الوسم: السرعة

تصور مركبة فضائية بدون محرك مشتعل خلفها وقليل جدًا من الوقود على متنها. بدلًا من ذلك، يسطع أشعة ليزر عملاقة من النظام الشمسي على أمريك رقيق جدًا يعكس الضوء، وتفرض ضغط الضوء بشكل مستمر دفع المركبة نحو نجم آخر.
هذه الفكرة المستقبلية قد تكون واحدة من القلائل التي تتيح سرعة كبيرة للسفر بين النجوم بحيث تكون ذات فائدة علمية.
السبب بسيط: الصواريخ التقليدية يجب أن تحمل وقودها الخاص، ومع زيادة الوقود يرتفع الوزن، ويتطلب نقل هذا الوزن مرارًا وقودًا أكثر.
أما شراع الليزر، فيتجنب الكثير من هذه المشكلة لأنه يمكن أن يكون مصدر الطاقة بعيدًا عن المركبة.
سترسل الليزر شعاعًا مكثفًا نحو شراع خفيف جدًا. على الرغم من أن الضوء يبدو بلا وزن في حياتنا اليومية، إلا أنه يفرض ضغطًا عند ملامسته للمادة. على مدى فترة طويلة، يمكن أن يدفع شعاع قوي بشكل محتمل مركبة صغيرة بسرعات لا يمكن للمحركات العادية الاقتراب منها.
لكن السفر بهذه السرعة يغير القواعد تمامًا. درس باحثو معهد هاربين للتكنولوجيا في الصين، تشاوشن وشيازي لي، تأثيرات القوى على الشراع الليزري مع اقترابه من سرعة الضوء.
نُشر بحثهم على منصة arXiv كمسودة علمية، مما يعني أن النتائج نظرية حتى الآن وتتطلب تقييمًا أكثر دقة من خلال مراجعة الأقران.
قسّم الباحثون قوة الدفع الناتجة عن الضوء إلى أجزاء مختلفة: إذ ينقل الفوتون القادم زخمًا عند اصطدامه بالشراع، بينما يعطينا الفوتون العاكس دفعًا آخر عند bouncing away. وهناك جزء صغير قد يُمتص أو يُبعثر في اتجاهات متعددة، مسببًا مساهمة أقل في القوة الإجمالية.
عندما تكون المركبة تتحرك بسرعة منخفضة نسبياً، يمكن معاملة كل ذلك ببساطة أكبر. الشعاع يسطع من الخلف والشراع يتحرك للأمام. أما عند السرعات العالية جدًا، فإن حركة المركبة تؤثر على الضوء الذي يصلها.
وهذا يُعزى جزئيًا إلى تأثير دوبلر النسبوي. مع ابتعاد الشراع، يظهر ضوء الليزر متغيرًا نحو تردد أقل بالنسبة له. هذا يقلل من فعالية الشعاع في دفع المركبة، مما يجعل من الصعب زيادة سرعتها بشكل أكبر.
يشبه الأمر مطاردة شيء يبتعد بسرعة كبيرة، رغم أن الفيزياء الحقيقية أدق بكثير. فكلما زادت سرعة الشراع، تقل كفاءة استجابة الضوء في دفعه، مما يفرض قيودًا طبيعية على الوصول لسرعة الضوء نفسها.
تُبرز الدراسة الجديدة تغيرًا غريبًا يحدث عند حوالي 75% من سرعة الضوء. حيث يُغير النسبوي من كيف يبدو للراصد خارجيًا اتجاه الضوء المنتشر، فالإشعاع الذي كان يساهم في دفع المركبة للأمام قد يبدو وكأنه موجَّه أكثر نحو مقدمتها.
إذا كان الضوء يحمل زخمًا إلى الأمام، فلابد أن يوازيه قوة معاكسة في الاتجاه المعاكس. في هذه الحالة، تتعرض الشراع لقوة صغيرة للخلف. يصِف الباحثون هذا التأثير بأنه يتحول من دفع إلى مقاومة عند سرعات عالية جدًا.
ومع أن المقاومة ليست قوية بما يكفي لتجاوز الدفع الرئيسي من الليزر، إلا أنها تؤثر على قدرة المركبة على مواصلة التسريع بكفاءة عالية. لذلك، فإن زيادة قوة الليزر لن تؤدي دائمًا إلى تسريع مثالي عند اقتراب المركبة من سرعات قصوى.
هذه المعلومات مهمة لمهندسي تصميم المهام المستقبلية، حيث يتعين عليهم تقدير زمن الرحلات، قوة الليزر، وسلوك الشراع بشكل دقيق بحيث يتماشى مع القوة المفيدة المتبقيّة عند كل سرعة. فهذه الظواهر الصغيرة قد تكون مهمة جدًا عندما يحتاج المسبار للبقاء في حالة تسريع لفترة طويلة ولعبور مسافات تريليونات الكيلومترات.
النموذج الذي وضعوه الباحثون هو مثالي بشكل متعمد، إذ أن الشراع الحقيقي لن يكون مثاليًا ويجب أن يتحمل حرارة هائلة مع الحفاظ على خفة وزنه. كما أنه يحتاج لضبط مركزه بدقة داخل شعاع الليزر على مسافات شاسعة، وهو تحدٍ تقني كبير بحد ذاته.
فضاء بين النجوم ليس فارغًا تمامًا، فهناك غازات خفيفة وحُبيبات غبار صغيرة. الاصطدامات تصبح أكثر عنفًا عندما يتحرك المركب بسرعة قريبة من سرعة الضوء، مما يستدعي حماية الشراع وأجهزته من تلك الاصطدامات، وهو من أصعب التحديات الهندسية.
ومع ذلك، قد تكمن فرص اكتشاف داخل الفيزياء المعقدة. الباحثون يطورون مواد خاصة تتحكم بكيفية انعكاس الضوء ونتشاره، وربما في المستقبل، سيتمكن المهندسون من تشكيل هذه التأثيرات بحيث يسهم الضوء في استقرار الشراع والمحافظة على توجيهه بدلاً من مجرد دفعه للأمام.
لا يُفهم من الدراسة أنها تُعتبر مشكلة قاتلة للشراع الليزري، بل تُذكر أن المفهوم السهل عند سرعات منخفضة يمكن أن يتغير بشكل كبير في ظروف السفر بين النجوم. ونظرًا لأن العمل نظري ويستبعد العديد من الظواهر الواقعية، فإن التجارب والنماذج الأكثر تفصيلًا ستكون ضرورية لتقييم حجم المشكلة في التطبيق.
الدرس الأوسع هو أن السفر بين النجوم يتطلب أكثر من مجرد ليزر قوي وشراع لامع. على المهندسين التعامل مع نسبية السرعة، والحرارة، ومتانة المواد، والملاحة، وبيئة الفضاء بين النجوم. الإحاطة التي أضافتها الحسابات الجديدة تشير إلى أن، عند سرعات عالية جدًا، جزء صغير من الضوء الذي يدفع المركبة قد يبدأ في مقاومة حركتها.