تارس: شتاب‌دهنده خورشیدی نوین برای سفرهای میان‌ستاره‌ای

سفر به فضای میان‌ستاره‌ای، رویایی دیرینه برای بشریت، اکنون با معرفی ایده‌ای نوآورانه به نام «شتاب‌دهنده گشتاوری با استفاده از تابش خورشید» یا به اختصار «تارس» (TARS)، می‌تواند بسیار دست‌یافتنی‌تر از گذشته باشد. این مفهوم که توسط «دیوید کیپینگ»، استاد ستاره‌شناسی دانشگاه کلمبیا، مطرح شده، یک سانتریفیوژ خورشیدی است که قادر است کاوشگرهای کوچک را به سرعت‌هایی فراتر از سرعت گریز مورد نیاز برای خروج از منظومه شمسی برساند.

دیوید کیپینگ می‌گوید: «انجام دادن یک ماموریت میان‌ستاره‌ای، یکی از چالش‌برانگیزترین مشکلاتی به شمار می‌رود که بشریت تاکنون با آن روبه‌رو شده است.»

تارس، که نام خود را از ربات معروف فیلم «میان‌ستاره‌ای» محصول ۲۰۱۴ گرفته، راهکاری ساده و در عین حال قدرتمند برای سفر به ستاره‌های دیگر ارائه می‌دهد. این سیستم برخلاف روش‌های سنتی، نیازی به رآکتورهای هم‌جوشی، لیزرهای گیگاواتی یا حتی موشک‌های شیمیایی (به جز برای پرتاب اولیه از زمین) ندارد و زیبایی آن در سادگی طراحی‌اش نهفته است.

نحوه عملکرد تارس: سانتریفیوژ خورشیدی

تارس از دو «پارو» تشکیل شده که هر یک دارای یک سطح بازتابنده و یک سطح تیره هستند. این پاروها با زاویه ۱۸۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفته و توسط یک طناب به هم متصل می‌شوند. عملکرد آن شبیه به یک بادبان خورشیدی است؛ نور خورشید به سطوح بازتابنده فشار وارد کرده و باعث چرخش سریع تارس می‌شود. این چرخش تا رسیدن به یک سرعت بحرانی ادامه می‌یابد که در آن یک فضاپیمای کوچک (شاید به اندازه یک تلفن همراه) با سرعت بسیار بالا به فضا پرتاب می‌شود.

تارس مانند یک باتری عمل می‌کند که با انرژی خورشید شارژ شده و سپس تمام این انرژی را به صورت انرژی جنبشی آزاد می‌کند.

سرعت و چالش‌ها در سفر میان‌ستاره‌ای

در مقاله مشترک کیپینگ و «کاترین لامپو»، دانشجوی مهندسی دانشگاه کلمبیا، مثالی از تارس با دو پاروی ۲.۸ میکرونی و عرض هفت متر، که توسط طنابی به طول ۶۳ متر از هم جدا شده‌اند، ارائه شده است. این سیستم می‌تواند پس از سه سال چرخش، فضاپیمای کوچکی را با سرعت ۱۲.۱ کیلومتر بر ثانیه پرتاب کند. با احتساب حرکت مداری، این دستگاه باید از سرعت ۴۲ کیلومتر بر ثانیه که برای فرار از منظومه شمسی لازم است، فراتر رود.

با این حال، حتی با این سرعت، سفر به ستاره «آلفا قنطورس» که در فاصله ۴.۳ سال نوری از ما قرار دارد، بیش از ۳۰ هزار سال به طول می‌انجامد. برای کاهش این زمان، راه‌حل‌هایی برای افزایش سرعت مطرح شده است.

عوامل مؤثر بر سرعت رهاسازی

کیپینگ دو عامل اصلی را برای کنترل سرعت رهاسازی فضاپیما معرفی می‌کند:

• مدت زمان شارژ: هرچه تارس مدت زمان بیشتری شارژ شود، انرژی بیشتری برای پرتاب خواهد داشت.
• استحکام کششی ویژه: این عامل که نسبت مقاومت کششی به جرم ماده است، مهم‌ترین فاکتور محسوب می‌شود.

محاسبات اولیه بر اساس نانولوله‌های کربنی انجام شده است که قوی‌ترین مواد موجود در بازار هستند. اما کیپینگ اشاره می‌کند که تولید گرافین در مقیاس صنعتی می‌تواند سرعت آزادسازی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد، زیرا گرافین مقاومت کششی بسیار بالاتری دارد.

بهینه‌سازی مسیر و افزایش سرعت

یکی دیگر از روش‌های افزایش سرعت، استفاده از «اثر اوبرت» است. در این روش، فضاپیما با حرکت به سمت خورشید شتاب می‌گیرد و گرانش خورشید سرعت آن را افزایش می‌دهد. اما یک چالش وجود دارد: تابش خورشیدی به تدریج تارس را از خورشید دور می‌کند و با دور شدن از خورشید، میزان انرژی دریافتی کاهش می‌یابد.

کیپینگ برای این مشکل نیز راه‌حلی ارائه داده است: نوعی بادبان خورشیدی که به گونه‌ای طراحی شده تا فشار بیرونی نور خورشید با فشار درونی گرانش خورشید کاملاً متعادل باشد. این طراحی به تارس اجازه می‌دهد تا در مداری پایدار به دور خورشید باقی بماند و حداکثر انرژی را دریافت کند.

اگرچه از نظر تئوری محدودیتی برای حداکثر سرعت وجود ندارد، اما برای رسیدن به سرعت‌های نسبیتی (کسری قابل توجه از سرعت نور)، اندازه طرح باید به صورت تصاعدی افزایش یابد. با این حال، با ترکیب عواملی مانند اثر اوبرت، ساختار گرافین، میدان الکترومغناطیسی و استفاده از لیزر برای چرخش تارس، می‌توان به سرعت ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (معادل ۰.۳ درصد سرعت نور) دست یافت. با چنین سرعتی، سفر به منظومه آلفا قنطورس در کمتر از ۱۳۰۰ سال امکان‌پذیر خواهد بود.

چشم‌انداز آینده و اهمیت ماموریت‌های میان‌نسلی

کیپینگ با اشاره به طولانی بودن زمان سفر می‌گوید: «مردم همیشه می‌گویند که شما هرگز در طول عمر خود به آلفا قنطورس نخواهید رسید، اما چه کسی اهمیت می‌دهد؟ به نظر من، اصرار بر این که هر سیستم فضایی که می‌سازیم، باید در طول عمر یک انسان به کل چرخه تکمیل خود برسد، بسیار خودخواهانه به نظر می‌رسد. کاری که ما سعی داریم انجام دهیم، این است که دنیای بهتری را برای افرادی که پس از ما می‌آیند، به جا بگذاریم و این وظیفه رفتن به فضای میان‌ستاره‌ای و کاوش در جهان، یک فعالیت مترقی و چندنسلی است. تا زمانی که بتوانیم به آنجا برسیم، عکس بگیریم و بازگردیم، این کار ارزش انجام دادن را دارد.»

تارس در حال حاضر تنها یک طرح مفهومی است، اما برخی شرکت‌های خصوصی پروازهای فضایی به آن ابراز علاقه نشان داده‌اند و در صورت ارائه نمونه اولیه به اندازه یک کیوبست، مایل به استفاده رایگان از آن در پرتاب‌های آینده خود هستند. این ایده می‌تواند گامی بزرگ در جهت تحقق رویای دیرینه بشر برای کاوش در اعماق کیهان باشد.