السلام عليكم .....
اود ان انوه قبل الدخول فى الموضوع ان المقالات التى اذكر بعدها اسم المؤلف و تعريفه هى مقالات مترجمة عن مجلة العلوم الامريكة الشهيرة و العالمية و الدليل على ذلك ذكرى لاسم المؤلف و تعريفه و هذا من اجل ان نقرأ مقالات لها وزن فى علم الفلك و كل العلوم
ندخل فى الموضوع ......
إن أحلام الخيال العلمي science fiction حول وجود عوالم خارج نظامنا الشمسي اتخذت شكلا أكثر واقعية منذ اكتشاف الفلكيين أن الكون يحوي كواكب بأعداد كبيرة غير متوقعة. وربما أوضحت دراسة هذه الكواكب النائية مدى خصوصية الأرض، كما أن هذه الدراسة قد تزوِّدنا بمعارف إضافية عن موقعنا في هذا الكون. وقد كان لهذه الأفكار أثر في تسريع توجيه أنظار الوكالة (ناسا) شطر النجوم.
إن التفكير في هذا المضمار شيء، لكن المشكلات الهندسية والتقانية التي تعترض القيام باستكشاف فعلي لهذه النجوم شيء آخر بالغ التعقيد. فقد نستغرق زمنا يقدر بعشرات آلاف السنين للوصول حتى لأقرب النجوم منا إذا استعملنا التقانات الحالية. وفي عام 1998، قُمت بالتنسيق لحساب ناسا بعملية مسح لمفاهيم الدفع التي تصلح لإرسال مركبة استكشاف إلى نجم آخر بسرعة تُمكن بعثة فضائية من إنجاز مهمتها في مدة قدرها 40 سنة، وهي العمر المهني التقديري لعالِم من العلماء. وقد توصّلْنا إلى ثلاثة مفاهيم فقط تبدو الآن مقبولة وهي: الاندماج fusion [انظر: «السعي للوصول إلى النجوم»، ص 86]، والمادة المضادة antimatter والطاقة المحزَّمة beamed energy. ومن بين هذه المفاهيم الثلاثة، فإن الطاقة المحزّمة هي الوحيدة المفهومة إلى درجة تكفي لجعلها جزءا من أي برنامج بحوث واقعي قريب الأجل.
ومن السهل معرفة سبب جاذبية الطاقة المحزّمة. فعندما تعتزم القيام برحلة طويلة بالسيارة، فإنك تعتمد على محطات الوقود وعلى الميكانيكيين لتواصل سيارتك سيرها. وخلافا لذلك، يجب على السفن الفضائية الحالية أن تحمل جميع الوقود اللازم لها، كما أنها يجب أن تعمل من دون تدخل أحد. تُرى، هل يمكن إبقاء المحرك مع الوقود اللازم له على الأرض؟ وزيادة على ذلك، إذا جعلنا القيام بإصلاحات للسفينة خلال رحلتها أمرا ممكنا، فإن السفينة الفضائية تصبح أخف وزنا، ومن ثم يكون إكسابها التسارع المطلوب عملية سهلة.
ولربما قدمت الطاقة المحزمة مدخلا إلى هذا الحل، إذ تقترح التحليلات الهندسية أن أفضل طريقة لتحقيق طيران فضائي طويل الأمد هو أن يُسلَّط ليزر ضوئي قوي على «شراع» sail رقيق كبير، وهذه فكرة كان أول من نادى بها <.L.R فورْورد> عام 1984. ويمكن لليزرات أن تزوِّد بالطاقة من مسافات شاسعة، كما أن المساحة الكبيرة للشراع تسمح له باستقبال قدر كبير من الطاقة بالنسبة إلى كتلته. وثمة أنماط أخرى من الطاقة المحزَّمة. مثل الموجات المكروية microwaves، يمكن استعمالها أيضا. بل إن بعض الباحثين درسوا تسليط حُزَم من الجسيمات المشحونة على السفن الفضائية. فعند وصول هذه الجسيمات إلى السفينة، فإنها تجتاز عروة مغنطيسية مفرطة الموصلية (الناقلية). وهذا يؤدي إلى توليد قوة لورينتز Lorentz force التي توفر الدفع، لكن الضوء الليزري الموجّه إلى الأشرعة يبدو أفضل الاختيارات العملية حتى الآن.
وحين يضرب فوتون صادر عن ليزر شراعا فقد يحدث أحد أمرين: فإما أن يصطدم بمرونة مع الحقل الكهرمغنطيسي المحيط بالذرات الموجودة في الشراع وينعكس، وإما أن يجري امتصاص الفوتون بوساطة مادة الشراع، وهي عملية تُسخِّن الشراع بقدر طفيف جدا. وكل من هاتين العمليتين تولد تسارعا، لكن الانعكاس يولد ضعف ما يفعله الامتصاص. وهكذا فإن أكثر الأشرعة فعالية هو الشراع العاكس.
إن التسارع الذي يحدثه الليزر يتناسب طرديا مع القوة التي ينقلها إلى الشراع، وعكسيا مع كتلة السفينة الفضائية. وكما هي الحال في طرائق الدفع الأخرى، فإن الأشرعة الضوئية تعتمد في أدائها على الخواص الحرارية للمواد التي تُصنَع منها وعلى قوة هذه المواد، وكذلك على مقدرتنا على تصميم بنى منخفضة الكتلة. وتتألف الأشرعة الضوئية التي اقتُرحت من غشاء معدني رقيق ومصقول، ومعظمها مزود بنوع من الدعم لتعزيز قوتها البنيوية.
والطاقة التي يمكن نقلها إلى الشراع مقيدة بارتفاع حرارته، ففيما يسخن السطح يصير أقل عاكسية. ومن الممكن تخفيض درجة الحرارة التي يبلغها الشراع، ومن ثم زيادة تسارعه، بتلبيس وجهه الآخر بمواد يمكنها أن تشع الحرارة بقوة.
ولبلوغ سرعات عالية جدا، يتعين على السفينة الفضائية تقوية تسارعها. والسرعة النهائية التي يمكن بلوغها بوساطة شراع ضوئي تتحدد بطول المدة التي يمكن فيها لليزر المثبت على الأرض إنارة هدفه إنارة فعالة. ويتمتع الضوء الليزري بخاصية مهمة تسمى الترابط coherence، وهي تعني أن الطاقة التي يمكن أن يعطيها لا تصغر مع ازدياد المسافة إلى أن تبلغ هذه المسافة قيمة حرجة تُعرف باسم مسافة الانعراج diffraction distance، لكن الطاقة تغدو بعد هذه المسافة صغيرة جدا.
هذا وإن مسافة الانعراج لليزر، ومن ثم السرعة القصوى للسفينة الفضائية التي يزودها بالطاقة، خاضعة لحجم فتحة الليزر. وربما كانت الليزرات القوية جدا مؤلفة من مئات من ليزرات أصغر مُرتبة معا في صفيف array. وحجم الفتحة الفعال يساوي تقريبا قطر الصفيف كاملا، وتنتقل الطاقة العظمى عندما يكون الصفيف مرصوصا على أكثف شكل ممكن. ولدينا تصميم فسيفسائي كثافة الرص فيه قريبة من 100 في المئة.
وفي مختبر الدفع النفاث في پاسادينا بكاليفورنيا، درس فريقي تكلفةَ البعثة حين استعمال ليزرات مفردة وعند استعمال صفيف مرصوص منها. وقد وجدنا أن حجم الفتحة اللازم لبعثة بينجمية (بين النجوم) ضخم جدا. إن صفيفا ليزريا متطاورا phased صمّمناه لإرسال مجس probe في مدة قدرها 40 سنة للوصول إلى نجم ألفا قنطورس Alpha Centauri القريب منا، يتطلب أن يكون قطره 1000 كيلومتر. ولحسن الحظ، فإن البعثات إلى الكواكب تتطلب فتحات أصغر كثيرا. وعلى سبيل المثال، فإن ليزرا طاقته 46 جيگاواط، ويضيء شراعا مطليا بالذهب قطره 50 مترا، لا يتطلب إلا فتحة قطرها 15 مترا لإرسال حمولة وزنها 10 كيلوغرامات إلى المريخ في 10 أيام. ويمكن لهذا النظام أن يرسل مجسا إلى الحد الفاصل بين الريح الشمسية والوسط بين النجمي في مدة تتراوح ما بين ثلاث و أربع سنوات.
من الممكن تصميم سفن الأشرعة الضوئية كي تتبع حزمة آليا، ومن ثم فإن إدارة دفتها يمكن أن تُنفَّذ من الأرض. بل يمكن بناء شراع بأن ندمج فيه حلقة خارجية عاكسة يمكن فصلها عن السفينة عند بلوغها هدفها. وعند ذلك تواصل الحلقة عملها كما في السابق وتعكس الضوء الليزري موجِّهة إياه إلى الجزء المركزي الذي انفصل عن الشراع، وهذا يؤدي إلى دفعه ليعود من حيث أتى.
وقد تم إنجاز قدر كبير من الأعمال المتعلقة بالأشرعة الضوئية. فقد ابتكرت وزارة الدفاع الأمريكية ليزرات عالية الطاقة وتجهيزات لدقة التصويب كجزء من بحوثها حول مجابهة الصواريخ البالستية وحول الأسلحة المحتملة لمجابهة السواتل المضادة antisatellites. كذلك فقد اختَبرتْ بنى شبيهةً بالأشرعة الغرضُ منها عكس ضوء الشمس. وقد أطلق العلماء الروس عاكسا شمسيا مدوِّما spinning مصنوعا من الپوليمير قطره 20 مترا، أطلقوا عليه اسم زناميا 2 Znamya، كجزء من مخطط يرمي إلى توفير إنارة شتوية إضافية للمدن الروسية الشمالية؛ وثمة عاكس مماثل آخر قطره 25 مترا خُطِّط لاختباره في الشهر 2/1999.
وإذا انتقلنا إلى ما يجري في الولايات المتحدة، نرى أن الإدارة الوطنية الأمريكية للجو والمحيطات تخطط لإرسال سفينة فضائية مسيَّرة بطاقة شراع شمسي، وذلك خلال السنوات الأربع القادمة. وستحلق هذه السفينة في مدار غير مستقر واقع بين الأرض والشمس. ومن هذا الموقع، يمكنها أن تنذرنا بوجود جسيمات صادرة عن عواصف شمسية، وذلك قبل حدوثها بساعة.
وتعكف ناسا الآن على تقييم خطط ترمي إلى تطوير أشرعة ضوئية كبديل غير مكلف محتمل للصواريخ التقليدية. وتتراوح البعثات التي تجري دراستها من شراع قطره 100 متر ويدور في مدار حول الأرض إلى رحلة عبر الموجة الصدمية على حدود نظامنا الكوكبي.
وتستطيع الفحوص المختبرية أن تحدد في القريب العاجل خواص مواد الأشرعة الليزرية المخصصة لبعثات ستُرسَل إلى المريخ وحزام كويپر Kuiper والوسط بين النجمي. ومن المحتمل استعمال ليزر كيميائي عسكري طاقته نحو ميگاواط في الموقع White Sands Missile Range بنيومكسيكو لإضاءة أشرعة منشورة من سفن فضائية، وهذا يمكِّن من التوثق من التسارعات الحاصلة. وثمة خطط لليزرات استطاعاتها قرابة ميگاواط، ويمكن تشغيلها بتكلفة منخفضة، تستطيع في غضون خمس سنوات أن تكون قادرة على دفع أشرعة ضوئية لتسير في مدارات مختلفة. وفي تقديري أن باستطاعة مثل هذه الليزرات تزويد بعثات علمية إلى القمر بالطاقة اللازمة لها خلال عقد واحد من الزمن.
ومن خلال الأشرعة الضوئية، فإننا نُلقي لمحة خاطفة على المستقبل تُظهر إمكان الوصول وصولا سريعا وغير مكلف إلى البقاع النائية في النظام الشمسي وما بعده. وربما حولتْ هذه الأشرعة حلم السفر إلى نجوم بعيدة إلى حقيقة واقعة عاجلا أو آجلا.
--------------------------------------------------------------------------------
المؤلف:
Henry M. Harris
فيزيائي يدرس استكشاف الفضاء بين النجوم في مختبر الدفع النفاث في پاسادينا بكاليفورنيا. وقد صمم أيضا مكوكا فضائيا وتجارب أخرى. لقد عمل هاريس عازفا لموسيقى الجاز، كما كتب رواية حول العلم والقيم الروحية.
انتهى .
و لكم جزيل الشكر .....
'>
