گروهی از دانشمندان موسسه فناوری کالیفرنیا در تلاش‌اند تا با استفاده از فناوری بادبان‌های نوری، فضاپیماهایی را با سرعتی بی‌سابقه به اعماق کهکشان بفرستند؛ این فضاپیماها نه با سوخت معمولی، بلکه با فشار نور حرکت می‌کند! این فناوری که با نام بادبان نوری شناخته می‌شود، نویدبخش آینده‌ای است که در آن می‌توان فضاپیماهای کوچک را با سرعتی باورنکردنی به سوی ستارگان فرستاد، اما چگونه این ایده به مرحله اجرا خواهد رسید؟
در سال ۲۰۱۶، استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) و یوری میلنر (Yuri Milner)، فیزیکدان و کارآفرین مشهور، پروژه‌ای جاه‌طلبانه به نام ابتکار شکست نور (Breakthrough Starshot) را آغاز کردند؛ هدف این پروژه، توسعه فناوری بادبان‌های نوری بود که بتواند فضاپیماهای کوچک را با استفاده از لیزرهای پرقدرت به سرعت‌های بی‌سابقه رسانده و آن‌ها را به سوی ستاره‌های دیگر ارسال کند. اکنون دانشمندان در پژوهشگاه آمریکایی کلتک (Caltech) در تلاش‌اند تا با بررسی نحوه تاثیر فشار تابشی بر مواد فوق نازک به درک بهتری از پایداری و عملکرد این بادبان‌های نوری دست یابند.
تحولات در کاوش‌های فضایی با فناوری بادبان‌های نوری
فناوری بادبان‌های نوری به عنوان یکی از نوآوری‌های برجسته در زمینه کاوش‌های فضایی مورد توجه قرار گرفته که بر مبنای نیرویی به نام فشار تابشی عمل می‌کند؛ نیرویی که نتیجه برخورد فوتون‌های نور با یک سطح می‌باشد. با بهره‌گیری از این فناوری، فضاپیماهای کوچک قادرند بدون نیاز به سوخت‌های معمول، تنها با استفاده از نور لیزر، با سرعت‌های بسیار بالا در فضا حرکت کنند.
بادبان‌های نوری چگونه عمل می‌کنند؟ فشار تابشی به تاثیر نور بر اجسام اشاره دارد. هنگامی که یک پرتو لیزر قوی به بادبان نازکی برخورد می‌کند، انرژی آن باعث حرکت فضاپیما می‌شود. این سامانه برخلاف روش‌های سنتی که به سوخت‌های شیمیایی وابسته‌اند، بدون مصرف سوخت و تنها با اتکا به نور، فضاپیما را به حرکت درمی‌آورد.
محققان در پژوهشگاه کلتک اخیرا آزمایش‌هایی بر روی غشاهای فوق‌العاده نازک انجام داده‌اند که قابلیت استفاده به عنوان بادبان‌های نوری را دارند؛ این غشاها باید مقاومت لازم در برابر حرارت را داشته، شکل خود را حفظ کرده و در مسیر تابش لیزر به طور پایدار عمل کنند؛ در این آزمایش‌ها، یک بادبان مینیاتوری طراحی شد که در گوشه‌های خود تثبیت شده و تحت تابش لیزر قرار گرفت تا فشار تابشی به‌طور مستقیم اندازه‌گیری گردد.
جهت ساخت این بادبان‌های نوری، دانشمندان از روش‌های نانوفناوری بهره برده‌اند، یکی از این روش‌ها لیتوگرافی پرتو الکترونی (Electron Beam Lithography) است که امکان تولید غشاهایی با ضخامت تنها ۵۰ نانومتر را فراهم می‌کند؛ این غشاها مشابه یک ترامپولین میکروسکوپی عمل کرده و تحت تاثیر فشار تابشی به حرکت درمی‌آیند.
اندازه‌گیری نیروی نور بادقت بی‌سابقه
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های این تحقیق، اندازه‌گیری نیروی ضعیف تابش لیزر بر روی این غشاهای نازک بود. پژوهشگران از یک روش نوین به نام تداخل‌سنجی مسیر مشترک (Common Path Interferometry) استفاده کردند که امکان شناسایی تغییرات حرکتی غشا را با دقتی در حد تریلیونیم متر فراهم می‌کند.
به‌دلیل اینکه یک بادبان نوری در فضا احتمالا همیشه به طور کامل در برابر لیزر قرار نگیرد، دانشمندان این شرایط را در آزمایشگاه بازسازی کردند. آن‌ها پرتو لیزر را از زوایای مختلف به بادبان تاباندند و دریافتند که این عوامل می‌توانند به تغییر مقدار نیروی وارد شده به بادبان منجر شوند. نتایج نشان داد برخی مناطق بادبان امکان دارد نور را در جهات مختلف پراکنده کنند که این مساله بر عملکرد نهایی تاثیر می‌گذارد.
در حال حاضر، پژوهشگران به دنبال راه‌هایی برای کنترل پایدار حرکت بادبان‌های نوری در فضا هستند. یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی، استفاده از نانوساختارهای مهندسی‌شده است که می‌توانند نیروی لازم برای بازگرداندن بادبان به مسیر صحیح را تامین کنند.
تحقیقات اخیر در پژوهشگاه کلتک نشان می‌دهد که فناوری بادبان‌های نوری می‌تواند به عنوان روشی عملی برای ارسال فضاپیماها به اعماق کهکشان مورد استفاده قرار گیرد. با اینکه هنوز چالش‌های زیادی در مسیر توسعه این فناوری وجود دارد، اما این پیشرفت‌ها امیدها را برای تحقق رویای سفرهای میان‌ستاره‌ای زنده نگه داشته است. شاید در آینده‌ای نزدیک، نخستین فضاپیماهای بادبانی به سوی ستارگان حرکت کرده و افق‌های جدیدی را در عرصه اکتشافات کیهانی بگشایند.