چگونه بادبان های خورشیدی پراش می توانند یک سیارک قاتل را با سرعت 100 کیلومتر بر ثانیه متوقف کنند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

سیارک ها با برچسب هشداری مبنی بر اینکه ممکن است روزی به زمین برخورد کنند، ارائه نمی شوند. در حالی که ما در حال حاضر هیچ دوره ای برای انجام این کار نمی دانیم، ما هر سال هزاران مورد جدید پیدا می کنیم، و همیشه این شانس وجود دارد که کسی بتواند این کار را انجام دهد.

ما یک تکنیک مناسب برای مقابله با این احتمال را اثبات کردیم: مأموریت DART با موفقیت یک سیارک کوچک را با استفاده از یک "ضربه جنبشی" حرکت داد - اساسا یک میله بزرگ که برای بیرون راندن سیارک از مسیرش طراحی شده است. اما DART یک نقص بزرگ داشت: این سیارک در همان جهت حرکت می کرد و از پشت به آن نزدیک شد و در نهایت با یک ضربه گیر که در حین گردش به دور آن پرتاب شده بود به آن برخورد کرد. اگر هشدار کافی داشته باشیم، ممکن است این تکنیک کارساز باشد، اما به سال‌ها مانور مداری نیاز دارد.

یک جایگزین پیشنهادی توسط محققان دانشگاه بی هانگ، استفاده از نوع جدیدی از بادبان خورشیدی برای منحرف کردن یک سیارک بالقوه خطرناک با برخورد رو به رو است. کار بر روی سرور preprint arXiv منتشر شده است.

انحراف یک سیارک با استفاده از یک ضربه گیر به یک عامل ساده خلاصه می شود: انرژی. هرچه انرژی بیشتری از ضربه‌گیر به سیارک منتقل شود، سیارک بیشتر حرکت می‌کند. و نکته ای که در مورد انرژی وجود دارد این است که با مجذور سرعت افزایش می یابد. به عبارت دیگر، هر چه سریعتر به چیزی ضربه بزنید، انرژی بیشتری به آن می‌دهید.

DART با سرعتی در حدود 6 کیلومتر بر ثانیه به دیمورفوس، سیارک هدف خود برخورد کرد - سرعتی قابل احترام، اما به دلیل این واقعیت که از همان جهت می آمد محدود شد. بر اساس این مقاله جدید، یک ضربه‌گیر با استفاده از بادبان خورشیدی می‌تواند از جهت مخالف به یک سیارک نزدیک شود (مثل یک راننده بزرگراه اشتباه) و با سرعت 100 کیلومتر بر ثانیه به هدفش برخورد کند و چیزی حدود 230 برابر انرژی به ازای هر کیلوگرم جرم ضربه‌گیر که آزمایش DART انجام داد، منتشر کند.

مشکل حرکت فضاپیما در جهت مخالف است. تقریبا همه چیز در خلاف جهت عقربه های ساعت به دور خورشید می چرخد، از جمله زمین. به این ترتیب، هنگامی که چیزی از زمین پرتاب می شود، در حال حاضر به آن سمت حرکت می کند. معکوس کردن جهت و ورود به یک مدار در جهت عقربه‌های ساعت (پس‌رونده) به بیان معتدل نیاز به انرژی زیادی دارد. موشک‌های شیمیایی قادر به انجام آن نیستند - ظلم معادله موشک تسیولکوفسکی، حمل سوخت کافی برای تکمیل آن مانور را برای آنها غیرممکن می‌کند. اما بادبان های خورشیدی به طور بالقوه می توانند.

بادبان های خورشیدی با مهار فشار تابش خورشیدی کار می کنند - مقدار کمی نیرویی که یک فوتون در هنگام برخورد با چیزی وارد می کند. در اصل، آنها به جای نیاز به سوخت مانند موشک های شیمیایی یا یونی سنتی، روی نور خورشید حرکت می کنند. در دهه 1990، مهندس ایتالیایی، Giancarlo Vulpetti متوجه شد که می‌توانید از این فناوری برای وارد کردن یک بادبان خورشیدی به مسیری که او آن را مسیر معکوس H نامید، استفاده کنید - اساسا راهی برای شروع چرخش بادبان به عقب.

این تکنیک ابتدا از بادبان به عنوان ترمز استفاده می کند و حرکت زاویه ای کشتی را کاهش می دهد. پس از اینکه به صفر رسید، گرانش خورشید کار خود را انجام می دهد و در یک شیرجه عمیق، سفینه را به سمت ستاره ما می کشد. اما در مسیر حرکت Vulpetti، بادبان در طول نزدیک‌ترین نزدیک‌ترین فضاپیما (حضیض) به عقب برمی‌گردد و به سمت خارج به مدار رتروگراد برمی‌گردد. به نظر می رسد راه حلی برای حرکت یک ضربه گیر در جهت درست برای انتقال انرژی عظیم به یک سیارک. تنها یک مشکل وجود دارد: بادبان های خورشیدی به طرز بدنامی دست و پا چلفتی هستند.

ما چند مورد را با موفقیت در فضا آزمایش کرده‌ایم—ماموریت IKAROS JAXA و LightSail 2 از انجمن سیاره‌ای نمونه‌هایی از بادبان‌های خورشیدی سنتی هستند که اساسا مانند آینه‌های غول‌پیکر عمل می‌کنند. در مورد آنها، نوری که از آنها منعکس می شود در همان زاویه ای که به آن می رسد خارج می شود. رانش همیشه عمود بر سطح بادبان است. این وضعیت برای یک مسیر معکوس H ایده‌آل نیست، زیرا به این معنی است که باید بادبان را با زاویه شدید نسبت به خورشید کج کنید. این یک هدف بسیار کوچکتر برای نور خورشید است که به طور چشمگیری کارایی بادبان را کاهش می دهد.

بادبان خورشیدی پراش را وارد کنید. به جای فیلم بازتابنده سنتی، موادی که این بادبان‌ها از آن ساخته شده‌اند از توری‌های نوری ریزساختار برای پراش نور به طرفین بدون چرخش بادبان استفاده می‌کند. این بدان معناست که بادبان می تواند تمام صورت خود را به سمت خورشید نگه دارد، حتی در حضیض، اما تمام آن رانش را به سمت حرکت جانبی هدایت کند. این به طرز چشمگیری کنترل نگرش را ساده می کند و همچنان فشار قابل توجهی را که برای انجام این مانور مداری پیچیده لازم است، فراهم می کند.

محققان چندین پیکربندی بادبان خورشیدی را برای این مسیر معکوس H شبیه‌سازی کردند و دریافتند که بادبان‌های پراش نوع انعکاس برنده واضحی هستند. در شبیه‌سازی‌های آن‌ها، هر نوع دیگری یا به خورشید می‌افتاد یا به طور کامل از منظومه شمسی رانده می‌شد. اما یافتن نوع مناسب بادبان فقط اولین قدم بود—شبیه سازی دوم آن ها به بررسی اتفاقاتی که ممکن است با یک سیارک معروف دیگر بیفتد: آپوفیس بود.

آپوفیس سیارکی با عرض 340 متر (1115 فوت عرض) است که در 13 آوریل 2029 به فاصله 38000 کیلومتری زمین (23600 مایلی) خواهد رسید. در حالی که این به خودی خود انحراف را تضمین نمی کند، محققان تصمیم گرفتند تا ببینند که چه کاری می توانند با این ستاره خوب انجام دهند. آنها یک بادبان انعکاسی-انعکاسی را در دو پیکربندی شبیه‌سازی کردند - یکی مجموعه‌ای با زاویه پراش دائمی، و دیگری که می‌توانست از یک زاویه متوسط ​​برای شیرجه به سمت خورشید به زاویه 90 درجه نزدیک به حضیض تبدیل شود.

هر دو نسخه توانستند یک ضربه‌گیر با سرعت 100 کیلومتر بر ثانیه را در حدود 200 تا 300 روز پس از پرتاب مستقیما به آپوفیس تحویل دهند. این امر تقریبا یک سال از زمان مأموریت یک بادبان خورشیدی بازتابنده استاندارد را کاهش می دهد - تفاوتی که می تواند تعیین کند که آیا یک سیارک منحرف شده یا به زمین برخورد می کند.

امیدواریم هرگز نیازی به استفاده از این فناوری برای انحراف یک سیارک بالقوه خطرناک نداشته باشیم. اما واقع بینانه، ما روزی با یکی از آنها روبرو خواهیم شد. دانستن اینکه این تکنیک می‌تواند صدها برابر بیشتر از تاثیرات معمولی‌تر هم مداری که تاکنون کار کرده‌ایم، انرژی ایجاد کند، دلگرم کننده است. حداقل می دانیم که ابزار دیگری در کمربند ابزار ما برای مقابله با این خطرات وجود دارد، حتی اگر هرگز مجبور به استفاده از آن نباشیم.

جینکای ژانگ و همکاران، مسیر معکوس H- بادبان پراش: امکان سنجی نظری، استراتژی‌های طراحی و کاربردها، arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2608.04596

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →