التحدي الكبير في الأصوات المشتركة بين النجوم

وقد أطلقت البشرية مساحات لكل كوكب في نظامنا الشمسي وأرسلت مركبات فضائية إلى ما وراء الغلاف الجوي، ومع ذلك فإن أقرب نظام نجمي، ألا وهو ألفا سنتوري، يقع على بعد أربع سنوات ضوئية - أي مسافة واسعة بحيث أن أسرع مركبة فضائية ستتطلب عشرات الآلاف من السنوات للوصول إليها، ويستلزم استكشاف الفضاء إعادة التفكير في تصميم المركبات الفضائية، والانتقال من التحسينات التدريجية في الصواريخ الكيمائية إلى مفاهيم هندسية الواعدة.

تجاوز الحواجز التي تُمارس في السفر عبر النجوم

ويتطلب تصميم مركبة فضائية للرحلات المشتركة حل المشاكل التي تُقحم تلك التي تواجهها البعثات المشتركة بين الكواكب، وتتمثل العقبات الثلاثة الأكثر أهمية في النطاق الأوفر للمسافات، والطاقة اللازمة لقطعها، والحاجة إلى نظم لا تزال موثوقة على امتداد فترات زمنية قصوى.

المسافة والنطق: طباعة السنوات الخفيفة

وللوصول إلى ألفا سنتوري في غضون فترة معقولة من البعثة - أي ما يتراوح بين ٥٠ و ١٠٠ سنة - يجب أن تحقق المركبة الفضائية قدرا كبيرا من سرعة الضوء )٠,١ ج - ٢ج( وفي ٠,١ج، فإن وقت السفر إلى أقرب نجم سيكون حوالي ٤٥ سنة، بالإضافة إلى التناقص، ويصل الدفع الكيميائي الحالي بالكاد إلى ٠٠٠ ٥ ج؛ ويحسن الصواريخ الحرارية النووية ذلك بصورة هامشية.

متطلبات الطاقة: مطالب القوة الغيانية

الطاقة الحركية لإحدى المركبات الفضائية التي تتحرك عند 0.1c هائلة، وسيتطلب مسبار واحد طن حوالي 4.5x1015]

مدة صلاحية المركبات الفضائية وإمكانية الاعتماد عليها

ويجب أن يعمل المسبار المشترك بين النجوم بصورة مستقلة لعدة عقود، وربما قرون، بينما يسافر عبر بيئة مليئة بالإشعاع الكوني، والميكروميوستير، وتقلبات الحرارة القصوى، والمكونات الإلكترونية التي تتدهور من الإشعاع المؤين، والأجزاء الميكانيكية قد تُصادر أو تفشل، وعلاوة على ذلك، يجب على المركبة الفضائية أن تقوم بتصحيحات في مسارها وربما تتباطأ في نظام النجوم المستهدف، ويجب أن تكون الرحلة المتقدمة لإعادة الإمداد بالأشعة ذاتية، والارتفاعى، والارتفاعى من الإشعاعية، والارتفاعى الإشعاعية، والارت الإشعاعية، والارتفاعى الإشعاعية، والارتفاعى الإشعاعية، والارتفاعى، من المواد الإشعاعية.

التأخير في الاتصالات: الاحتياطات النهائية

وفي المسافات الفاصلة بين النجوم، يقيد الاتصال بشدة سرعة الضوء، بل إن طلب وضع بسيط إلى أحد المساجين في ألفا سنتوري يستغرق أكثر من أربع سنوات لتلقي إجابة، وهذا يستبعد السيطرة على الوقت الحقيقي، ويجب أن تكون المركبة الفضائية مستقلة للغاية، قادرة على اتخاذ قرارات بشأن الملاحة وجمع البيانات واسترداد الأخطاء دون تدخل بشري، كما أن وصلات الاتصال بحاجة إلى قدر كبير من المكاسب والقدرة لضمان أن تكون الإشارات المتطورة مرئية عبر السنوات الخفيفة.

Theoretical Engineering Approaches for Interstellar Probes

وعلى الرغم من هذه التحديات المذهلة، فإن عددا من المفاهيم الهندسية النظرية توفر مسارات معقولة، وكل نهج يجعل المبادلات بين الكتلة والسرعة ومصدر الطاقة والاستعداد التكنولوجي، وهنا ندرس الأفكار الأكثر نضجا ودراما على نطاق واسع.

الصواريخ الخفيفة وضغوط الطاقة المأهولة

إن مفهوم الإبحار الخفيف، الذي تروج له مشاريع مثل Breakthrough Starshot ]، يستخدم أشعة فوق البنفسجية التي تدفعها صفيفة ليزر قوية، وبدلا من حمل الوقود، تستمد المركبة الفضائية زخمها من مركب خارجي، تحقق سرعة عالية للغاية.

أما التحديات الهندسية التي تواجه البحار الخفيفة فتشمل إدارة السلامة المادية للبحار تحت إشعاع الليزر المكثف، الذي يمكن أن يسخن الإبحار إلى آلاف الدرجات، أما المواد المتقدمة مثل انفصال المنديل والغرافين ومجسات الديدان المتعددة فتجري التحقيق، ويجب أن يكون الإبحار شاسعاً جداً وأن يكون وزناً خفيفاً - أقل من غرام لكل متر مربع، كما أن التحكم في البوادر في المستقبل أمر حاسم:

Fusion Propulsion: Harnessing Stellar Power

إن الاندماج النووي يوفر كثافة طاقة أعلى بكثير من ردود الفعل الكيميائية أو الانشطارية، وفي الدمج، تُضخ النظائر الهيدروجينية (الديوتريوم والتريتيوم) لإنتاج الهيليوم والنيوترونات المتحركة، التي يمكن توجيهها إلى إنتاج الزخم، ولا تتراوح المفاهيم بين قوالب الصمامات المباشرة التي تطرد منتجات الردة، واستخدام الصمامات في التدفئة (مثل الهيدروجين).

(أ) [أشد التصميمات دراسة هي: Project Daedalus) مفهوم من السبعينات، يقترح تركيب مركبة فضائية ذات قدرة على الصمامات تصل إلى 12 في المائة من سرعة الضوء.

وتشمل العقبات التقنية الرئيسية تحقيق طاقة اندماج إيجابية صافية في مفاعل مدمج، وإدارة درجات الحرارة القصوى )مئات الملايين من الدرجات(، ومعالجة التدفق النيوترونات المكثف الذي يمكن أن يلحق الضرر بهياكل المركبات الفضائية، والتطورات في الموصلات الخارقة للعادة، والحبس المغناطيسي، وضخ العزلة يقترب تدريجيا من الاختبارات الهندسية العملية، وما زال الازدحام الكهربائي المزود بالكهرباء الكهربائي يستدعي إلى حد الانف.

Antimatter Engines: The Ultimate Energy Source

ولا يمكن أن يتحول القضاء على الارتحال إلى 100 في المائة من الكتلة إلى الطاقة - أي أعلى كثافة للطاقة في أي عملية معروفة - ولا يمكن أن يؤدي جرام من المبيدات المضادة للهيدروجين (خاصة) إلى جرام من إطلاقات الهيدروجين 9 × 1013 من الجولات بما يكفي للتعجيل إنتاج مركبات فضائية ذات كفاءة في إنتاجها.

رغم هذه الصعوبات، الدراسات النظرية مثل تلك التي أجريت بواسطة برنامج البحوث المضادة للارتطام الذي وضعته الوكالة الدولية للطاقة الذرية، والتي تحتوي على محركات مغناطيسية كبيرة في المستقبل، والتي تحتوي على كمية صغيرة من مضادات الارتطام على رد فعل للنسيج أو الدمج، وهذا النهج الهجين يقلل من كمية المحركات الجذابة في المستقبل

مفاهيم بديلة: رمجيتس، ووارب درايفز، ومزيد

وتشمل الأفكار النظرية الأخرى Bussard ramjet] التي تجمع الهيدروجينات المتقطعة باستخدام مشبك مغناطيسي وتصنع الصمامات للدفع، وهذا من شأنه أن يزيل الحاجة إلى حمل الوقود، ولكن كثافة الغاز المتقطع يجعله غير عملي إلا بسرعة عالية جداً.

الآفاق المستقبلية والبحوث الجارية

ولم يعد تصميم المركبات الفضائية المشتركة بين النجوم مجالا حصريا للخيال العلمي، إذ تجري بحوث جدية في الجامعات ووكالات الفضاء والمبادرات الخاصة، وتمثل المجالات التالية أكثر الطرق واعدة نحو تحويل المفاهيم النظرية إلى هندسة حقيقية.

الفارق بين الطلقات النجمية وأجهزةها

أما المشروع الأكثر تحديداً فيما بين النجوم فهو Breakthrough Starshot] الذي أعلن في عام 2016، ويشمل خارطة الطريق تطوير صفيفة الليزر، والمواد البحرية، والحمولات المخففة، والتحديات من قبيل إبقاء الشريحة مستقرة أثناء التسارع، والتواصل من ألفا سنتيوري، والكشف عن آثار الغبار الخفية المتلاصقة (في 20 في المائة من المجموع).

دراسات الانتصاب بين النجوم التي أجرتها ناسا

Under the NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) program, several studies have explored interstellar propult. [FLT]

علوم المواد وصنعها

(ب) [المركبات الفضائية المتقطعة] التي يمكن أن تصمد أمام التسارع الشديد والإشعاع المكثف ودرجة الحرارة القصوى.() ويمكن أن تؤدي المواد [المركبات ذات الترددات الكبيرة]() إلى [الأجهزة غير المؤثرة] إلى إحداثيات غير مباشرة: [الأجهزة غير المتحركة] إلى إحداثيات غير مباشرة.

Autonomous Systems and Artificial Intelligence

ونظراً إلى تأخر الاتصالات، يجب أن تعمل المسبارات المتقاطعة بدرجة عالية من الاستقلال الذاتي. [التعلم المتنقل ] و] يمكن أن تتيح أجهزة التحكم في الانبعاثات اتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي للملاحة، وتجنب العقبة (مثل غبار النجوم) والأولوية العلمية.

التعاون والتمويل الدوليين

ولا يرجح أن تمول أي دولة أو منظمة واحدة بعثة مشتركة بين عدة مليارات دولار، بينما تستمر الأطر التعاونية، مثل الأكاديمية الدولية للملاحة الفضائية مجموعات دراسية و مؤسسة صفرية [FLT) [الفوائد التجارية الصغيرة]، في جمع العلماء والمهندسين لتقاسم البحوث.

موجز

إن تصميم المركبات الفضائية لأغراض الاستكشاف بين النجوم هو من بين أكثر التحديات الهندسية طموحا التي تواجهها البشرية، بينما تتطلب المسافات الهائلة نظما للدفع الأجنبي قادرة على قطع كبيرة من سرعة الضوء؛ وتتطلب متطلبات الطاقة مصادر طاقة مدمجة تتجاوز قدراتنا اليوم؛ وتحتاج أوقات الرحلة الطويلة إلى مركبات فضائية ذات استقلالية كبيرة، مثل أشعة البحر الخفيفة ومحركات الإنشطار، وكل مسار بحثي يتحول إلى نسيجات مضادة للصدمات.