تكنولوجيا الأشرعة الشمسية الجديدة ستساعد علماء وكالة ناسا على رصد الشمس

لطالما رغب البشر باستخدام الطاقة الشمسية لتشغيل مختلف أنواع المركبات. وأصبحت وكالة ناسا الآن أقرب لتسخير هذه الطاقة في استكشاف الكون من أي وقت مضى. حيث سيتمكّن العلماء في مشروع الأشرعة الشمسية الانعراجية الذي تقوده المهندسة "آمبر دوبيل" من مختبر الفيزياء التطبيقية في جامعة جونز هوبكنز في مدينة لوريل في ولاية ماريلاند من جعل المركبات الفضائية مثل المسابير والأقمار الاصطناعية تسافر لمسافات طويلة باستخدام ضوء الشمس فقط. إن تكنولوجيا الأشرعة الضوئية التي سيتم استخدامها في هذا المشروع هي الأولى من نوعها.

مليونا دولار لتطوير تكنولوجيا الأشرعة الشمسية

سيتم تنفيذ المشروع في المرحلة الثالثة والأخيرة من برنامج المفاهيم المتقدمة والمبتكرة التابع لوكالة ناسا والذي سيتم ضمنه تطوير أفكار واعدة للاستخدام العلمي والحكومي والتجاري. سيحصل فريق المشروع على تمويل قدره مليوني دولار لعامين إضافيين من التطوير بهدف إثبات فعالية التكنولوجيا الخاصة بالمشروع قبل إجراء مهمة محتملة. ويعتبر هذا المشروع هو الخامس الذي يصل المرحلة الثالثة منذ إطلاقه في عام 2012.

تسخّر الأشرعة الشمسية ضغط ضوء الشمس لدفع نفسها عبر الفضاء تماماً مثل المراكب الشراعية التي تدفعها الرياح، ما يلغي الحاجة لاستخدام الصواريخ والوقود. لكن الأشرعة الضوئية الانعراجية التي ابتكرها فريق دوبيل أكثر تطوراً من التصاميم التقليدية للأشرعة الضوئية العاكسة. تعمل الأشرعة الضوئية العاكسة من خلال تجميع ضوء الشمس وإعادة توجيهه، ما يعني أنه يجب طليها بطبقة من مادة شبيهة بالمعدن وأن تكون مواجهة للشمس دائماً. يحد ذلك من قدرة المركبات التي تعتمد على هذه التكنولوجيا على الحركة نظراً لأنه سيكون هناك مقايضة دائمة بين التقاط طاقة ضوء الشمس والمناورة بسهولة. بالإضافة إلى ذلك، عادة ما تكون الأشرعة الضوئية العاكسة كبيرة ورقيقة وغير مستقرة. وتؤدي المعدات اللازمة لزيادة استقرار وتوجيه الأشرعة في النهاية إلى إبطاء المركبة الفضائية.

لكن الأشرعة الانعراجية مختلفة، إذ أنه عندما ينعرج الضوء عبر فتحات ضيقة بدلاً من انعكاسه عن لوحات واسعة، فهو ينتشر في جهات عدة. يستغل فريق المشروع خاصية انعراج الضوء من خلال استخدام محزّزات موضوعة على سطح الشراع الضوئي تستطيع تشتيت الضوء تجاه نقاط محددة حتى لو كان الشراع مائلاً بزاوية غير مثالية أو لم يكن موجهاً نحو الشمس مباشرةً. يسمح ذلك للمركبة الفضائية بتوجيه نفسها بشكل أكثر رشاقة وكفاءة. تسمح هذه التكنولوجيا بجعل الأشرعة الشمسية أصغر حجماً وأقل استهلاكاً للطاقة، كما تجعل من الممكن تشغيلها بتكلفة أقل. وكل ذلك دون التضحية بقوة الدفع التي تسمح لها بالتحرك في الفضاء.

تصميم جديد يستبدل الأشرعة الضوئية بالانعراجية

تشبّه دوبيل التكنولوجيا الجديدة بأشرعة القوارب البحرية. إذا حاولت توجيه القارب بعكس اتجاه الريح باستخدام أشرعة تعمل كما تعمل الأشرعة الضوئية العاكسة، يجب عليك أن تحرك القارب للأمام والخلف حتى توجّهه بالاتجاه المناسب. ولكن إذا كنت تستخدم شراعاً يعمل كالأشرعة الانعراجية، ستتمكن من استخدام قوة الرياح لدفعك للأمام بينما تحركك هذه القوة بعكس اتجاه الريح بنفس الوقت.

تقول دوبيل: "[هذا التصميم] هو الابتكار الجديد. وهو يعتبر أكثر كفاءة ويحل المشكلات التي كانت تعاني منها الأشرعة الضوئية التقليدية"، وتضيف إن فريقها وجد في دراسة صغيرة أجراها أن الجهود الفنية لاستبدال الأشرعة الضوئية العاكسة بتلك الانعراجية "تستحق العناء" وأن "الفوائد تفوق التكلفة".

سيقوم الفريق تحت إشراف دوبيل بتحسين جودة المواد المعدنية المستخدمة في صناعة هذه الأشرعة وإجراء الاختبارات على الأرض طوال فترة المرحلة الثالثة من المشروع. تقول دوبيل إن الفريق يضع الأسس النظرية بهدف إرسال مجموعة من الأشرعة الضوئية الانعراجية خفيفة الوزن التي تحمل أدوات عملية ستتخذ مداراً حول أقطاب الشمس. على الرغم من أن قمر المركبة المدارية الشمسية الاصطناعي التابع لوكالة ناسا والوكالة الأوروبية للطاقة الشمسية التقط مؤخراً صوراً عالية الدقة للشمس، إلا أنه لم يتم التقاط صور مباشرة لقطبيها من قبل.

تقول دوبيل: "هناك الكثير من الأمور التي نجهلها عن الشمس. ويمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا دوراً كبيراً في مراقبة الطقس الشمسي المعقد"، وتضيف: "عمل [فريقنا] في هذا المشروع لفترة طويلة، ومن المثير أن نرى أنه سيلعب دوراً في مستقبل المهمات الفضائية".