جهش بزرگ بعدی در سفرهای فضایی آینده چیست؟

وب‌سایت پروفسورها - محمدرضا رضائی: چندی پیش سیاره‌ای شبیه به زمین کشف شد. این سیاره به دور نزدیک‌ترین ستاره (بعد از خورشید) به زمین می‌گردد. سفر به این سیاره با فناوری امروزی حدد ۷۰ هزار سال طول می‌کشد. طبیعتا پیمودن چنین فواصل دوری با مقیاس عمر بشر و با تکنولوژی‌های امروزی ما ممکن نیست اما شاید در آینده دور آن‌قدرها هم غیر ممکن نباشد. در این گزارش برخی از تکنولوژی‌هایی که شاید بتوانند روزی سفرهای سریع فضایی را برای ما ممکن کنند با هم مرور می‌کنیم.

بادبان الکتریکی

در سال ۱۹۸۰(۱۳۵۹) ، کارل سیگن (Carl Sagan) در مجموعه تلویزیونی کاسموس (Cosmos) فضاپیمای تخیلی خودش را معرفی کرد. طراحی فانتزی این فضاپیما شبیه به قاصدکی شناور روی بادهای کیهان بود. اما به نظر می‌رسد تا رسیدن به رویا و تخیل سیگن راه زیادی باقی نمانده است.

ایده بادبان الکتریکی (ای‌.سِیل) را برای نخستین‌بار «دکتر پِکا جان‌هونِن»(Pekka Janhunen) از موسسه‌ی هواشناسی فنلاند ارائه کرد. او روی نورهای شمالگان و جنوبگان مطالعه می‌کرد. پدیده‌‌ای که بر اثر برخورد و واکنش ذرات باردار خورشیدی با لایه‌های فوقانی جو زمین به وجود می‌آید.

جان هونن محاسبه کرد چگونه می‌توان بادبان مجازی ساخت که با مهار مداوم ذرات الکتریکی ناشی از بادهای خورشیدی یا ستاره‌ای باعث حرکت فضاپیما شود. براساس محاسبات او باید از مرکز بادبان مجازی بین ۵۰ تا ۱۰۰ سیم خارج شود. طول هر سیم هم به حدود ۲۰ کیلومتر می‌رسد. این سیم‌ها با بار الکتریکی مثبت با شدت جریان ۲۰ هزار ولت شارژ می‌شود و هنگامی‌که ذرات مثبت بادهای خورشیدی به بادبان می‌رسند، باعث دفع آن و سپس حرکت فضاپیما می‌شود.

براساس محاسبات فضاپیمایی با وزن یک تن با شتاب یک میلی‌متر برمجذور ثانیه حرکت خود را آغاز می‌کند. این عدد بسیار کم است. اما بعد از گذشت یک سال سرعت فضاپیما به ۳۰ کیلومتر بر ثانیه می‌رسد. به این معنا که فضاپیمای نیم‌تنی نیوهورایزنز ناسا برای رسیدن به پلوتو حدود نه سال در راه بود. درحالی‌که یک بادبان الکتریکی قادر است فضاپیمایی با وزن دو برابر نیوهورایزنز را در نصف این زمان به پلوتو برساند.

قرار است به‌زودی نمونه‌ی آزمایشی از یک بادبان الکتریکی در ماهواره «آلتوا-۱» فنلاند آزمایش شود. این ماهواره چهار کیلوگرم وزن دارد و ماموریت آن در فضا دو سال طول می‌کشد. اما در این مدت قرار نیست از بادبان الکتریکی خود برای شتاب‌گرفتن استفاده کند؛ بلکه این ماهواره پس از اتمام ماموریت‌اش (برای آنکه به زباله فضایی تبدیل نشود) به کمک بادبان الکتریکی ارتفاع مداری خود را کاهش می‌دهد و در جو زمین سقوط خواهد کرد.

جان پراکس (JaanPraks)، پژوهشگر ارشد ماهواره در دانشگاه آلتو در فنلاند درباره‌ی اهمیت این فناوری بادبان الکتریکی می‌گوید: «فناوری‌ای. سیل ظرفیت بزرگی دارد. زیرا می‌تواند پیشران موردنیاز ماموریت‌های بین‌سیاره‌ای را بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر فراهم کند. این باعث می‌شود ده‌ها میلیون دلار در هزینه‌های پرتاب صرفه‌جویی شود.»

او مهم‌ترین جنبه‌ی فناوری ای.سیل را قابل قبول‌بودن و اجرایی‌بودن آن می‌داند. پراکس اعتقاد دارد ای.سیل اختراع مرموزی برای آینده نیست. فقط درحال‌حاضر به تعدادی مهندس خوب و تصمیم‌گیرندگان عاقل نیاز است.

به‌تازگی ناسا هم به سرمایه‌گذاری روی طرح بادبان‌ الکتریکی علاقمند شده است. جان‌هونِن و همکارانش در آمریکا اخیرا موفق شدند برای توسعه‌ی این طرح حمایتی ۵۰۰ هزار دلاری به همراه آزمایشگاهی در آمریکا را به دست بیاورند. آن‌ها روی طرح مفهومی کار می‌کنند که بتواند فضاپیمایی را به فراسوی مدار پلوتو ببرد.

فضاپیمایی با بادبان الکتریکی برای رسیدن به لبه‌ی منظومه‌ی شمسی تنها به ۱۰ سال زمان نیاز دارد. اما رسیدن به نزدیک‌ترین ستاره با این فناوری هزاران سال طول می‌کشد.

موشک‌هایی با سوخت پادماده

«پادماده»، سوخت اصلی فضاپیمای «اینترپرایس» در فیلم «پیشتازان فضا» است. پادماده به معنای واقعی سوختی ایدئال است. زیرا ۱۰۰درصد بهره‌وری دارد و با استفاده از آن می‌توان کل یک ماده را به انرژی تبدیل کرد. ناسا در سال ۲۰۰۶ (۱۳۸۵)، مطالعات اولیه‌ای را برای بررسی ساخت سوخت پادماده آغاز کرد. «جرالد اسمیت» مدیر این طرح پژوهشی می‌گوید یک فضاپیما به کمک این فناوری می‌تواند چهل‌وپنج‌روزه به مریخ برسد. اما چرا باید در مریخ توقف کرد؟

پیش از این در سال ۲۰۰۳ (۱۳۸۲)، نتایج مطالعات فیزیکدان «جرالد جکسون» (Gerald Jackson) و مهندس هسته‌ای «استیو هاو» (Steven Howe) نشان داد یک فضاپیما با ۱۷ گرم پادماده قادر است مسافت یک سال نوری را در ۱۰ سال بپیماید. این یعنی سفر به نزدیک‌ترین ستاره با این فناوری (به جای چندهزار سال)، تنها ۴۰ سال طول می‌کشد.

اما تولید پادماده در زمین بسیار پرهزینه است. ناسا در سال ۱۹۹۹ (۱۳۷۸) محاسبه کرد تولید هر گرم پادماده حدود ۵/۶۲ تریلیون دلار (هزارهزار میلیارد) هزینه دارد. زیرا برای تولید همین مقدار کم از پادماده به شتاب‌دهنده‌های ذرات بسیار گران‌قیمتی نیاز است. درحال حاضر با مجموع توان همه‌ی شتاب‌دهنده‌های فعلی جهان از جمله شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرون در «سرن»، تنها قادر به تولید ۲۰ نانوگرم پادماده هستیم.

مشکل بعدی در تولید پادماده، بحث ذخیره‌سازی و نگهداری آن است. همان‌طور که می‌دانید، پادماده در مقابل ماده است. معادل الکترون در ماده، پوزیترون در پادماده نام دارد؛ دقیقا با همان جرم، اما با بار الکتریکی مخالف. هنگامی که یک پوزیترون و الکترون به هم می‌رسند، همدیگر را نابود می‌کنند. بنابراین ذخیره‌ی پادماده در محیطی ساخته‌شده از ماده عملا محکوم به شکست است.

با این حال پادماده بار الکتریکی دارد و می‌توان آن را به کمک میدان مغناطیسی منحرف کرد. به این معنی که می‌توان پادماده را در ظروفی با پوشش مغناطیسی ذخیره کرد و مانع از تماس آن با بطری شد. فراهم‌کردن همه‌ی این شرایط بسیار سخت است و دقیقا همین چالش‌ها، انگیزه و محرک پژوهشگران آینده برای مطالعه‌ی چگونگی ساخت پادماده است.

هم‌اکنون جکسون و هاو سرمایه‌گذاری برای تولید نمونه‌ی آزمایشگاهی پادماده را آغاز کرده‌اند تا این نظریه‌ را به‌واقعیت نزدیک کنند.

ماشین الکترومغناطیس

چگونه یک رانشگر می‌تواند بدون سوخت کار کند؟ بسیاری از فیزیکدان‌ها ایده‌ی ماشین الکترومغناطیس را بیشتر رویاپردازی و فانتزی می‌دانند، اما طرفداران این فرضیه اعتقاد دارند با ظهور این ماشین‌ها بازی عوض می‌شود.
هنگامی‌که ما فضاپیمایی را به فضا پرتاب می‌کنیم، بخش زیادی از جرم آن را سوخت تشکیل می‌دهد؛ به عنوان نمونه جرم سوخت شاتل فضایی، ۱۶ برابر جرم خود فضاپیما‌ست. فیزیکدان‌ها معتقد هستند راهی جز این وجود ندارد. زیرا سوخت موشک می‌سوزد و گاز حاصل از آن از یک طرف با سرعت زیاد خارج می‌شود و آن را به سمت مخالف حرکت می‌دهد. این موضوع به خوبی در قانون سوم نیوتن بیان شده است؛ هر عملی، عکس‌العملی در جهت مخالف دارد. موتورهای الکترومغناطیس که فاقد ماده‌ی پیشران هستند به دلیل ناسازگاری با قوانین فیزیک نمی‌توانند کار کنند. طرح ساخت این موتور مخالفان نظری سرسختی دارد.

اما فارغ از این‌ها پژوهشگرانی در بریتانیا، آمریکا و چین روی این طرح کار کرده‌اند. گروهی پژوهشی هم در ناسا به تازگی در سال ۲۰۱۵ (۱۳۹۴) موفق شد نمونه‌ای اولیه و آزمایشگاهی‌ از این موتور را بسازد.نمونه‌ی اولیه‌ی این موتور توانست با اتصال به یک طناب، اندکی از روی زمین بلند شود.

منتها منتقدان هنوز به درستی قانع نشدند. زیرا اعتقاد دارند که آزمایش به درستی انجام نمی‌شود و خطایی در آن وجود دارد. آن‌ها پیشنهاد دادند تا عملکرد این موتور را در محیط خلأ آزمایش کنند، زیرا به نظر می‌رسد قوانین فیزیک کوانتوم بتواند توجیهی برای آن پیدا کند که فیزیک کلاسیک از توصیف آن عاجز است. دکتر «مک‌کولاک» استاد «دانشکده‌ی علوم و فنون دریایی دانشگاه پلیموث» (Plymouth State University) می‌گوید: «در علم، داده‌های جدید باید بر پایه‌ی نظریه‌های قدیمی توضیح داده شود و همیشه خطر خطای آزمایش وجود دارد. ولی معمولا سریع‌ترین پیشرفت‌ها در شرایط عجیب و به ظاهر غیرعادی به وجود آمده‌اند.

ماشین آلوبیره

بدون کمک یک ماشین وارپ امکان سفرهای بین‌ستاره‌ای وجود نخواهد داشت. این ماشین فرضی بخش اصلی داستان پیشتازان فضا بود. در این راه عملا یک مشکل اساسی فیزیکی وجود دارد و آن این‌که هنوز چیزی سراغ نداریم که بتواند سریع‌تر از نور حرکت کند. آلبرت اینشتین در نظریه‌ی نسبیت نشان داد که نور از هر چیزی در کیهان سریع‌تر حرکت می‌کند.

با آن‌که سرعت نور حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است، اما در مقایسه با فواصل کیهانی سرعت آهسته‌ای دارد. سفر به نزدیک‌ترین ستاره‌ی بعد از خورشید با سرعت نور حدود ۳/۴ سال طول می‌کشد. مگر آن‌که ما بتوانیم سرعت نور را بشکنیم و در این‌جا بحث ماشین وارپ مطرح می‌شود. اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام، تعریف جدیدی از ماهیت گرانش ارائه کرد. او فهمید برای توصیف گرانش گفت که فضا همانند یک صفحه‌ی پلاستیکی انعطاف‌پذیر (فضا - زمان) است که هر ستاره یا سیاره بسته به جرمی که دارد در این صفحه خمش و فرورفتگی ایجاد می‌کند و گرانش دقیقا بر‌اثر همین به وجود می‌آید.

در سال ۱۹۹۴ (۱۳۷۳)، میگل آلوبیره، فیزیکدان مکزیکی مقاله‌ای منتشر کرد و در آن نشان داد که می‌توان فضاپیمایی ساخت که سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. هیچ‌کدام از قوانین فیزیک هم نقض نمی‌شود. زیرا نسبیت عام فقط شامل سفر در فضاست، نه حرکت خود فضا. اما مشکل این‌جاست که برای ایجاد خمش در صفحه‌ی فضا - زمان به ماشینی نیاز داریم که آن را «آلوبیره» می‌نامند و در حال حاضر هیچ جسم یا انرژی وجود ندارد که بتواند انرژی اولیه را تامین کند. در راستای طرح آلوبیره، ناسا در سال ۱۹۹۶(۱۳۷۵) برنامه‌ای برای پژوهش در زمینه‌ی فیزیک پیشرانش آغاز کرد. در این برنامه هدف این بود که آیا راهی برای شکستن سرعت نور وجود دارد؟ اما این برنامه پس از شش سال و صرف ۱.۲ میلیون دلار هزینه متوقف شد. نتیجه‌ی کلی این برنامه نشان داد که هیچ نیروی محرکه‌ای قطعی وجود ندارد که بتواند سرعت نور را بشکند. متاسفانه باید گفت سفر به ستاره‌ها به این راحتی نیست و بعید به نظر می‌رسد در طول حیات نسل ما این آرزو محقق شود.