بادبان دانشمند ایرانی در فضا مستقر می‌شود

به گزارش ایسنا به نقل از اسپیس، صنعت فضایی روبه‌رشد و فناوری‌هایی مانند شبکه‌های برق، هوانوردی و مخابرات که جامعه به طور فزاینده‌ای به آنها متکی است، همگی در برابر یک تهدید یکسان آسیب‌پذیرند و آن تهدید، آب‌وهوای فضاست.

آب‌وهوای فضا هرگونه تغییر را در محیط فضایی بین خورشید و زمین شامل می‌شود. یکی از انواع رایج رویدادهای آب‌وهوایی فضا، خروج جرم از تاج خورشیدی است. این فوران‌ها گروه‌هایی از میدان‌های مغناطیسی و ذرات هستند که از خورشید سرچشمه می‌گیرند. آنها می‌توانند با سرعت تا 2000 کیلومتر در ثانیه حرکت کنند و ممکن است به بروز طوفان‌های ژئومغناطیسی منجر شوند.

فوران‌ها نمایش‌های زیبایی را از شفق قطبی ایجاد می‌کنند؛ مانند نورهای شمالی که گاهی اوقات می‌توان آنها را در آسمان دید اما آنها می‌توانند به اختلال عملیات ماهواره‌ها منجر شوند، شبکه برق را خاموش کنند و فضانوردان را در ماموریت‌های سرنشین‌دار آینده به ماه و مریخ در معرض دوزهای کشنده‌ای از تشعشعات قرار دهند.

«مجتبی اخوان» هلیوفیزیکدان «دانشگاه میشیگان»(UMich) و متخصص آب‌وهوای فضا به همراه گروهش، سرپرستی توسعه یک منظومه ماهواره‌ای نسل بعدی به نام «سوئیفت»(SWIFT) را بر عهده دارد که برای پیش‌بینی رویدادهای آب‌وهوایی بالقوه خطرناک فضا طراحی شده است. هدف اخوان و گروهش، پیش‌بینی دقیق‌تر و زودتر آب‌وهوای فضایی ناملایم است.

اخوان در مقاله اخیر خود، اطلاعاتی را درباره رویدادهای آب‌وهوایی فضا و پیش‌بینی آنها ارائه داده است که آنها را در ادامه می‌خوانیم.

خطرات آب‌وهوای فضا

منافع تجاری اکنون بخش بزرگی از اکتشافات فضایی را تشکیل می‌دهند و بر گردشگری فضایی، ساخت شبکه‌های ماهواره‌ای و تلاش برای استخراج منابع از ماه و سیارک‌های نزدیک تمرکز دارند. همچنین، فضا یک حوزه حیاتی برای عملیات نظامی است. ماهواره‌ها قابلیت‌های اساسی را برای ارتباطات نظامی، نظارت، مسیریابی و اطلاعات فراهم می‌کنند.

با افزایش وابستگی کشورهایی مانند آمریکا به زیرساخت‌های فضایی، رویدادهای آب‌وهوایی ناملایم فضا تهدید بزرگتری را ایجاد می‌کنند. امروزه آب‌وهوای فضا تا 2.7 تریلیون دلار از دارایی‌های جهان را تهدید می‌کند.

در سپتامبر 1859، قوی‌ترین رویداد ثبت‌شده آب‌وهوای فضا موسوم به رویداد «کارینگتون»(Carrington) با اثرگذاری شدید بر خطوط تلگراف باعث آتش‌سوزی در آمریکای شمالی و اروپا شد. در اوت 1972، رویداد دیگری شبیه به کارینگتون تقریباً به فضانوردانی که در حال گردش در مدار ماه بودند، برخورد کرد. دوز تشعشعات می‌توانست کشنده باشد. در فوریه 2022، شرکت «اسپیس‌ایکس»(SpaceX) 39 ماهواره از 49 ماهواره تازه پرتاب‌شده «استارلینک»(Starlink) خود را به دلیل یک رویداد آب‌وهوایی متوسط فضا از دست داد.

بررسی‌های امروزی آب‌وهوای فضا

سرویس‌های هواشناسی فضایی به شدت به ماهواره‌هایی متکی هستند که به رصد باد خورشیدی می‌پردازند و مشاهدات خود را به زمین مخابره می‌کنند. دانشمندان می‌توانند این مشاهدات را با سوابق پیشین مقایسه کنند تا به پیش‌بینی آب‌وهوای فضا بپردازند و بررسی کنند که چگونه زمین ممکن است به تغییرات مشاهده‌شده در باد خورشیدی واکنش نشان دهد.

میدان مغناطیسی زمین به طور طبیعی از موجودات زنده و ماهواره‌های حاضر در مدار زمین در برابر بیشتر اثرات نامطلوب آب‌وهوای فضا محافظت می‌کند. با وجود این، رویدادهای شدید آب‌وهوایی فضا ممکن است سپر مغناطیسی زمین را فشرده کنند یا در برخی موارد از بین ببرند. این فرآیند به ذرات باد خورشیدی اجازه می‌دهد تا به محیط محافظت‌شده ما موسوم به «مگنتوسفر» راه پیدا کنند و ماهواره‌ها و فضانوردان حاضر در ایستگاه‌های فضایی را در معرض شرایط سخت قرار دهند.

بیشتر ماهواره‌هایی که به طور مداوم آب‌وهوای فضا را در مدار زمین رصد می‌کنند، نسبتاً نزدیک به سیاره زمین قرار دارند. برخی از ماهواره‌ها در مدار پایین زمین در حدود 161 کیلومتری سطح سیاره قرار دارند؛ در حالی که برخی دیگر در «مدار زمین‌همگام» تقریباً 40 هزار کیلومتر دورتر قرار دارند.

در این فواصل، ماهواره‌ها در سپر مغناطیسی محافظ زمین باقی می‌مانند و می‌توانند واکنش سیاره به شرایط آب‌وهوایی فضا را به طور قابل اعتماد بررسی کنند. با وجود این، پژوهشگران برای مطالعه مستقیم‌تر باد خورشیدی ورودی، از ماهواره‌های بیشتری استفاده می‌کنند که در فاصله‌ صدها هزار مایل دورتر از زمین قرار دارند.

آمریکا، آژانس فضایی اروپا و هند، ماهواره‌های رصد آب‌وهوای فضا را در اطراف «نقطه لاگرانژ 1»(L1) تقریباً در فاصله 1450 هزار کیلومتری زمین که در آنجا نیروهای گرانشی خورشید و زمین در تعادل هستند، اداره می‌کنند. از این نقطه دید، رصدگران آب‌وهوای فضا می‌توانند تا 40 دقیقه پیش از وقوع رویدادهای خورشیدی هشدار دهند.

هشدار پیشین آب‌وهوای فضا

افزایش زمان هشدار به بیش از 40 دقیقه – زمان هشدار کنونی – به اپراتورهای ماهواره، برنامه‌ریزان شبکه برق، مدیران پرواز، فضانوردان و افسران نیروی فضایی کمک می‌کند تا بهتر برای رویدادهای شدید آب‌وهوای فضا آماده شوند.

برای مثال، جو زمین در طول طوفان‌های ژئومغناطیسی، گرم و منبسط می‌شود و اثر نیروی اصطکاک را بر ماهواره‌های حاضر در مدار پایین زمین افزایش می‌دهد. با هشدار پیشین، اپراتورها می‌توانند محاسبات خود را درباره نیروی اصطکاک به‌روزرسانی کنند تا از پایین آمدن و سوختن ماهواره‌ها در طول این رویدادها جلوگیری شود. اپراتورهای ماهواره با کمک محاسبات نیروی اصطکاک به‌روزرسانی‌شده می‌توانند از سیستم‌های پیش‌رانش ماهواره‌ها برای مانور آنها در مدار بالاتر استفاده کنند.

خطوط هوایی می‌توانند مسیر خود را تغییر دهند تا از قرار گرفتن مسافران و کارکنان در معرض دوزهای بالای تشعشع در طول طوفان‌های ژئومغناطیسی جلوگیری کنند. فضانوردان آینده که در مسیر ماه و مریخ هستند یا روی آن کار می‌کنند و فاقد محافظت در برابر این ذرات هستند، می‌توانند از پیش درباره آنها آگاه شوند تا پناه بگیرند.

دوست‌داران شفق قطبی نیز از داشتن زمان بیشتر برای رسیدن به مقاصد مورد علاقه خود به منظور مشاهده شفق قطبی قدردانی خواهند کرد.

مرز بررسی آب‌وهوای فضا

من(اخوان) و گروهم در حال توسعه یک منظومه ماهواره‌ای جدید هواشناسی فضایی به نام «مرز بررسی آب‌وهوای فضا»(Space Weather Investigation Frontier) هستیم. منظومه سوئیفت برای اولین بار یک مانیتور هواشناسی فضا را فراتر از نقطه لاگرانژ 1 در فاصله 2.1 میلیون کیلومتری زمین قرار خواهد داد. این فاصله به دانشمندان امکان می‌دهد تا تقریباً 60 دقیقه پیش از رسیدن، تصمیم‌گیرندگان را از هرگونه رویداد آب‌وهوای فضا در محدوده زمین آگاه سازند.

ماهواره‌هایی که از سیستم‌های پیش‌رانش شیمیایی و الکتریکی سنتی استفاده می‌کنند، نمی‌توانند مدار خود را برای مدت طولانی در مکانی دورتر از زمین و نزدیک‌تر به خورشید حفظ کنند. دلیل این است که آنها برای مقابله با کشش گرانشی خورشید باید به طور مداوم سوخت مصرف کنند.

گروه ما برای پرداختن به این مشکل، دهه‌ها به طراحی و توسعه یک سیستم پیش‌رانش جدید مشغول بوده‌اند. راهکار ما به گونه‌ای طراحی شده است که به طور مقرون‌به‌صرفه به فاصله‌ای نزدیک‌تر از نقطه لاگرانژ 1 به خورشید برسد و با مهار یک منبع فراوان و قابل اعتماد یعنی نور خورشید، بیش از یک دهه به طور قابل اطمینان در آنجا فعالیت کند.

سوئیفت برای رسیدن به مدار خود از یک سیستم پیش‌ران بدون سوخت به نام «بادبان خورشیدی» استفاده خواهد کرد. بادبان خورشیدی یک سطح بازتابنده به نازکی مو و شبیه به یک آینه بسیار نازک است که حدود یک سوم یک زمین فوتبال را پوشش می‌دهد. این بادبان، نیروی ذرات نوری را که از خورشید می‌آیند و آن را به عقب می‌رانند با گرانش خورشید که آن را به سمت داخل می‌کشد، متعادل می‌کند.

یک قایق بادبانی از نیروی بالابرنده‌ای که توسط باد روی بادبان‌های منحنی‌اش ایجاد می‌شود، برای حرکت در آب استفاده می‌کند. یک بادبان خورشیدی نیز از تکانه فوتون‌های نور خورشید که از بادبان بزرگ و براق آن منعکس می‌شوند، برای به حرکت درآوردن یک فضاپیما در فضا استفاده می‌کند. هم قایق بادبانی و هم بادبان خورشیدی از انتقال انرژی محیط‌های مربوطه خود برای ایجاد حرکت بدون تکیه بر سیستم‌های پیش‌ران سنتی بهره می‌برند. بادبان خورشیدی می‌تواند سوئیفت را قادر سازد تا بدون خطر اتمام سوخت، به مدار ناپایدار زیر لاگرانژ 1 وارد شود.

ناسا اولین بادبان خورشیدی خود را در سال 2010 با موفقیت پرتاب کرد. این نمایش فضایی موسوم به «نانوسیل-دی2»(NanoSail-D2)، یک بادبان به مساحت 10 متر مربع داشت و در مدار پایین زمین قرار گرفت. در همان سال، آژانس فضایی ژاپن یک بادبان خورشیدی بزرگتر به نام «IKAROS» را پرتاب کرد که مساحت آن 196 متر مربع بود. ژاپن بادبان IKAROS را در زمان وزش باد خورشیدی مستقر کرد و آن را با موفقیت در مدار زهره قرار داد.

«انجمن سیاره‌ای آمریکا»(The Planetary Society) و ناسا این کار را با پرتاب دو بادبان در مدار پایین زمین ادامه دادند که عبارت بودند از «لایت‌سیل»(LightSail) با مساحت 32 متر مربع و سیستم بادبان خورشیدی کامپوزیت پیشرفته با مساحت 80 متر مربع.

ماموریت نمایشی گروه سوئیفت یعنی «سولار کروزر»(Solar Cruiser) به یک بادبان بسیار بزرگتر با مساحت 1653 متر مربع مجهز خواهد شد و پرتاب آن تا اوایل سال 2029 صورت خواهد گرفت. ما(اخوان و گروهش) اوایل سال گذشته با موفقیت یک چهارم از بادبان را روی زمین مستقر کردیم.

گروه برای انتقال بادبان به فضا، آن را با دقت تا خواهند کرد و درون یک محفظه کوچک محکم قرار خواهند داد. بزرگترین چالشی که باید بر آن غلبه کرد، استقرار بادبان پس از قرار گرفتن در فضا و استفاده از آن برای هدایت ماهواره در مسیر مداری مورد نظر است.

سولار کروزر در صورت موفقیت، راه را برای منظومه چهار ماهواره‌ای سوئیفت هموار خواهد کرد. این منظومه شامل یک ماهواره مجهز به نیروی محرکه بادبان خواهد بود که قرار است در مداری فراتر از نقطه لاگرانژ 1 قرار بگیرد و سه ماهواره کوچکتر را نیز با نیروی محرکه شیمیایی در مدار نقطه لاگرانژ 1 قرار خواهد داد.

این ماهواره‌ها به طور نامحدود در نقطه لاگرانژ 1 و فراتر از آن مستقر خواهند شد و بدون وقفه به جمع‌آوری داده‌ها درباره باد خورشیدی خواهند پرداخت. هر یک از این چهار ماهواره می‌توانند باد خورشیدی را از مکان‌های متفاوتی مورد بررسی قرار دهند و دانشمندان را یاری دهند تا پیش از رسیدن به زمین، نحوه تکامل باد خورشیدی را بهتر پیش‌بینی کنند.

از آنجا که زندگی مدرن بیشتر به زیرساخت‌های فضایی وابسته است، ادامه سرمایه‌گذاری در پیش‌بینی آب‌وهوای فضا می‌تواند از فناوری‌های فضایی و زمینی محافظت کند.