في غضون عقود قليلة ،اختراق Starshotتأمل المبادرة في إرسال سفينة شراعية إلى نظام Alpha Centauri المجاور. باستخدام شراع ضوئي ومصفوفة طاقة موجهة (تُعرف أيضًا باسم الليزر) ، يمكن تسريع مركبة فضائية صغيرة إلى 20٪ من سرعة الضوء (0.2)ج). هذا من شأنه أن يسمحستارشوتللقيام برحلة إلى Alpha Centauri ودراسة أي كواكب خارجية هناك في غضون 20 عامًا فقط ، وبالتالي تحقيق حلم الاستكشاف بين النجوم في حياتنا.
بطبيعة الحال ، تقدم هذه الخطة عددًا من التحديات الهندسية واللوجستية ، يتضمن أحدها إعادة البيانات إلى الأرض. في دراسة حديثة ، مدير أنظمة Starshot د. Kevin L.G. يحلل باركين إمكانية استخدام الليزر لنقل البيانات مرة أخرى إلى الأرض. هذه الطريقة ، كما جادل باركين ، هي الطريقة الأكثر فاعلية للبشرية للحصول على لمحة عما يكمن وراء نظامنا الشمسي.
شغل مؤلف الدراسة ، الدكتور كيفن باركين ، منصب مدير أنظمة Breakthrough Starshot منذ عام 2016. وقبل ذلك ، حصل على وسام كوروليف من الاتحاد الروسي للملاحة الفضائية والملاحة الفضائية لعمله الرائد في الدفع الحراري بالميكروويف. كما أسس شركة طيران في سان فرانسيسكو باركين للأبحاث ، التي تتخصص في تطوير تقنيات توفير التكاليف.
تناول قضية الوصلة الهابطة للاتصالات ، سعى الدكتور باركين لحساب الخيار الأفضل لشراع ومركبة فضائية متكاملة (ويعرف أيضًا باسم المركبة الشراعية). تحقيقًا لهذه الغاية ، نظر في إمكانية وجود جهاز إرسال ليزر ذي شعاع ضيق على متن قطر 4.1 متر (13.45 قدمًا)ستارشوتالمراكب الشراعية ، والتي ستبدأ في الإرسال إلى تلسكوب طوله 30 مترًا (حوالي 100 قدم) على الأرض بمجرد وصولها إلى Alpha Centauri.
ستتخذ هذه المصفوفة شكل مصفوفة بصرية ذات مراحل 100 واط (مدمجة في الشراع نفسه) تستخدم الليزر لتحويل الطاقة من الوسط النجمي (ISM). يتصور الدكتور باركين أن المصفوفة ستنقل البيانات بطول موجة 1.02 ميكرومتر ، والتي سيتم استقبالها بعد ذلك عند 1.25 ميكرومتر بواسطة التلسكوب - الذي يضع الإرسال في الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء / بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية.
يقدم هذا النوع من الوصلة الهابطة العديد من المزايا مقارنة بالاتصالات التي تعتمد على الموجات الراديوية أو الإرسال بالموجات الدقيقة. كما قال الدكتور باركين لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
'بالنسبة إلى الموجات الدقيقة ، تتميز أجهزة الليزر بطول موجي أقصر بألف مرة ، وبالتالي فهي تشكل شعاعًا أكثر إحكامًا من Alpha Centauri إلى الأرض ... ميزة إرسال 100 واط عبر المنطقة الكاملة للمركبة الشراعية هي أن جهاز الاستقبال الأرضي يتقلص إلى 30 تلسكوب متر ، شيء من المحتمل جدًا أن يكون موجودًا في غضون عقد أو عقدين '.
الكون المرئي على مقياس لوغاريتمي. الائتمان: بابلو كارلوس بوداسي / ويكيبيديا كومنز
أضاف الدكتور باركين أيضًا أنه في غضون نفس الفترة الزمنية ، ستسمح التحسينات في المرشحات وأجهزة الكشف بمصفوفات من التلسكوبات من فئة المتر التي يمكنها العمل معًا لاستقبال الإشارات من المركبة الفضائية. ومع ذلك ، فإن نظام الاتصالات هذا يأتي أيضًا مع نصيبه من العيوب ، يرتبط أحدها ارتباطًا مباشرًا بطبيعة الحزمة الضيقة. بشكل أساسي ، يجب توجيه المصفوفة بدقة إلى الأرض حتى يتم تلقي البيانات.
قال الدكتور باركين: 'إذا شعرت المركبة الشراعية بالاتجاه النسبي للوسط النجمي ، فإن ذلك يشير إلى الأرض (أو على الأقل ، حيث كانت الأرض عندما انطلقت المركبة الشراعية)'. 'من هناك ، سيكون عليها أن تجد الشمس. بعد ذلك ، نظرًا لأن عرض الحزمة لا يتجاوز سوى عُشر المسافة من الشمس إلى الأرض ، فسيتعين على السفينة الشراعية حساب أو إيجاد الموقع النسبي للأرض والإشارة إليها '.
ومع ذلك ، يمكن التغلب على هذا عن طريق إرسال مركبات فضائية متعددة ، وهو ما يتماشى مع الرؤية العامة لـستارشوت. لسنوات عديدة ، كانت مبادرات الاختراق تفكر في كيفية قيام أسطول من 'المركبات النانوية' التي يجرها شراع خفيف والتي تزن بضعة جرامات فقط بتمكين السفر والاستكشاف بين النجوم. كما أوضح الدكتور باركين:
يفضل الاقتصاد إطلاق الضوء وغالبًا ، مثل سفينة شراعية واحدة تزن 4 جرامات في الأسبوع (تكلفة الطاقة تبلغ 6 ملايين دولار فقط). هذا يعني أنه لن يكون هناك رابط واحد فقط ، بل العديد من الوصلات الهابطة. كما رأينا من الأرض ، سيتم اصطفاف مختلف المراكب الشراعية عبر السماء ، لتشكل نوعًا من خط أنابيب من المراكب الشراعية في مراحل مختلفة من الالتقاء مع Alpha Centauri '.
حشد من المركبات الفضائية ذات الشراع الليزري تغادر النظام الشمسي. الائتمان: أدريان مان
يضيف الدكتور باركين أن هناك فائدة إضافية تتمثل في إرسال مركبات فضائية متعددة بروابط هابطة مباشرة تتمثل في إمكانية وجود روابط متقاطعة بينها. إذا تم ذلك ، فسيصبح الاتصال بالأرض بمثابة خط أنابيب خاص به - خط أنابيب داخل خط أنابيب. هذا من شأنه أن يقلل من خطر فقدان البيانات الأساسية ويسمح للمراكب الشراعية التي مرت بالفعل عبر نظام Alpha Centauri بنقل المعلومات إلى تلك التي لا تزال في طريقها.
كانت التوصية النهائية التي قدمها الدكتور باركين في الورقة هي إدراج خوارزمية موزعة تسمح للمركبة الفضائية بالعمل جنبًا إلى جنب وبدرجة من الاستقلالية ، كل واحدة مسؤولة عن رسم خرائط لجزء مختلف من نظام ألفا سنتوري. يشير الدكتور باركين إلى أن هذا من شأنه أن يقلل من 'دورة اتخاذ القرار' ، والتي تكون بطيئة بشكل لا يصدق على المسافات بين النجوم:
'إن مزايا القيام بذلك هائلة - يمكن اكتشاف النظام بأكمله ورسم خرائط له قبل وصول البيانات الأولى على الإطلاق إلى الأرض. من الناحية النظرية ، قد تكتشف المركبة الشراعية الأولى كوكبًا بعيدًا كنقطة ضوء تتحرك بين الصور ، وعلى هذا الأساس تقيد مدارها بحيث تتمكن المركبة الشراعية التالية من المناورة لتمريرها من مسافة أقرب ، مما يحل تفاصيل السطح. يمكن للمراكب الشراعية اللاحقة إنشاء الخرائط وتتبع ميزات السطح واكتشاف معظم الكواكب والأقمار في النظام بمرور الوقت '.
لكسر كل ذلك ، يتصور الدكتور باركين أسطولًا من السفن الشراعية يقوم باستكشافات آلية لأنظمة النجوم البعيدة. سيكون أول من يدخل النظام مسؤولاً عن رسم خرائط للكواكب والأقمار ، وستحدد الموجة التالية مداراتها ، وستقوم الموجة التالية بمراقبتها من مسافة قريبة وترسم خريطة وتراقب أسطحها.
في هذا الصدد ، يتناول المفهوم المعروض هنا أحد أكبر تحديات الاستكشاف بين النجوم ، وهي صعوبة التواصل مع المسابير عبر مثل هذه المسافات الشاسعة. كما قال البروفيسور أبراهام لوب - أستاذ فرانك بي بيرد جونيور للعلوم في جامعة هارفارد ورئيس اللجنة الاستشارية بريكثرو ستارشوت - لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
'رابط الاتصال الذي تتناوله ورقة Kevin هو أحد أكبر التحديات التي يواجهها برنامج Starshot. المسافة الشاسعة لأقرب نجم ، 4.24 سنة ضوئية ، والقدرة المنخفضة للإرسال ، تعني إشارة خافتة وبالتالي جهاز استقبال كبير على الأرض. لا توجد فرصة لإرسال أوامر إلى المركبة الفضائية في الوقت الفعلي لأن أقصر رحلة في اتجاهين للإشارات الضوئية ستستغرق 8.48 سنة '.
أخيرًا ، تناول الدكتور باركين السؤال الملح حول ما يجب أن يحدث قبل أن يتحقق مشروع من هذا النوع. بينما تقدم الورقة العديد من الحلول الإبداعية لتحدي الاتصالات ، وهي واحدة من أكثر القضايا انتشارًا التي تعانى منهاستارشوتهي حقيقة أن التطورات والابتكارات المستقبلية ضرورية لإدخالها في عالم الفعالية من حيث التكلفة.
وقال: 'إن إدراك القدرات الكاملة للمركبة الشراعية كما هو موصوف هنا قد يستغرق مائة عام ، أو قد يكون نتيجة ثانوية لأبحاث مدفوعة تجارياً خلال العقود القليلة القادمة'. 'المصفوفات المرحلية بالموجات الدقيقة مستخدمة منذ 50 عامًا ، لكن المصفوفات ذات الطور البصري ليست موجودة بعد وستتطلب الكثير من العمل للاندماج في شراع خزفي. يمكن القول إن توليد الطاقة من الوسط البينجمي فريد من نوعه لـ Starshot ويحتاج إلى البحث ، ولكن المردود هو أن الطاقة المتاحة للوصلة الهابطة هي أوامر من حيث الحجم أكبر مما هو ممكن بطريقة أخرى '.
ثم مرة أخرى ، فإن أي وجميع مفاهيم استكشاف الفضاء بين النجوم أو الفضاء السحيق تمثل نصيبها من التحديات ، وبعضها شاق بشكل خاص. ومثل العديد من العقبات التقنية الأخرى التي تواجهستارشوتفريق ، هذه التحديات لديها وسيلة لإلهام الحلول الإبداعية والمبتكرة. في غضون ذلك ، كل ما يمكننا فعله هو الانتظار ونأمل أن يحدث تقدم وخلق فرص جديدة.
تشمل الدراسات السابقة للدكتور باركين دراسة 2018 ، ' نموذج نظام Breakthrough Starshot ، 'التي ظهرت فيقانون الملاحة الفضائية. تصف هذه الورقة ملفستارشوتالمهمة والمفهوم بالتفصيل وكيف سيفيدهما الاستكشاف البشري ، ليس فقط في المجال بين النجوم ولكن أيضًا داخل النظام الشمسي.
قراءة متعمقة: arXiv