موفقیت ماموریت LightSail 2 و نمایش ظرفیت بادبان‌های نوری برای فضانوردی

در سال ۱۹۷۶، کارل سیگن، اخترشناس آمریکایی در یک برنامه‌‌ی تلویزیونی به بحث درمورد شکل تازه‌‌ای از پیشرانه‌‌های فضایی موسوم‌‌به بادبان نوری (بادبان خورشیدی) پرداخت. حال پس از ۴ دهه، یک مؤسسه‌‌ی غیرانتفاعی با نام انجمن سیاره‌ای (The Planetary Society) به‌‌صورت عملی از چشم‌‌انداز فوق‌‌العاده‌‌ی این فناوری پرده برداشته است.

پروژه‌‌ی لایت‌‌سیل ۲ (LightSail 2) که حاصل ۱۰ سال تلاش مداوم و صرف ۷ میلیون دلار هزینه از محل کمک‌‌های مردمی است، اولین فضاپیمای کوچکی خواهد بود که قادر به تغییر مدار خود تنها با استفاده از انرژی خورشیدی است. گفتنی است که در بیشتر مأموریت‌‌های فضایی امروزی از پیشرانه‌‌های موتوری بهره گرفته می‌شود که با احتراق منابع سوخت موجود در فضاپیما انرژی لازم برای حرکت تأمین می‌‌شود؛ اما در لایت‌‌سیل ۲، با برخورد فوتون‌‌های نور به بادبان‌‌هایی با ابعاد ۳۲ مترمربع (تقریبا به‌‌اندازه‌‌ی مساحت یک رینگ بوکس) نیروی بسیار اندکی ایجاد می‌‌شود؛ این نیرو چیزی به‌‌اندازه‌‌ی نیروی ناشی از وزن یک گیره‌‌ی کاغذی در کف دست خواهد بود؛ ولی از آنجا که نور خورشید به‌‌صورت دائمی می‌‌تابد، اعمال مداوم نیروی ناشی‌‌ از آن نیز باعث سرعت‌‌گیری فضاپیما، بدون مصرف هرگونه سوختی خواهد شد. بروس بتز، مدیر برنامه‌‌ی لایت‌‌سیل و دانشمند ارشد مؤسسه می‌‌گوید:

فضاپیمای لایت‌‌سیل ۲، در ۲۵ ژوئن از طریق راکت فالکون هوی اسپیس ایکس به فضا پرتاب شد و برای مدتی بیش از یک ماه در مدار بود؛  تا اینکه هفته‌‌ی گذشته برای اولین‌‌بار بادبان‌‌های درخشان خود را (که از جنس پارچه‌‌ی مایلار هستند) گشود. حال با گذشت حدود ۸ روز از آن زمان، فضاپیما توانسته مدار خود را به‌میزان ۱/۷ کیلومتر ارتقا دهد؛ آن هم تنها باکمک انرژی فوتون‌‌های نوری که به بادبان‌‌های آن برخورد می‌‌کردند.

پس از آزمایش بادبان خورشیدی ژاپنی‌‌ها با نام ایکاروس (IKAROS) در سال ۲۰۱۰، پروژه‌‌ی لایت‌‌سیل ۲ دومین تلاش موفق تجهیز یک دستگاه با فناوری بادبان‌‌های خورشیدی است. تفاوت اینجا است که لایت‌‌سیل ۲ برخلاف ایکاروس می‌‌تواند از نیروی پیشرانه‌‌ی خود برای تغییر مدار نیز استفاده کند. البته چهار سال پیش انجمن سیاره‌ای یک فضاپیما با نام لایت‌‌سیل ۱ را نیز به فضا پرتاب کرده بود که به‌‌علت ارتفاع بسیار پایین، این فضاپیما مانند ایکاروس عملا قادر به غلبه بر نیروی کشش اتمسفر و تغییر ارتفاع به مدارهای بالاتر نبود.

تصویری از لایت‌‌سیل ۲ در هفته‌‌ی گذشته؛ پیش‌‌بینی می‌‌شود این فضاپیما در آینده با افزایش حرکت بیضوی خود، نهایتا وارد اتمسفر زمین شود و بسوزد

براساس گفته‌‌های دیو اسپنسر، مدیر پروژه، یک الگوریتم داخلی در لایت‌‌سیل ۲، وظیفه‌‌ی هدایت خودکار فضاپیما را به‌‌عهده دارد. این نرم‌‌افزار با تغییر ۹۰ درجه‌‌ای زاویه‌‌ی فضاپیما در هر ۵۰ دقیقه می‌‌تواند نیروی لازم برای جابجایی را از هر مکانی و تنها از طریق نور خورشید فراهم کند؛ در حالی که ایکاروس تنها می‌‌توانست به‌‌اندازه‌‌ی ۴ یا ۵ درجه زاویه‌‌ی خود را تغییر دهد.

الگوریتم مورد استفاده در لایت‌‌سیل ۲ هنوز در حال تغییر و به‌‌روزرسانی است. در حال حاضر یکی از بزرگ‌‌ترین چالش‌‌ها، تنظیم تکانه‌‌ی فضاپیما با استفاده از یک چرخ گردان است. این چرخ برای تغییر زاویه‌‌ی کل فضاپیما و درنتیجه خاموش و روشن کردن پیشرانه‌‌ی بادبان خورشیدی به‌‌کار می‌‌رود. وقتی این چرخ به حداکثر سرعت خود می‌‌رسد (اتفاقی که طی هر روز چند بار رخ می‌‌دهد)، باید سرعت آن دوباره کاهش یابد. در حال حاضر، این کار به‌‌کمک میله‌‌های گشتاور الکترومغناطیسی انجام می‌‌شود؛ بدین ترتیب که از نیروی میدان مغناطیسی زمین برای جهت‌‌دهی فضاپیما بهره گرفته می‌‌شود. اما متاسفانه استفاده از این سازوکار باعث می‌شود که فضاپیما به‌‌صورت موقتی نتواند جهت‌‌گیری مناسب خود را برای استفاده‌ از بادبان‌‌های خورشیدی حفظ کند. از این رو، دانشمندان در تلاش هستند که تا حد ممکن جلوی چنین مشکلاتی را بگیرند. چند روز پیش نیز یک بسته‌‌ی به‌‌روزرسانی نرم‌‌افزاری برای حل همین مشکل روی سیستم فضاپیما آپلود شد. بیل نای، مدیرعامل انجمن سیاره‌ای در جریان یک کنفرانس مطبوعاتی اظهار داشت:

نقاط اوج و حضیض لایت‌‌سیل ۲ از زمان پرتاب

از اکنون نمی‌‌توان به‌‌درستی پیش‌‌بینی کرد که فضاپیما تا چه‌‌ میزان افزایش ارتفاع را تجربه خواهد کرد. شبیه‌‌سازی‌‌های پیش از پرتاب نشان می‌‌دهد که هم‌زمان با افزایش نیروی پیشرانه‌‌ی خورشیدی، فضاپیما نیز در هر روز نیم‌‌کیلومتر افزایش ارتفاع خواهد داشت. درمجموع، این موضوع چندان دور از ذهن نیست؛ چراکه فضاپیما تنها طی روزهای گذشته به‌‌اندازه‌‌ی ۹۰۰ متر افزایش ارتفاع داشته است. اما همان‌‌گونه که یک حد آستانه‌‌ای برای مدارهای پایینی ماهواره‌ها وجود دارد؛ تعریف چنین آستانه‌‌ای برای مدارهای بالایی نیز دور از انتظار نیست. اسپنسر در جلسه‌‌ی مطبوعاتی می‌‌گوید:

شاید بتوان گفت پروژه‌‌ی NEA Scout یکی از اولین کاربردهای احتمال فناوری بادبان نوری خواهد بود. در این پروژه که قرار است اواسط دهه‌‌ی ۲۰۲۰ ازسوی ناسا انجام شود، یک بادبان نوری به‌‌همراه یک کیوب‌‌ست 6U برای جمع‌‌آوری اطلاعات از سیارک‌‌های نزدیک زمین به فضا ارسال خواهد شد. اسپنسر در این رابطه می‌‌گوید: