تحدي الانقطاعات المتقاطعة

ويمثل السفر عبر النجوم أحد أكثر التحديات الهندسية التي تتصورها البشرية في أي وقت مضى، فالمسافات بين النجوم واسعة جداً، حتى أقرب نظام نجمي، ألفا سنتوري، تقع على مسافة نحو 4.37 سنة ضوئية، ومن أجل وضع هذا في الاعتبار، فإن فوياغر 1، وهو أبعد جسم بشري، يستغرق أكثر من 000 70 سنة للوصول إلى ألفا سنتيوري في ظل سرعة السير الحالية.

وتقيم معادلة الصواريخ، المعروفة أيضا بالمعادلة المثالية للصواريخ، علاقة بين التغير في السرعة الذي يمكن أن تحققه المركبة الفضائية، وكفاءة نظام الدفع، والنسبة الجماعية للمروحة إلى الحمولة، وهذه العلاقة هائلة، مما يعني أنه مع زيادة متطلبات السرعة، فإن كمية الوقود اللازم للشحن تنمو بمعدل مفزع.

Deriving the Rocket Equation

وتنشأ معادلة الصواريخ من الحفاظ على الزخم، حيث يطرد الصاروخ الدافع إلى الوراء في سرعة معينة، تكتسب المركبة الفضائية نفسها زخما مساويا ومقابلا للأمام، وتُكتب المعادلة عادة على النحو التالي:

desv = ve * ln (m0 / mf)]

أين:

  • desv] هو التغيير الكلي في سرعة المركبة الفضائية.
  • ve] is the effective exhaust velocity of the propellant, which is related to the specific impulse of the motor.
  • m0] هو الكتلة الإجمالية الأولية للمركبات الفضائية، بما في ذلك جميع المروحيات.
  • mf] هو الكتلة النهائية بعد أن أنفق جميع الوقود، التي تشمل الحمولة والهيكل والدبابات الفارغة.
  • ln] denotes the natural logarithm.

إن سرعة العادم الفعالة هي مقياس لكيف يتحول نظام الدفع بكفاءة الكتلة الدفعية إلى الدفع، وبالنسبة للصواريخ الكيميائية، فإن سرعة الصواريخ تبلغ عادة نحو 000 3 إلى 500 4 متر/م.

نسبة الجموع والعقوبات التجريبية

والنسبة الجماعية للمتر المتر المربع هي بارامتر حرج، إذ إن إعادة ترتيب معادلة الصواريخ تعطي ما يلي:

m0 / mf = e(v / ve)]

وهذه العلاقة الهائلة تعني أنه إذا كانت سرعة الـ " دلتا - 5 " المطلوبة بضع مرات فقط، فإن النسبة الجماعية لا تزال قابلة للتدبر، إلا أنه إذا كانت سرعة الـ " دلتا - 5 " المطلوبة عدة مرات، تصبح النسبة الكلية كبيرة فلكيا، مثلا، إذا كان الـ " دي دي ديف " = 10، ثم ميل/مف = 10 ×2 × 026 كيلوغراما، وهذا يعني بالنسبة لكل 000 2 كيلوغرام.

الاحتياجات من دلتا - 5 للمواقع المشتركة بين النجوم

وبغية فهم حجم التحدي، ينبغي النظر في " دلتا - 5 " المطلوب للوصول إلى مختلف المقصدات المشتركة بين النجوم في إطار زمني معقول، إذ أن السفر عند 0.1c (10 في المائة من سرعة الضوء) سيتيح إجراء اختبار للوصول إلى ألفا سنتوري في غضون 44 سنة تقريبا، أما " دلتا - 5 " المطلوب للتعجيل بـ 0.1 ج فهو:

adv = 0.1 * c = 0.1 * 299,79258 m/s œ œ /s

وهذا يناهز 000 30 كيلومتر/س، مقارنة بذلك إلى " دلتا - 5 " المطلوب لبعثة نموذجية من الأرض إلى المريخ، وهي على بعد 5 إلى 10 كيلومترات/مسافات، ويزيد حجم الاحتياجات بين النجوم على 000 3 مرة.

النجوم المستهدفة وبقاياهم

وهناك عدة نظم نجمية قريبة من هذه النظم هي أهداف محتملة للمشتبه بهم فيما بين النجوم:

  • Alpha Centauri System] (4.37 light-years): The closest star system, consisting of three stars: Alpha Centauri A, Alpha Centauri B, and Proxima Centauri. Proxima Centauri hosts at least one known exoplanet, Proxima Centauri b.
  • نجم بارنارد "5.96" سنوات ضوئية "القزم الأحمر ذو الكتلة المنخفضة" مع مرشح "سوبر إيرث" معروف
  • Wolf 359] (7.86 سنوات ضوئية): قزم أحمر آخر، كثيرا ما أشير إليه في الخيال العلمي.
  • Sirius] (8.60 light-years): The brightest star in the night sky, a binary system with a main-sequence star and a white dwarf.
  • قزم أحمر مع طائرات سابقة

ويتطلب كل هدف من هذه الأهداف ترتيبا مماثلا من حيث حجمها إذا ما تم تقييد وقت السفر إلى قرن أو أقل، ويتوقف الدلتا - 5 على سرعة الرحلة البحرية المطلوبة وعلى موجز البعثة، بما في ذلك مراحل التعجيل والتباطؤ.

"الطواني"

ويكشف تطبيق معادلة الصواريخ على متطلبات الدلتا - 5 بين النجوم عن الصعوبة المركزية، إذ تستخدم نظاماً عالي الكفاءة لصرف المؤون يُستخدم فيه ve = 000 50 متر/متر، والنسبة الجماعية اللازمة لتحقيق 0.1ج هي:

ترجمة: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

وهذا العدد كبير جداً لدرجة أنه لا معنى له من الناحية المادية في سياق أي مركبة فضائية يمكن تصورها، وحتى لو كانت الكتلة النهائية مجرد غرام واحد، فإن الكتلة الأولية من الحرف المترفي ستكون أكبر بكثير من كتلة الكون الملاحظ بأكمله، وهذا يوضح المشكلة الأساسية: نظم الدفع التقليدية، بل ونظم الدفع المتقدمة مثل محركات الأيون، لديها عوامل كهربية منخفضة جداً لجعل السفر بين النجوم عملياً.

تخفيض دلتا - 5

عدة استراتيجيات يمكن أن تقلل من الدلتا-ت التي يجب أن يوفرها نظام الدفع الخاص بالمركبات الفضائية:

  • Gravity assists]: Using the gravitational fields of planets or the Sun to change velocity without expending propellant. However, gravity assists are limited in the total velocity change they can provide, and they require a planet to be in the right position at the right time.
  • Oberth effect]: إحداث حروق عند نقطة أقرب نهج إلى هيئة ضخمة يمكن أن يزيد من كفاءة المناورة، وهذا مفيد للبعثات المشتركة بين الكواكب، ولكنه يوفر فقط فوائد متواضعة للسرعات بين النجوم.
  • Solar sails] Using the pressure of sunlight to generate driven driven without propellant. While solar sails can achieve high velocities over long periods, the push is extremely low, and the sail must be very large and light weight. Near the Sun, the push is higher, but farther out, it diminishes.
  • Beamed propulsion]: Using an external energy source, such as a laser صفيفة or microwave beam, to accelerate a sailcraft; this approach separates the propulsion energy source from the spacecraft, allowing for much higher accelerations and velocities.

ويمكن لهذه الاستراتيجيات أن تقلل من الدلتا - 5 التي يجب أن توفرها الدفع على متن السفينة، ولكنها لا تلغي الحاجة إلى سرعة استنفاد الأوزون العالية في مرحلة التعجيل النهائية.

التثبيت والحدود

فالتدريب هو أسلوب مشترك في الصواريخ لتحسين الكفاءة الجماعية، إذ يمكن للمركبات الفضائية، من خلال التخلص من الدبابات والهيكل الفارغين مع تقدم البعثة، أن تحقق مستوى أعلى من الدلتا - 5، غير أن التعبئة لا توفر سوى فوائد هامشية بالنسبة للبعثات المشتركة بين النجوم.

أما مجموع الصاروخ الممتد من عدة مراحل، فهو مجموع الصاروخ الممتد من الدلتا إلى خمس سنوات الذي ساهم به كل مرحلة، غير أن النسبة الكلية لكل مرحلة لا تزال تعتمد اعتمادا كبيرا على الدلتا إلى 5 التي ساهمت بها تلك المرحلة، وبالنسبة للبعثات المشتركة بين النجوم، فإن الدلتا - 5 المطلوبة كبيرة جدا بحيث تظل النسبة الكلية للمجموعات الفلكية حتى مع الترميز.

فعلى سبيل المثال، النظر في صاروخ من ثلاث مراحل يسهم كل مرحلة بثلث مجموع الدلتا - 5 ليصل إلى 0.1 ج. وباستخدام ve = 000 50 متر/م لكل مرحلة، سيلزم أن توفر كل مرحلة دلتا - 5 تبلغ حوالي 000 10 كيلومتر/كتار، وستكون النسبة الكلية لكل مرحلة كما يلي:

ترجمة: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

وحتى مع ثلاث مراحل، فإن الكتلة الأولية الإجمالية ستكون نتيجة للنسب الجماعية للمرحلة، مما يؤدي إلى عدد لا يزال بعيدا عن أي قيود هندسية واقعية، وبالتالي فإن التثبيت ليس حلا للمشكلة الأساسية المتمثلة في عدم كفاية سرعة العادم.

مفاهيم الدفع المتطور

ولكي يتسنى تنفيذ البعثات المشتركة بين النجوم، يجب زيادة سرعة العادم زيادة كبيرة، ومن الناحية المثالية، ينبغي أن يكون على نفس ترتيب سرعة الرحلة السياحية المنشودة، ويرمي العديد من مفاهيم الدفع المتقدمة إلى تحقيق ذلك.

الاندفاع النووي

وتستخدم صواريخ الاندماج النووي الطاقة التي تطلقها بضخ النواة الذرية الخفيفة لتدفئة الدافع أو لخلق الدافع مباشرة، ويمكن أن تحقق ردود فعل التوفير سرعة العادم في حدود 000 5 إلى 000 20 كيلومتر/م، حسب التصميم، وهذا ما لا يزال يمثل حجما يقل عن 000 30 كيلومتر/كتار اللازم لـ 0.1 ج، ولكنه يقلل كثيرا من العقوبة المستعجلة.

وبالنسبة لصاروخ الاندماج الذي يبلغ 000 10 كيلومتر/كتار، فإن النسبة الجماعية تصل إلى 0.1 ج هي:

ترجمة: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

وهذه نسبة كبيرة يمكن التحكم فيها، إذ يلزم لكل كيلوغرام من الكتلة النهائية حوالي 20 كيلوغراما من الكتلة الأولية، وهذا أمر يقع في نطاق الهندسة العملية، غير أن الدمج ما زال تكنولوجيا لم يُثبت بعد في الفضاء، وهناك تحديات كبيرة تتصل بالاحتواء والاحتواء واستخراج الطاقة.

Antimatter Propulsion

إن إبادة الأنفجارات تؤدي إلى توليد الطاقة بنسبة 100 في المائة من الكفاءة عن طريق تحويل الكتلة إلى طاقة، ومن الناحية النظرية، يمكن للصواريخ المضادة للكميات أن تحقق سرعة العادم التي تقترب من سرعة الضوء نفسها، وبالنسبة لصاروخ مضاد للطلقات يبلغ 0.5c (150000 كيلومتر/كتار)، فإن النسبة الجماعية تصل إلى 0.1ج هي:

m0 / mf = e(0.1c / 0.5c) = e0.2 ng. 1.22]

وهذه نسبة منخفضة للغاية، مما يعني أن نسبة 18 في المائة فقط من الكتلة الأولية تحتاج إلى أن تكون ناقلة، غير أن التحديات العملية المتمثلة في إنتاج وتخزين ومناولة مضادات المتر هائلة، وأن أساليب الإنتاج الحالية لا تنتج سوى كميات ضئيلة بتكلفة هائلة، ويجب تخزين مضادات المتر في أفخاخ مغناطيسية لمنع الإبادة مع جدران الحاويات.

الصواريخ الخفيفة وأجهزة الدفع المتحركة

وتستخدم الأشرعة الخفيفة زخم الصور لتوليد الزخم، وبينما يكون الزخم للصور ضئيلا، فإن الإبحار الكبيرة والخفيفة يمكن أن يحقق سرعة عالية إذا أضفت عليه مصدر ليزر قوي أو ميكرويف، وتقترح مبادرة " ستارب " استخدام صفيفة الليزر الأرضية للتعجيل بصنع مركبة بحرية على نطاق جرام إلى 0.2c، وصولا إلى ألفا سنتوري في غضون 20 عاما تقريبا.

وفي هذا المفهوم، لا تحمل المركبة الفضائية أي مدفع على متنها، وتُقدم المادة " دلتا - 5 " بالكامل بواسطة شعاع الليزر الخارجي، مما يتفادى معادلة الصواريخ تماما، حيث لا يوجد كتلة دافعة تحملها، غير أن المفهوم يتطلب صفعة ليزر كبيرة جدا وقوية للغاية، ومواد بحرية يمكن أن تتحمل الإشعاع المكثف، وحمولة خفيفة جدا من الوزن، بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن للسفن البحرية أن تنهار في الوجهة في الوجهة دون وجود آلية منفصلة.

Ram-Augmented Interstellar Rockets

وثمة مفهوم آخر هو الهرم البصار، الذي سيضخ الهيدروجين المشترك بين النجوم ويستخدمه كدافع لرد فعل الدمج، مما سيسمح للمركبات الفضائية بجمع محركها على طول الطريق بدلا من حمله من الأرض، غير أن الوسيط بين النجوم يتسم بالغ التوتر، وسيحتاج الكوب إلى أن يكون كبيرا ومواجها لمشاكل جر ودرّة كبيرة.

الاعتبارات العملية المتعلقة بتصميم المسبار الدولي

وفيما عدا حساب دلتا - 5 الأساسي، تؤثر عدة عوامل أخرى على تصميم مسبار بين النجوم:

  • Deceleration]: إذا كان الغرض من الاختبار هو دراسة النظام المستهدف، فإنه يجب أن يتسارع عند الوصول، وهذا يضاعف تقريباً من شرط دلتا - 5، حيث يجب أن يتسارع المسبار من الأرض ويميل إلى الوجهة، أما بالنسبة لبعثة الطيران فلا يلزم الإبطاء، ولكن وقت المراقبة محدود.
  • Relativistic effects]: في السُرعة التي تزيد عن 0.1c، تصبح الآثار النسبية كبيرة، ويجب حساب التحلل الزمني، والانكماش الطويل، والزيادة النسبية في الكتلة في الحسابات والمواصلات.
  • Power supply]: يتطلب المسبار مصدراً للطاقة من أجل أدواته واتصالاته ونظم الدفع، كما أن الألواح الشمسية تصبح غير فعالة خارج حزام كويبر، وبالتالي يلزم مولدات كهربائية حرارية تعمل بالنظائر المشعة أو مفاعلات نووية، وبالنسبة للبعثات العالية السرعة، يجب أن يكون مصدر الطاقة ضعيفاً ومزوداً بالإشعاع.
  • Communications]: في المسافات بين النجوم، قوة الإشارة ضعيفة للغاية، وهشاشة الهوائيات العالية الغاز، والمرسلات القوية، ومدونات الحرق المتطورة للخطأ، والوقت المستغرق في جولة الرحلة المتجهة إلى ألفا سنتوري أكثر من 8.7 سنوات، لذا يجب أن يعمل المسبار بشكل مستقل منذ عقود.
  • Collision risks]: في 0.1c، حتى التصادم مع حبوب من الغبار يمكن أن يكون كارثياً، ويجب حماية المسبار من ميكروميتيوريدات والغبار بين النجوم، مما يزيد الكتلة ويقلل من سرعة يمكن تحقيقها.

حساب نموذجي: مسبار مزود بأجهزة دفع موجة إلى ألفا سنتوري

النظر في مسبار مزود بكهرباء صُمم للوصول إلى ألفا سنتوري في خمسين سنة، وتبلغ سرعة الرحلة السياحية المطلوبة نحو 0.087c (26000 كيلومتر/كتار) وبافتراض وجود محرك للدمج يبلغ سرعة العادم 000 12 كيلومتر/كتار، فإن النسبة الكلية هي:

ترجمة: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

وإذا كان الكتلة النهائية (الحمولة والهيكل والمحرك) 100 طن متري، فإن الكتلة الأولية تبلغ 873 طنا متريا، منها 773 طنا متريا هي وقود الإندماج، وهذه مركبة فضائية كبيرة، ولكنها في مجال الجدوى لمشروع دولي رئيسي.

وإذا كان ينبغي أن يخفف المسبار أيضاً في ألفا سنتوري، فإن مجموع الدلتا - 5 يضاعف إلى 000 52 كيلومتر/كتار.

m0 / mf = e(52,000 / 12,000) = e4.333 ng 76.2]

وبالنسبة لمجموعات نهائية من 100 طن، فإن الكتلة الأولية تبلغ 620 7 طنا، منها 520 7 طنا من الوقود، وهذا تحد أكبر بكثير، مما يتطلب إحراز تقدم كبير في تكنولوجيا مركبات الإطلاق والتجمع في الفضاء.

مقارنة مع المواد الكيميائية والإيون

وللمقارنة، يتطلب استخدام صاروخ كيميائي مزوّد بـ 000 4 متر/متر ليصل إلى 0.087c نسبة كبيرة من:

ترجمة: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

وسيتطلب استخدام مدفع إيون بحرف ve = 000 50 متر/متر نسبة كبيرة من:

ترجمة: @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@

وهذه الأرقام تتجاوز أي اعتبار عملي، فالعمليات فقط التي تنطوي على عمليات الدمج أو القذف أو القذف المتناثر هي التي توفر نسبا جماعية في حدود الإمكانية.

التوجيهات والبحوث المستقبلية

وتركز البحوث الجارية في مجال الدفع بين النجوم على عدة سبل واعدة:

  • Inertial confinement fusion]: Using lasers or particle beams to compress and ignite fusion fuel pellets, producing momentum in a pulsed mode. The National Ignition Facility has demonstrated fusion ignition ignition, and concepts like the ICAN-II project explore its application to propulsion.
  • Magnetic confinement fusion]: Using magnetic fields to contain a fusion plasma and direct it out of a nozzle. The Direct Fusion Drive concept from Princeton Satellite Systems aims to produce a compact, efficient fusion motor for interplanetary and interstellar missions.
  • Antimatter storage and production]: Advances in positron and antiproton production, storage, and handling could eventually make antimatter propulsion feasible. Current production rates are minuscule, but future technologies may enable larger-scale production.
  • Laser sail technology]: مشروع " انجاز ستارشوت " يطور المركبات الفضائية ذات النطاق الترددي والصفائف الليزرية العالية الطاقة، كما أن برنامج ستارلايت في سانتا باربارا يو سي يبحث أيضا في توجيه الطاقة للبعثات المشتركة بين النجوم.
  • Nu clear pulse propulsion]: تستخدم مفاهيم مثل مشروع أوريون التفجيرات النووية الخارجية للدفع، وبينما تثير هذه التكنولوجيا إشكالية سياسية وبيئية، فإنها يمكن نظريا أن تحقق سرعة العادم العالية بالمواد الموجودة.

وكل نهج من هذه النهج له مجموعة من التحديات الخاصة به، ولكنها جميعاً تتقاسم الهدف المشترك المتمثل في رفع سرعة العادم إلى مستوى يجعل السفر بين النجوم ممكناً، وتوفر معادلة الصواريخ الإطار الكمي الذي يسترشد به في هذه الجهود، مما يبين بوضوح أن سرعة العادم العالية هي مفتاح فتح النجوم.

خاتمة

إن معادلة تسيلكوفسكي للروكيت أداة أساسية لفهم متطلبات السفر بين النجوم، حيث أن طبيعتها الهائلة تكشف عن التحدي العميق المتمثل في تحقيق السرعة العالية اللازمة للوصول إلى النجوم الأخرى في غضون حياة بشرية، وبالنسبة لأي سرعة من العادم، فإن النسبة الجماعية تنمو بشكل مكثف مع ما يلزم من دلتا - 5، مما يجعل نظم الدفع التقليدية غير كافية أساسا للبعثات المشتركة بين النجوم.

إن مفاهيم الدفع المتطورة التي توفر سرعة استنفاد الأوزون العالية ضرورية، مع الاندماج النووي، والبعث المضاد للصدمات، والدفع المتناثر بين أكثر المرشحين واعدة، وتسمح معادلة الصواريخ للمهندسين بمقارنة هذه النُهج المختلفة كميا وتقييم جدوى هذه النُهج، وفي حين أن السفر بين النجوم يظل هدفا طويل الأجل، فإن معادلة الصواريخ توفر خارطة طريق لتكنولوجيات الدفع التي ستجعلها حقيقة واقعة في يوم واحد.

For further reading, the NASA website] offers resources on advanced propulsion concepts. The ] Centauri Dreams] blog covers interstellar mission design in depth. The Breakthrough Initiatives provide information on related project.