سیستم بادبان خورشیدی پیشرفته ناسا؛ شاهکار جدید فناوری فضایی!

بادبان‌ خورشیدی کامپوزیتی پیشرفته ناسا یک ساختار جدید برای استفاده از نور خورشید در جهت تامین نیروی پیش‌رانش فضاپیماهاست.

ناسا درحال توسعه یکی از جدیدترین شاهکارهای حوزه فناوری فضایی به نام «سیستم بادبان خورشیدی کامپوزیتی پیشرفته» (Advanced Composite Solar Sail System) یا به اختصار «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 کند. مجانی بودن منبع تابشی همچون خورشید این مزیت را برای بادبان‌های خورشیدی به همراه دارد که آن‌ها را قابل دسترس‌تر و منحصر به فردتر از سیستم‌های پیچیده پیش‌رانش می‌کند. به عقیده دانشمندان، بادبان‌های خورشیدی احتمالا 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 تامین انرژی مطالعات فضایی استفادع 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 اردیبهشت 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 آن‌ها است که باید طویل باشد تا بادبان محکم و استوار باشد.

لایت‌سیل 2 و دیگر فضاپیماهای سابق بادبان خورشیدی از بوم‌های فلزی استفاده می‌کردند که سنگین هستند و به دلیل نوسانات دمایی سرد و گرمی که در فضا تجربه می‌کنند، می‌توانند به‌طور غیرقابل پیش‌بینی منحرف شوند. ACS3 از بوم‌های کامپوزیتی که از پلیمر تقویت‌شده با فیبر کربن ساخته شده 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 هستند.

بوم‌های کامپوزیتی به اندازه کافی قوی هستند که بادبان را محکم نگه دارند، در عین‌حال به اندازه کافی انعطاف‌پذیرند تا پیچ نخورند یا به راحتی 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 «کیوب‌ست» دارد؛ کیوب‌ست‌ها ماهواره‌های کوچکی هستند که ابعادی در حد تنها چند متر دارند.

لایت‌سیل 1 و 2 نیز شامل کیوب‌ست‌هایی به اندازه 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 بر روی دوک‌های مرکزی نواری شکل مستقل می‌شوند. بوم‌ها چهار بادبان مثلثی شکل را بیرون می‌کشند تا یک مربع را همانند شکل کامل کنند.

در صورت استقرار کامل، بادبان مانند یک بادبادک مربعی شکل خواهد بود که هر ضلع آن ۹ متر است.

فواید استفاده از فناوری ACS3

داده‌های به‌دست آمده‌ 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.

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