مركبة فضائية تعمل بالدفع الخفيف تحلق بدون وقود

فاز LightSail 2 التابع لجمعية الكواكب بمعرض Gizmodo للعلوم لعام 2024 لاختبار جدوى استخدام الفوتونات القادمة من الشمس كشكل من أشكال دفع الأقمار الصناعية.

السؤال

هل يمكن للإبحار الشمسي أن يدفع المركبات الفضائية الصغيرة ومناورتها بشكل فعال، وهل يمكن القيام بذلك بطريقة منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة؟

النتائج

تم إطلاق LightSail 2 التابع لجمعية الكواكب في يونيو 2019، حيث تم إطلاق شراعها الشمسي الذي تبلغ مساحته 344 قدمًا مربعًا (32 مترًا مربعًا) بعد شهر. تلتقط الأشرعة الشمسية الفوتونات من الشمس بنفس الطريقة التي يلتقط بها الشراع التقليدي الرياح، مما يخلق دفعات صغيرة من الزخم الذي يدفع المركبة الفضائية. إذا تمكنت مثل هذه المركبة الفضائية من التغلب على السحب الجوي للأرض، فستكون لديها القدرة على الوصول إلى ارتفاعات عالية جدًا.

كان LightSail 2 مشروعًا ممولًا من الجمهور، حيث قامت جمعية الكواكب بجمع 1.24 مليون دولار من التبرعات من عشاق الفضاء للمساعدة في تحقيق ذلك. حملت المركبة الفضائية قرصًا يحتوي على الأسماء والصور الشخصية ورسائل أخرى من معجبيها طوال مدة رحلتها.

كانت المركبة الفضائية نفسها بحجم صندوق الأحذية، وكانت أشرعتها مصنوعة من قماش مايلر الشراعي المثبت معًا بشكل أنيق. عندما تم رفع الأشرعة، كانت بحجم حلبة الملاكمة.

بعد أسبوعين فقط من دخول وضع الإبحار الشمسي، ارتفع ارتفاع LightSail 2 بمقدار ميلين (3.2 كيلومتر)، مما جعل هذه التجربة ناجحة. “لقد تمكنا من إثبات الزيادة المستمرة في ارتفاع مدارنا. قال ديفيد سبنسر، مدير مشروع LightSail ومدير نظام المهمة لحملة عودة عينات المريخ التابعة لناسا: “لقد قمنا برفعها حوالي 800 متر خلال هذا الإطار الزمني الذي دام شهرًا”.

طوال مهمتها، تمتعت LightSail 2 بأعلى مستوياتها وأدنى مستوياتها. قد تفقد المركبة المدارية أحيانًا بضعة أمتار من الارتفاع يوميًا، بينما تكتسب بضعة أمتار في أحيان أخرى. اصطدمت بجزيئات الغلاف الجوي أثناء سفرها بسرعة تصل إلى 20000 ميل في الساعة (32000 كم / ساعة)، مما تسبب في تباطؤ المركبة الفضائية. وبعد بضع سنوات من الإبحار حول الأرض، بدأ الجهاز التجريبي يواجه انخفاضًا حادًا في الارتفاع، ويرجع ذلك أساسًا إلى السحب الجوي.

قال سبنسر: “لقد استغرق الأمر بعض الأشياء الأكثر دقة حتى نتمكن من التحكم فعليًا في المركبة الفضائية”. “لقد اكتشفنا أن نظام التحكم في المواقف لدينا لديه بعض التحيز تجاهه، وكان علينا أن نصمم ذلك بمرور الوقت ونحدث مستوى برنامج الطيران لتغيير ذلك.”

وأضاف: “لقد سمح لنا ذلك بتقديم أفضل ما لدينا من الإبحار الشمسي للمهمة بعد عامين من المهمة، وهو أمر مثير للاهتمام لأن مدارنا انخفض قليلاً”.

في نوفمبر 2022، دخل LightSail 2 مرة أخرى واحترق في الغلاف الجوي للأرض، منهيًا عرضه بطريقة دراماتيكية. في المجمل، أكمل 18000 دورة وسافر 5 ملايين ميل (8 ملايين كيلومتر).

لماذا فعلوا ذلك

تم تصور فكرة الإبحار الشمسي لأول مرة منذ أكثر من 400 عام، عندما لاحظ عالم الفلك الألماني يوهانس كيبلر مذنبًا وتساءل عن السبب الذي دفعه إلى تكوين ذيل من المواد يتتبع خلفه عبر السماء. لقد كان ضوء الشمس نفسه هو الذي كان يدفع جزيئات غبار المذنب، مما أدى إلى تشتتها. اعتقد كيبلر أن الشراع الفضائي يمكنه في يوم من الأيام التقاط أشعة الشمس بنفس الطريقة التي يستخدم بها شراع القارب الريح.

قال بروس بيتس، كبير العلماء ومدير برنامج LightSail في The Planetary Society: “الضوء يضغط علينا جميعًا في الوقت الحالي، إنه مجرد جزء صغير جدًا من الزخم الذي تنقله فوتونات الضوء”. “إذا كنت في فراغ الفضاء وقمت بنشر شراع كبير ولامع، وكان لديك مركبة فضائية منخفضة الكتلة، فيمكنك تسخير هذا الدفع واستخدامه للإبحار على ضغط الإشعاع الناتج عن ضوء الشمس.”

أحد مؤسسي جمعية الكواكب، لويس فريدمان، طور اهتمامًا شخصيًا بالإبحار الشمسي. بدأت المنظمة في تطوير التكنولوجيا في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين بمساعدة وكالة الفضاء الروسية، مما قادها إلى بناء أول شراع شمسي، كوزموس 1. ومع ذلك، فقد الشراع الشمسي في فشل صاروخ روسي في عام 2005. وصلت إلى الفضاء. قالت جينيفر فون، المديرة التنفيذية للعمليات في جمعية الكواكب: “لم نعرف أبدًا ما حدث لهذا الشراع الشمسي الأصلي”. “من هذا المفهوم، ومن الزخم الذي تم بناؤه بالفعل، قلنا، دعونا نحاول مرة أخرى، دعونا نبني شيئًا بأنفسنا – وكان ذلك بمثابة الميلاد الحقيقي لفكرة ما أصبح LightSail.”

تم إطلاق لايت سيل 1 في مايو 2015 وتم وضعه في مدار أرضي منخفض، لكنه واجه عدة مشاكل. تسبب خلل في البرنامج في فشل المحاولة الأولية لنشر الشراع الشمسي. على الرغم من أن LightSail 1 تمكنت في النهاية من رفع أشرعتها، إلا أن السحب الجوي كان له أثره بالفعل، مما منع المركبة الفضائية من الإبحار عبر المدار على النحو المنشود. وانتهت المهمة بعودة المركبة الفضائية إلى الأرض في 15 يونيو 2015.

أراد الفريق تجربة الأمر مرة أخرى، وهذه المرة من خلال دمج تقنية الأقمار الصناعية المكعبة (التي كانت لا تزال ناشئة في ذلك الوقت) مع الأشرعة الشمسية. “كانت الفرصة بالنسبة لنا، كما اعتقدنا، هي، هل يمكننا أن نتشارك في تقنيات الأقمار الصناعية المكعبة وتكنولوجيا الشراع الخفيف كوسيلة للدفع؟” قال فون. “وهكذا كانت هذه هي الفكرة الكبيرة الجديدة حول LightSail 2: هل يمكننا بناء شيء يمكننا التحكم فيه بالفعل في الفضاء؟”

وهكذا ولدت لايت سيل 2. ونجحت المركبة الفضائية في استخدام ضوء الشمس وحده لتغيير مدارها، دون الحاجة إلى محرك أو دافع. على عكس الصواريخ الكيميائية التي تنتج دفعات صغيرة من الزخم، توفر الأشرعة الشمسية قوة دفع طفيفة مستمرة يمكن أن تصل إلى سرعات أعلى بمرور الوقت. علاوة على ذلك، يجب على المركبات الفضائية التقليدية أن تحمل الوقود الدافع إلى المدار (مما يعني المزيد من الوزن والتكلفة)، في حين أن ضوء الشمس غير محدود ومجاني.

وقال سبنسر: “تعد الأشرعة الشمسية واحدة من التقنيات القليلة التي يمكن أن تسمح للمركبة الفضائية بالوصول إلى الحدود الخارجية لنظامنا الشمسي، أو حتى الانتقال بين النجوم، على جدول زمني يتوافق مع عمر الإنسان”.

لماذا هم الفائز

يعتمد الإبحار الشمسي على فكرة بسيطة، وهي تسخير حزم الطاقة التي ينتجها الضوء واستخدامها لدفع المركبات الفضائية إلى الأمام. ومع ذلك، فإن تنفيذها أكثر تعقيدًا بكثير، مما يجعل إنجازات LightSail 2 مثيرة للإعجاب للغاية.

إن الزخم الذي تحصل عليه المركبة الفضائية من الشمس صغير جدًا، لذلك من الصعب للغاية توسيع نطاقه، ويعمل السحب الجوي دائمًا ضد هذا التقدم. قال سبنسر: “أعتقد أن الأمر كان أكثر تحديًا مما توقعته شخصيًا”. “كان علينا التغلب على بعض هذه التحديات حتى نتمكن من رؤية هذا المدار المستمر يرتفع بمرور الوقت.”

وكان الفريق يعمل بـ”ميزانية ضئيلة”، على حد وصفهم. قال بيتس: “لقد كان أكبر مشروع لدينا على الإطلاق، لكنه كان صغيرًا من حيث الموارد المتاحة له”. “لقد كان أمرًا رائعًا بمجرد أن وصلنا إلى هناك واستمر في البقاء.”

ما هو التالي

ربما يكون LightSail 2 قد احترق في الغلاف الجوي للأرض، لكن إرثه ألهم العديد من المهام الأخرى، بما في ذلك مهمة NEA Scout التابعة لناسا إلى كويكب قريب من الأرض، ونظام الشراع الشمسي المركب المتقدم التابع لناسا لاختبار مواد الطفرة الشراعية في مدار الأرض، والمركبة الشمسية التابعة لناسا. كروزر (من المقرر إطلاقه عام 2025).

ومع ذلك، في الوقت الحالي، لن يكون لـ LightSail 2 خليفة خاص بها. يقوم الفريق الذي يقف وراء المهمة بتعليق شراعه الشمسي، مع عدم وجود خطط لمهمة LightSail 3. ولكن من المحتمل أن تكون هناك مهمات أخرى مثيرة في المستقبل، حيث تقوم جمعية الكواكب بدعوة لتقديم مقترحات كل عامين، بحثًا عن أفكار مبتكرة جديدة لوضعها على المحك.

الفريق

وبروس بيتس، مدير برنامج LightSail؛ ديفيد سبنسر، مدير مشروع LightSail 2؛ جنيفر فون، الرئيس التنفيذي للعمليات في جمعية الكواكب.

انقر هنا لرؤية جميع الفائزين في معرض Gizmodo للعلوم لعام 2024.