بادبان‌های نوری؛ تنها راه سفرهای میانستارهای در محدوده عمر انسان
انسان از قرن‌ها پیش رؤیای حرکت در اقیانوس‌های فضایی را با بادهای نوری در سر دارد. استفاده از بادبان‌های انعکاسی و نزدیک کردن سرعت آن‌ها به سرعت نور با استفاده از مجموعه‌ی فوتون‌ها شاید تنها راه‌حل ممکن برای رسیدن به ستاره‌ای دیگر در طول عمر انسان باشد. عملی کردن این ایده در تئوری بسیار آسان‌تر است. ذرات نور شاید سریع باشند اما نیروی زیادی را وارد نمی‌کنند. اگر بادبانی خورشیدی بسازید که اینرسی پرتوها را احساس کند، رگبار ثابت فوتون‌ها می‌تواند به مواد بادبان آسیب برساند.
ساخت بادبانی که بتواند در برابر تهدیدها در سفری طولانی مقاومت کند نیاز به راه‌حل‌هایی هوشمندانه دارد؛ شاید نوع راه‌حل پیشنهادی در دو پژوهشی که اخیراً در مجله‌ی Nano Letters منتشر شدند، کارساز باشد. دو پژوهش یادشده توسط مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا و دانشگاه کالیفرنیای لس‌آنجلس آمریکا به‌عنوان بخشی از برنامه‌ی Breakthrough Starshot طراحی شدند. هدف این نوآوری‌ها یافتن راه‌هایی برای موازنه‌ی دوام و جرم موردنیاز برای سفری میانستارهای است. به گفته‌ی ایگور بارگاتین، مهندس مکانیک دانشگاه پنسیلوانیا:
ایده‌ی بادبان خورشیدی مدتی پیش مطرح شد اما هدف ما اطمینان از سالم ماندن بادبان در طول سفر است.
مانند ذرات هوا که به بادبان پارچه‌ای برخورد می‌کنند، امواج پرتوها هم تکانه‌ی هر جرمی را که به آن برخورد کنند، تغییر می‌دهند. فوتون‌ها یا مولکول‌های نور برخلاف مولکول‌های هوا هیچ جرم ایستایی ندارند؛ در نتیجه نیرویی بسیار اندک را وارد می‌کنند. برای مثال نوری که از بدن شما در طول حمام آفتاب منعکس می‌شود هم‌ارز با نیروی جرمی به اندازه‌ی یک‌هزارم گرم است.
روش‌های مختلفی برای افزایش فشار بر یک جرم متحرک وجود دارد. یکی از روش‌ها ساختن بادبانی بزرگ است که بتواند نور بیشتری را جذب کند. روش دیگر افزایش شدت نور ازطریق هدایت مقادیر زیادی لیزر به آن است.اما در اینجا چند مشکل وجود دارد. بادبان‌های بزرگ‌تر به معنی جرم بیشتر هستند. هرچقدر جرم کمتر باشد هدایت بادبان آسان‌تر می‌شود، از طرفی کاهش جرم یک بادبان بزرگ، دوام آن را کاهش و ریسک پارگی را افزایش می‌دهد.
نور بیشتر هم مشکلاتی را به‌دنبال دارد. برای مثال با شتاب گرفتن بادبان، طول موج پرتوهایی که با آن برخورد می‌کنند به سمت انتهای قرمز رنگین‌کمان طیفی تمایل پیدا می‌کنند. در نتیجه به نوعی ماده نیاز است که نور فروسرخ زیادی جذب نمی‌کند و داغ نمی‌شود. یافتن ماده‌ی مناسب برای ساخت بادبانی محکم و سبک که بتواند گرمای تولیدشده توسط گیگاوات‌های نور لیزری را کنترل کند به سوژه‌ی پژوهش‌های متعدد تبدیل شده است؛ اما هیچ کدام از آن‌ها بر موازنه‌ی جذب اندک و تکانه‌ی بالا در یک مسافت مشخص موردنیاز برای شتاب گرفتن وسیله متمرکز نبودند.
مهندسان در جدیدترین پژوهش، ساخت بادبانی دولایه را پیشنهاد می‌دهند که از ترکیب‌های مولیبدن دی سولفید و سیلیکون نیترید ساخته شده‌اند و هر دو را می‌توان به صورت صفحاتی ساخت که دارای ویژگی‌های نوری برای موازنه‌ی جذب حداقلی و انتشار نور در حین باز شدن بادبان هستند.
مقاله‌ی دوم نه از دیدگاه ماده بلکه از دید ساختاری راه‌حلی را پیشنهاد داده است. هدف این پروژه کنترل فشار فوتونی است که آرایه‌ی لیزری وارد می‌کند. ساخت بادبان منحنی می‌تواند دوام آن را افزایش دهد اما همان‌طور که مؤلفان پژوهش اشاره می‌کنند، پژوهش‌های اندکی در زمینه‌ی فشار نوری بر این نوع ساختار انجام شده‌اند. پژوهشگرها با مدل‌سازی بادبانی مدور و کروی در مقیاس متر مربعی که بتواند محموله‌ای چند گرمی را حمل کند، نشان دادند برای رسیدن به منحنی مناسب هنوز راه زیادی را در پیش دارند.
مقاله‌ی مرتبط:برای سفر در میان ستارگان، به چه فضاپیمایی نیاز خواهیم داشت؟بادبان نوری چیست و چگونه کار می‌کند؟
مانند بررسی‌های دیگر، پژوهشگرها به بررسی تفاوت‌های زمانی شتاب برای رسیدن به تعادل مناسب مکانیکی، فشار گرمایی و زمان سفر پرداختند. در حالت ایدئال برنامه‌ی Breakthrough Starshot به‌دنبال ساخت وسیله‌ای سبک است که بتواند با سرعت نزدیک به ۲۰ درصد سرعت نور حرکت کند؛ این سرعت برای پیمودن مسیر ۴٫۲ سال نوری به منظومه‌ی پروکسیما قنطورس تنها در چند دهه کافی است.
همچنین فناوری بادبان نوری شاید هرگز قادر به حمل مسافر انسانی نباشد و حمل مسافر انسانی میانستارهای هنوز موضوع آثار علمی-تخیلی است؛ اما می‌تواند چشم‌اندازی نزدیک از منظومه‌های سیاره‌ای را در زمان حیات انسان فراهم کند.
دو پژوهش فوق در مجله‌ی Nano Letters منتشر شد. آن‌ها را در این لینک و این لینک ببینید.
بادبان‌های نوری می‌توانند به رؤیای سفرهای میانستارهای جامه‌ی عمل بپوشانند. پژوهشگرها در دو پژوهش جدید به راه‌حل‌هایی برای ساخت این بادبان‌ها اشاره کرده‌اند.