استقرار بادبان خورشیدی دانشمند ایرانی در فضا
مجتبی اخوان، دانشمند ایرانی دانشگاه میشیگان آمریکا، به همراه تیم خود قصد دارد یک بادبان خورشیدی به فضا بفرستد؛ ابزاری نوآورانه که می‌تواند هشدارهای زودهنگامی درباره تهدیدهای ناشی از آب‌وهوای فضا ارائه دهد.
او سرپرستی توسعه یک منظومه ماهواره‌ای نسل جدید به نام «سوئیفت» (SWIFT) را بر عهده دارد؛ پروژه‌ای پیشرفته که با هدف پیش‌بینی دقیق‌تر و زودهنگام رویدادهای بالقوه خطرناک فضایی طراحی شده است.
اخوان و تیمش در تلاش‌اند تا هشدارهای قابل اتکایی درباره وضعیت ناپایدار جو فضا ارائه دهند؛ چرا که این پدیده‌ها می‌توانند تهدیدی جدی برای زیرساخت‌های حیاتی روی زمین باشند. او در پژوهش اخیر خود، به بررسی ماهیت این رویدادها و نحوه پیش‌بینی آن‌ها پرداخته است.
آن‌ها در حال توسعه منظومه ماهواره‌ای جدیدی برای پایش شرایط فضایی به نام «مرز بررسی آب‌وهوای فضا» (Space Weather Investigation Frontier) هستند. این پروژه بخشی از برنامه سوئیفت است و برای نخستین بار، یک ماهواره رصد آب‌وهوای فضا را در فاصله‌ای فراتر از نقطه لاگرانژ ۱، در حدود ۲.۱ میلیون کیلومتری زمین، مستقر خواهد کرد.
این موقعیت جدید به محققان اجازه می‌دهد تا حدود ۶۰ دقیقه پیش از رسیدن بادهای خورشیدی، هشدارهای دقیق‌تری صادر کنند؛ فرصتی طلایی برای تصمیم‌گیرندگان جهت آمادگی بهتر.
ماهواره‌های معمول که از سامانه‌های پیشرانش شیمیایی یا الکتریکی استفاده می‌کنند، برای حفظ موقعیت خود در نزدیکی خورشید به مصرف مداوم سوخت نیاز دارند که نگهداری آن‌ها را در چنین فاصله‌ای بسیار پرهزینه و پیچیده می‌سازد.
برای رفع این مشکل، تیم اخوان طی دهه‌ها روی طراحی سامانه‌ای کار کرده که بدون وابستگی به سوخت، بتواند به طور مداوم در این فواصل فعالیت کند. راهکار آن‌ها استفاده از «بادبان خورشیدی» است، فناوری‌ای که با استفاده از فشار فوتون‌های خورشیدی، فضاپیما را در مدار نگاه می‌دارد.
بادبان خورشیدی؛ حرکت با نور
بادبان خورشیدی، سطحی نازک و بسیار بازتابنده شبیه آینه است که حدود یک‌سوم زمین فوتبال را پوشش می‌دهد. این بادبان، نیروهای وارده از جانب نور خورشید را با کشش گرانشی خورشید متعادل کرده و باعث می‌شود فضاپیما بدون نیاز به سوخت، در مدار باقی بماند.
همان‌طور که قایق‌های بادبانی از نیروی باد برای حرکت استفاده می‌کنند، بادبان خورشیدی نیز از تکانه فوتون‌های بازتاب‌شده برای حرکت در خلا فضا بهره می‌برد. این فناوری به سوئیفت امکان می‌دهد در مدارهای دورتر از لاگرانژ ۱ و بدون نگرانی از اتمام سوخت، به‌طور پایدار فعالیت کند.
در حالی که وابستگی جامعه به فناوری‌هایی نظیر شبکه‌های برق، سامانه‌های هوانوردی و مخابرات روزبه‌روز بیشتر می‌شود، این زیرساخت‌ها با یک خطر مشترک مواجه‌اند: آب‌وهوای فضا که به هرگونه تغییر در محیط فضایی میان خورشید و زمین اطلاق می‌شود.
یکی از پدیده‌های رایج در این زمینه، خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) است: فوران‌هایی عظیم از ذرات و میدان‌های مغناطیسی که از سطح خورشید سرچشمه می‌گیرند. این فوران‌ها می‌توانند با سرعت‌هایی تا ۲ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت کرده و موجب طوفان‌های ژئومغناطیسی شوند.
هرچند این رویدادها می‌توانند جلوه‌هایی دیدنی مانند شفق‌های قطبی — از جمله نورهای شمالی — را در آسمان پدید آورند، اما در عین حال می‌توانند عملکرد ماهواره‌ها را مختل کرده، شبکه‌های برق را از کار بیندازند و سلامت فضانوردان در ماموریت‌های آینده به ماه و مریخ را با خطر جدی تابش‌های شدید تهدید کنند.
چرا آب‌وهوای فضا اهمیت دارد؟
در دهه‌های اخیر، فعالیت‌های فضایی از انحصار دولت‌ها خارج شده و منافع تجاری پررنگ‌تری یافته‌اند؛ از گردشگری فضایی گرفته تا شبکه‌های ماهواره‌ای و استخراج منابع از ماه و سیارک‌ها. همچنین، فضا به یکی از حوزه‌های کلیدی برای عملیات نظامی تبدیل شده است؛ جایی که ماهواره‌ها نقش اساسی در ارتباطات، ناوبری، پایش و اطلاعات ایفا می‌کنند.
با رشد وابستگی کشورهایی مانند آمریکا به این زیرساخت‌ها، رویدادهای آب‌وهوایی فضا به تهدیدی فزاینده تبدیل شده‌اند. تخمین‌ها نشان می‌دهند که آسیب‌های احتمالی این رویدادها، تا ۲.۷ تریلیون دلار از دارایی‌های جهانی را در معرض خطر قرار می‌دهند.
برای نمونه، در سپتامبر۱۸۵۹، رویداد معروف «کارینگتون» باعث بروز اختلال گسترده در خطوط تلگراف و آتش‌سوزی‌هایی در آمریکای شمالی و اروپا شد. در اوت۱۹۷۲، رویدادی مشابه، نزدیک بود به فضانوردانی که در مدار ماه بودند آسیب جدی وارد کند؛ دوز تشعشعی آن می‌توانست مرگبار باشد. در موردی جدیدتر، در فوریه ۲۰۲۲، شرکت اسپیس‌ایکس ۳۹ ماهواره از ۴۹ ماهواره تازه‌پرتاب‌شده استارلینک را به‌دلیل یک رویداد متوسط آب‌وهوایی فضا از دست داد.
رویدادهای آب‌وهوای فضا چگونه رصد می‌شوند؟
پیش‌بینی وضعیت جو فضا به شدت وابسته به داده‌هایی است که ماهواره‌ها از باد خورشیدی ثبت می‌کنند. این داده‌ها با الگوهای ثبت‌شده قبلی مقایسه می‌شوند تا احتمال وقوع طوفان‌های خورشیدی ارزیابی شود و واکنش احتمالی زمین مورد تحلیل قرار گیرد.
میدان مغناطیسی زمین معمولا از ما و ماهواره‌ها در برابر بیشتر آسیب‌های ناشی از آب‌وهوای فضا محافظت می‌کند. اما در شرایط شدید، این سپر مغناطیسی ممکن است تضعیف یا حتی به‌طور موقت از بین برود. در چنین حالتی، ذرات پرانرژی خورشیدی می‌توانند وارد «مگنتوسفر» شوند و شرایط خطرناکی را برای ماهواره‌ها و فضانوردان در ایستگاه‌های فضایی به‌وجود آورند.
ماهواره‌هایی که به‌طور پیوسته وضعیت جو فضا را بررسی می‌کنند، در مدارهایی نسبتا نزدیک به زمین قرار دارند؛ از مدار پایین زمین (حدود ۱۶۰ کیلومتر) گرفته تا مدار زمین‌همگام (نزدیک به ۴۰ هزار کیلومتر). این موقعیت‌ها امکان بررسی واکنش زمین به تغییرات فضایی را فراهم می‌کنند.
برای رصد مستقیم‌تر بادهای خورشیدی، ماهواره‌هایی در فاصله‌های بسیار دورتری مستقر شده‌اند. آمریکا، آژانس فضایی اروپا و هند، ماهواره‌های مخصوص پایش وضعیت خورشید را در نقطه لاگرانژ ۱ (L1) مستقر کرده‌اند؛ جایی در حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری زمین، که نیروهای گرانشی خورشید و زمین در تعادل‌اند. از این مکان، رصدگران می‌توانند تا ۴۰ دقیقه پیش از رسیدن فوران‌های خورشیدی به زمین هشدار صادر کنند.
پیش‌بینی زودهنگام طوفان‌های فضایی: گامی حیاتی برای ایمنی فناوری‌ها
افزایش زمان هشدار نسبت به سطح فعلی یعنی ۴۰ دقیقه، می‌تواند به بازیگران کلیدی همچون اپراتورهای ماهواره، مدیران شبکه برق، برنامه‌ریزان پرواز، فضانوردان و نیروهای نظامی فضایی فرصت بیشتری برای واکنش موثر به رویدادهای شدید فضایی بدهد.
برای نمونه، در جریان طوفان‌های ژئومغناطیسی، جو زمین دچار انبساط می‌شود و در نتیجه، نیروی اصطکاک بر ماهواره‌های موجود در مدار پایین افزایش می‌یابد. اگر هشدار زودتری در اختیار باشد، اپراتورها می‌توانند محاسبات اصطکاک را به‌روزرسانی کرده و از سیستم‌های پیشرانش ماهواره برای مانور به مدارهای بالاتر استفاده کنند تا از سقوط و سوختن آن‌ها جلوگیری شود.
خطوط هوایی نیز می‌توانند مسیر پرواز را طوری تنظیم کنند که مسافران و خدمه از پرتوهای مضر در امان بمانند. همچنین فضانوردانی که در مسیر ماموریت‌های ماه و مریخ یا روی سطح آن‌ها فعالیت می‌کنند و فاقد سپر محافظتی زمین هستند در صورت اطلاع قبلی، می‌توانند در پناهگاه‌هایی امن مستقر شوند.
حتی علاقه‌مندان به شفق‌های قطبی نیز از این هشدارهای زودهنگام سود خواهند برد، چرا که می‌توانند زودتر خود را به محل مناسب مشاهده این پدیده شگفت‌انگیز برسانند.
پیشینه و گام‌های آینده بادبان خورشیدی
نخستین آزمایش موفق بادبان خورشیدی توسط ناسا در سال ۲۰۱۰ با فضاپیمای «نانوسیل-D2» انجام شد. همزمان، آژانس فضایی ژاپن نیز با بادبان «IKAROS» موفق به استقرار در مدار سیاره زهره شد. پس از آن، پروژه‌هایی چون «لایت‌سیل» و بادبان خورشیدی کامپوزیت پیشرفته به این فناوری جان تازه‌ای بخشیدند.
اکنون تیم سوئیفت، ماموریت آزمایشی «سولار کروزر» (Solar Cruiser) را در دست دارد که به یک بادبان عظیم با مساحت ۱۶۵۳ متر مربع مجهز خواهد بود و پرتاب آن برای اوایل سال ۲۰۲۹ برنامه‌ریزی شده است. این تیم در سال گذشته موفق شده است یک‌چهارم این بادبان را با موفقیت روی زمین باز کند.
در مرحله پرتاب، بادبان با دقت بسیار تا شده و در یک محفظه کوچک و مقاوم قرار خواهد گرفت. بزرگ‌ترین چالش پیش رو، گسترش ایمن بادبان در فضا و هدایت ماهواره در مسیر مداری هدف است.
در صورت موفقیت سولار کروزر، راه برای استقرار منظومه نهایی سوئیفت هموار خواهد شد؛ مجموعه‌ای متشکل از چهار ماهواره، شامل یک ماهواره با بادبان خورشیدی که در فاصله‌ای فراتر از لاگرانژ ۱ قرار خواهد گرفت و سه ماهواره کوچک‌تر که با پیشرانش شیمیایی در خود نقطه لاگرانژ ۱ مستقر می‌شوند.
این ماهواره‌ها بدون توقف به پایش بادهای خورشیدی خواهند پرداخت و با ثبت داده‌ها از زوایای مختلف، به دانشمندان در درک بهتر مسیر و شدت طوفان‌های فضایی کمک خواهند کرد.
با رشد روزافزون وابستگی زندگی مدرن به فناوری‌های فضایی، سرمایه‌گذاری مستمر در پیش‌بینی دقیق آب‌وهوای فضا ضرورتی اجتناب‌ناپذیر است. چنین سرمایه‌گذاری‌هایی نه‌تنها از زیرساخت‌های فضایی محافظت می‌کنند، بلکه امنیت زیرساخت‌های زمینی همچون ارتباطات، حمل‌ونقل و انرژی را نیز تضمین خواهند کرد.
