اولین‌‌بار در جهان، فضاپیمای LightSail 2 با موفقیت توانست نیروی لازم برای تغییر مدار را تنها بااستفاده از بادبان‌‌های نوری خود فراهم کند.

در سال ۱۹۷۶، کارل سیگن، اخترشناس آمریکایی در یک برنامه‌‌ی تلویزیونی به بحث درمورد شکل تازه‌‌ای از پیشرانه‌‌های فضایی موسوم‌‌به بادبان نوری (بادبان خورشیدی) پرداخت. حال پس از ۴ دهه، یک مؤسسه‌‌ی غیرانتفاعی با نام انجمن سیاره‌ای (The Planetary Society) به‌‌صورت عملی از چشم‌‌انداز فوق‌‌العاده‌‌ی این فناوری پرده برداشته است.

پروژه‌‌ی لایت‌‌سیل ۲ (LightSail 2) که حاصل ۱۰ سال تلاش مداوم و صرف ۷ میلیون دلار هزینه از محل کمک‌‌های مردمی است، اولین فضاپیمای کوچکی خواهد بود که قادر به تغییر مدار خود تنها با استفاده از انرژی خورشیدی است. گفتنی است که در بیشتر مأموریت‌‌های فضایی امروزی از پیشرانه‌‌های موتوری بهره گرفته می‌شود که با احتراق منابع سوخت موجود در فضاپیما انرژی لازم برای حرکت تأمین می‌‌شود؛ اما در لایت‌‌سیل ۲، با برخورد فوتون‌‌های نور به بادبان‌‌هایی با ابعاد ۳۲ مترمربع (تقریبا به‌‌اندازه‌‌ی مساحت یک رینگ بوکس) نیروی بسیار اندکی ایجاد می‌‌شود؛ این نیرو چیزی به‌‌اندازه‌‌ی نیروی ناشی از وزن یک گیره‌‌ی کاغذی در کف دست خواهد بود؛ ولی از آنجا که نور خورشید به‌‌صورت دائمی می‌‌تابد، اعمال مداوم نیروی ناشی‌‌ از آن نیز باعث سرعت‌‌گیری فضاپیما، بدون مصرف هرگونه سوختی خواهد شد. بروس بتز، مدیر برنامه‌‌ی لایت‌‌سیل و دانشمند ارشد مؤسسه می‌‌گوید:

ما بسیار هیجا‌‌ن‌‌زده‌‌ایم که می‌‌توانیم انجام موفقیت‌‌آمیز مأموریت لایت‌‌سیل ۲ را اعلام کنیم. هدف ما این بود که بتوانیم حرکت کنترل‌‌شده‌‌ی یک ماهواره‌‌ی کیوب‌‌سَت را ازطریق تغییر مدار فضاپیما تنها به‌‌کمک فشار ناشی از برخورد نور خورشید نشان دهیم؛ موردی که هرگز پیش‌ از این مشاهده نشده بود.

فضاپیمای لایت‌‌سیل ۲، در ۲۵ ژوئن از طریق راکت فالکون هوی اسپیس ایکس به فضا پرتاب شد و برای مدتی بیش از یک ماه در مدار بود؛ تا اینکه هفته‌‌ی گذشته برای اولین‌‌بار بادبان‌‌های درخشان خود را (که از جنس پارچه‌‌ی مایلار هستند) گشود. حال با گذشت حدود ۸ روز از آن زمان، فضاپیما توانسته مدار خود را به‌میزان ۱/۷ کیلومتر ارتقا دهد؛ آن هم تنها باکمک انرژی فوتون‌‌های نوری که به بادبان‌‌های آن برخورد می‌‌کردند.

پس از آزمایش بادبان خورشیدی ژاپنی‌‌ها با نام ایکاروس (IKAROS) در سال ۲۰۱۰، پروژه‌‌ی لایت‌‌سیل ۲ دومین تلاش موفق تجهیز یک دستگاه با فناوری بادبان‌‌های خورشیدی است. تفاوت اینجا است که لایت‌‌سیل ۲ برخلاف ایکاروس می‌‌تواند از نیروی پیشرانه‌‌ی خود برای تغییر مدار نیز استفاده کند. البته چهار سال پیش انجمن سیاره‌ای یک فضاپیما با نام لایت‌‌سیل ۱ را نیز به فضا پرتاب کرده بود که به‌‌علت ارتفاع بسیار پایین، این فضاپیما مانند ایکاروس عملا قادر به غلبه بر نیروی کشش اتمسفر و تغییر ارتفاع به مدارهای بالاتر نبود.

تصویری از لایت‌‌سیل ۲ در هفته‌‌ی گذشته؛ پیش‌‌بینی می‌‌شود این فضاپیما در آینده با افزایش حرکت بیضوی خود، نهایتا وارد اتمسفر زمین شود و بسوزد

براساس گفته‌‌های دیو اسپنسر، مدیر پروژه، یک الگوریتم داخلی در لایت‌‌سیل ۲، وظیفه‌‌ی هدایت خودکار فضاپیما را به‌‌عهده دارد. این نرم‌‌افزار با تغییر ۹۰ درجه‌‌ای زاویه‌‌ی فضاپیما در هر ۵۰ دقیقه می‌‌تواند نیروی لازم برای جابجایی را از هر مکانی و تنها از طریق نور خورشید فراهم کند؛ در حالی که ایکاروس تنها می‌‌توانست به‌‌اندازه‌‌ی ۴ یا ۵ درجه زاویه‌‌ی خود را تغییر دهد.

الگوریتم مورد استفاده در لایت‌‌سیل ۲ هنوز در حال تغییر و به‌‌روزرسانی است. در حال حاضر یکی از بزرگ‌‌ترین چالش‌‌ها، تنظیم تکانه‌‌ی فضاپیما با استفاده از یک چرخ گردان است. این چرخ برای تغییر زاویه‌‌ی کل فضاپیما و درنتیجه خاموش و روشن کردن پیشرانه‌‌ی بادبان خورشیدی به‌‌کار می‌‌رود. وقتی این چرخ به حداکثر سرعت خود می‌‌رسد (اتفاقی که طی هر روز چند بار رخ می‌‌دهد)، باید سرعت آن دوباره کاهش یابد. در حال حاضر، این کار به‌‌کمک میله‌‌های گشتاور الکترومغناطیسی انجام می‌‌شود؛ بدین ترتیب که از نیروی میدان مغناطیسی زمین برای جهت‌‌دهی فضاپیما بهره گرفته می‌‌شود. اما متاسفانه استفاده از این سازوکار باعث می‌شود که فضاپیما به‌‌صورت موقتی نتواند جهت‌‌گیری مناسب خود را برای استفاده‌ از بادبان‌‌های خورشیدی حفظ کند. از این رو، دانشمندان در تلاش هستند که تا حد ممکن جلوی چنین مشکلاتی را بگیرند. چند روز پیش نیز یک بسته‌‌ی به‌‌روزرسانی نرم‌‌افزاری برای حل همین مشکل روی سیستم فضاپیما آپلود شد. بیل نای، مدیرعامل انجمن سیاره‌ای در جریان یک کنفرانس مطبوعاتی اظهار داشت:

ما چیزهای زیادی را از لایت‌‌سیل ۲ می‌‌آموزیم. به‌‌عبارت دیگر، با اینکه ما پیش‌‌تر موفقیت این مأموریت را اعلام کرده‌‌ایم و به آنچه که ۴۲ سال انتظار آن را کشیده‌‌ایم، دست بافته‌‌ایم، ولی لایت‌‌سیل ۲ قرار است برای یک سال دیگر به پرواز خود ادامه دهد. ما طی ماه‌‌های آینده چیزهای زیادی را در مورد کنترل فضاپیما و عملکرد بادبان‌‌ها فراخواهیم گرفت.

نقاط اوج و حضیض لایت‌‌سیل ۲ از زمان پرتاب

از اکنون نمی‌‌توان به‌‌درستی پیش‌‌بینی کرد که فضاپیما تا چه‌‌ میزان افزایش ارتفاع را تجربه خواهد کرد. شبیه‌‌سازی‌‌های پیش از پرتاب نشان می‌‌دهد که هم‌زمان با افزایش نیروی پیشرانه‌‌ی خورشیدی، فضاپیما نیز در هر روز نیم‌‌کیلومتر افزایش ارتفاع خواهد داشت. درمجموع، این موضوع چندان دور از ذهن نیست؛ چراکه فضاپیما تنها طی روزهای گذشته به‌‌اندازه‌‌ی ۹۰۰ متر افزایش ارتفاع داشته است. اما همان‌‌گونه که یک حد آستانه‌‌ای برای مدارهای پایینی ماهواره‌ها وجود دارد؛ تعریف چنین آستانه‌‌ای برای مدارهای بالایی نیز دور از انتظار نیست. اسپنسر در جلسه‌‌ی مطبوعاتی می‌‌گوید:

چگالی اتمسفر در آن ارتفاعات به‌‌خوبی مدل‌‌سازی نشده و نوسانات در آن زیاد است. ما به‌‌درستی نمی‌‌دانیم در چه نقطه‌‌ای کشش اتمسفری مانع از افزایش بیشتر ارتفاع خواهد شد. پس ما این روند را تا آنجا که می‌‌شود، ادامه می‌‌دهیم.

فناوری بادبان‌‌های نوری، کاربردهای بی‌‌شماری دارد و دانشمندان پیشنهاد استفاده از آن را برای مواردی نظیر جستجوی بیگانگان، پایش وضعیت جوی خورشید و نیز به‌‌عنوان یک سیستم هشداردهنده برای خطر برخورد سیارک‌‌ها مطرح کرده‌‌اند. حتی پژوهشگران ایده‌‌ای را در سر می‌‌پرورانند که درصورت یافتن مواد مناسب با قابلیت تحمل حرارت و تشعشعات بالا بتوانند یک بادبان خورشیدی را به نقطه‌‌ای بسیار نزدیک به خورشید گسیل کنند. چنین فضاپیمایی درنهایت قادر خواهد بود با دریافت نیروی پیشران بسیار قوی‌‌تر، مسافت طولانی‌‌تری را با سرعتی بیشتر طی کند. نای طی جلسه‌‌ی مطبوعاتی اضافه کرد:

این فناوری به ما اجازه خواهد داد تا بتوانیم تجهیزات را به مقاصد بسیار دورتری در منظومه‌‌ی شمسی و حتی فراتر از آن بفرستیم. از آنجا که نیازی به سوخت نیست، پس نیازی به سیستم کنترل سوخت، مدیریت و خرید آن نیز وجود نخواهد داشت.

شاید بتوان گفت پروژه‌‌ی NEA Scout یکی از اولین کاربردهای احتمال فناوری بادبان نوری خواهد بود. در این پروژه که قرار است اواسط دهه‌‌ی ۲۰۲۰ ازسوی ناسا انجام شود، یک بادبان نوری به‌‌همراه یک کیوب‌‌ست 6U برای جمع‌‌آوری اطلاعات از سیارک‌‌های نزدیک زمین به فضا ارسال خواهد شد. اسپنسر در این رابـ*ـطه می‌‌گوید:

برخی از طرح‌‌های مفهومی مربوط‌‌به مأموریت‌‌های بادبان‌‌های نوری از فضاپیماهایی بزرگ و بادبان‌‌هایی عظیم‌‌الجثه بهره می‌برند. اما نکته‌‌ی بسیار جالب در دهه‌‌ی اخیر، انقلاب ناشی از ظهور ماهواره‌‌های کیوب‌‌ست است؛ انقلابی که با کاهش ابعاد فناوری این فرصت را فراهم کرد تا بادبان‌‌های خورشیدی خودی نشان دهند و به‌‌عنوان یک منبع پیشرانه‌‌ی فضایی برای فضاپیماهای کوچک توسعه یابند.