سیستم بادبان خورشیدی پیشرفته ناسا؛ شاهکار جدید فناوری‌ فضایی!

ناسا درحال توسعه یکی از جدیدترین شاهکارهای حوزه فناوری فضایی به نام «سیستم بادبان خورشیدی کامپوزیتی پیشرفته» (Advanced Composite Solar Sail System) یا به‌اختصار «ACS3» است که در پروژه‌های جدید این سازمان مورد استفاده قرار خواهد گرفت. در این مقاله با ACS3 بیشتر آشنا می‌شویم.

بادبان خورشیدی چیست؟

برای آشنایی با فناوری ACS3، ابتدا لازم است بدانیم بادبان خورشیدی چیست. به بیان ساده، بادبان خورشیدی ابزاری است که نور خورشید را به نوعی نیروی رانشی تبدیل می‌کند تا نیاز ما به پیشران موشک را از بین ببرد.

می‌دانیم نور خورشید از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است که «مومنتوم» یا «اندازه حرکت» دارد. مومنتوم به بیان ساده، نوعی انرژی (نیرو) است که فیزیکدانان با کمک روابط ریاضیاتی خاصی قادر به محاسبه‌ آن هستند. هنگامی که فوتون به بادبان‌های یک سیستم بادبان خورشیدی برخورد می‌کند، می‌تواند مومنتوم خود را به‌صورت فشاری ناچیز به آن منتقل کند.

این فشار جزئی، اما پیوسته‌ است و در طول زمان می‌تواند نیروی رانش چشمگیری ایجاد کند که نقش پیشرانش فضاپیما را برای ما ایفا خواهد کرد. رایگان بودن منبع تابشی همچون خورشید این مزیت را برای بادبان‌های خورشیدی به‌همراه دارد که آن‌ها را قابل دسترس‌تر و منحصربه‌فردتر از سیستم‌های پیچیده پیشرانش می‌کند. به عقیده دانشمندان، بادبان‌های خورشیدی احتمالاً بهترین گزینه ما برای سفرهای بین‌ستاره‌ای در فضا هستند.

مأموریت‌های فضایی مانند فضاپیمای «لایت‌سیل 2» نشان داده‌اند که فضاپیماهای کوچک می‌توانند از بادبان‌های خورشیدی برای تغییر مدار خود و تأمین انرژی مطالعات فضایی استفاده کنند.

فناوری ACS3 چیست؟

سامانه بادبان خورشیدی کامپوزیتی پیشرفته ناسا – یا ACS3 – نیز یک بادبان خورشیدی است که با مواد و ساختاری جدید در مدار زمین قرار خواهد گرفت تا کارایی آن آزمایش شود.

ACS3 قرار است در تاریخ ۴ اردیبهشت‌ماه ۱۴۰۳ با موشک الکترون به فضا پرتاب شود و در مدار زمین قرار بگیرد.

مأموریت‌هایی با محوریت بادبان خورشیدی در آینده به بادبان‌های بزرگ‌تر و مواد سبک‌تر برای به حداکثر رساندن عملکردشان نیاز دارند. پس به همیت دلیل ACS3 برای آزمایش به فضا می‌رود.

این مأموریت اولین آزمایش این فناوری در فضا خواهد بود و موفقیت آن راه را برای مأموریت‌های آینده هموار می‌کند.

شتابی که فضاپیمای بادبان خورشیدی از نور خورشید دریافت می‌کند به اندازه بادبان و جرم فضاپیما بستگی دارد. برای افزایش عملکرد، طراحان مأموریت باید به بادبان‌های بزرگ‌تر و فضاپیماهای سبک‌تر نگاه کنند.

از سوی دیگر، نکته حائز اهمیت در ساختار بادبان‌های خورشیدی، بوم آن‌هاست که باید طویل باشد تا بادبان محکم و استوار باشد.

لایت‌سیل 2 و دیگر فضاپیماهای سابق بادبان خورشیدی از بوم‌های فلزی استفاده می‌کنند که سنگین هستند و به‌دلیل نوسانات دمایی سرد و گرمی که در فضا تجربه می‌کنند، به‌طور غیرقابل پیش‌بینی منحرف می‌شوند. ACS3 از بوم‌های کامپوزیتی که از پلیمر تقویت‌شده با فیبر کربن ساخته شده است، استفاده خواهد کرد.

مواد کامپوزیتی دارای استحکام بالا و وزن کم هستند و می‌توان آن‌ها را در کاربردهای هوافضا، خودرو و پزشکی یافت.

طول هر بوم بادبان 7 متر است، اما تنها 900 گرم وزن دارد که 75 درصد سبک‌تر از بوم‌های فلزی است. ناسا می‌گوید که آن‌ها 100 برابر کمتر در معرض تاب‌خورگی تحت نوسانات شدید دما قرار می‌گیرند.

بوم‌های کامپوزیتی به‌اندازه کافی قوی هستند که بادبان را محکم نگه دارند، درعین‌حال به‌اندازه کافی انعطاف‌پذیرند تا پیچ نخورند یا به‌راحتی نشکنند. ناسا همچنین درحال بررسی استفاده از این مواد برای ساختن زیستگاه‌های انسانی در ماه یا مریخ است.

نحوه عملکرد بادبان خورشیدی جدید ناسا

فضاپیمای ACS3 در هسته خود یک «کیوب‌سَت» دارد؛ کیوب‌ست‌ها ماهواره‌های کوچکی هستند که ابعادی در حد تنها چند متر دارند.

لایت‌سیل 1 و 2 نیز شامل کیوب‌ست‌هایی به‌اندازه یک قرص نان بودند؛ اما ACS3 یک کیوب‌ست 12 واحدی دارد که تقریباً چهار برابر بزرگ‌تر از کیوب‌ست لایت‌سیل است.

پس از آنکه بادبان به فضا رسید، بوم‌های بادبان خورشیدی روی دوک‌های مرکزی نواری‌شکل مستقل می‌شوند. بوم‌ها چهار بادبان مثلثی‌شکل را بیرون می‌کشند تا یک مربع (همانند شکل زیر) را کامل کنند.

درصورت استقرار کامل، بادبان مانند یک بادبادک مربعی‌شکل خواهد بود که هر ضلع آن ۹ متر است.

فواید استفاده از فناوری ACS3

داده‌های به‌دست‌آمده‌ از ACS3 به طراحی سیستم‌های بادبان خورشیدی در مقیاس بزرگ‌تر کمک خواهد کرد. از این سیستم‌ همچنین می‌توان برای هشدار وضعیت به ماهواره‌های آب‌وهوای فضایی، ماهواره‌های شناسایی سیارک‌های نزدیک زمین و ماهواره‌های ارتباطات استفاده کرد.

علاقه به بادبان‌های خورشیدی به‌عنوان جایگزینی برای پیشرانه‌های شیمیایی و الکتریکی همچنان درحال افزایش است. استفاده از نور خورشید برای به حرکت درآوردن فضاپیماهای کوچک به‌جای پیشرانه‌های مصرفی، برای انجام مأموریت‌ها سودمند خواهد بود.

این فناوری منجر به انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی فضاپیماها خواهد شد و درنتیجه ناسا می‌تواند برای رسیدن‌ به اهداف مأموریت‌های خود بهترین عملکرد را ارائه دهد.