سبع مركبات فضائية مستقبلية للسفر بين النجوم و استكشاف الكون

اكتشف عُلماء الفلك مؤخرًا دليلًا قويًا على وجود كوكب غريب يشبه الأرض حول النجم الأقرب إلى نظامنا الشمسي: «القنطور الأقرب – «Proxima Centauri، ما يجعله أقرب كوكب مكتشف حتى الآن خارج مجموعتنا الشمسية. ورغم اعتباره جارُنا الكوني، إلا أنه يبعد 4.2 سنة ضوئية (أو 25 تريليون ميل) عن الأرض. إذن كيف سنتمكن من زيارة هذا الكوكب المُكتشف حديثًا عند هذه المسافة البعيدة؟

حتى بالنسبة لأقرب النجوم لكوكبنا، سيستغرق الوصول إليها عشرات الآلاف من السنين في حال استخدمنا المركبات الفضائية التقليدية، مثل المسبارات الروبوتية التي تُستخدم حاليًا في استكشاف النظام الشمسي. تتحرك مركبات الفضاء هذه باستخدام مجموعة من صواريخ كيميائية ومحركات أيونية ذات دفعٍ مُنخفض ومسارات تدفعها الجاذبية (ما يُعرف بـ «مناورات المقلاع – slingshot maneuvers»)؛ إذ تُستخدم الجاذبية حول الشمس أو الكواكب الكبيرة في منح المركبة دفعة كبيرة من السرعة.

لكن لو أردنا السفر خارج نظامنا الشمسي، فإننا سنحتاجُ إلى شيءٍ أسرع من ذلك؛ ربما شيءٌ كـ «مشروع ديدالوس – «Project Daedalus للصواريخ العاملة بالاندماج النووي على مقياس صاروخ وكالة ناسا «زحل الخامس – «Saturn V. إليك في هذه المقالة سبعة طُرق ستُمكن الروبوتات أو حتى المُستكشفين البشر من الوصول إلى جارنا النجمي قنطور الأقرب أو أيُّ نجمٍ كوني قريب.

مشروع ديدالوس Project Daedalus

وهو نموذج تصميم لمسبارٍ بين نجمي، طور في السبعينيات بواسطة مجموعة من الأخصائيين التقنيين لـ«جمعية الكواكب البريطانية – «British Interplanetary Society. كانت وجهتهُ الرئيسية هي «نجم السهم – «Barnard’s Star، وهو قزم أحمر يبعد عنا حوالي 6 سنين ضوئية، ويشبه في نواحٍ عديدة نجم قنطور الأقرب، وهو ثاني أقرب نجم إلينا بعده.
إعتقد بعض عُلماء الفلك في الوقت الذي صُمِّم فيه المشروع أنه من المُحتمل تواجُد كوكب عملاق غازي يدور حول نجم السهم، ولكن منذ ذلك الحين لم يتم العثور على أيِّ كوكب في نظام السهم النجمي.

كانت حصيلة المشروع الذي استمر 5 سنوات هو تصميم مركبة ديدالوس الفضائية، والمبنية على مرحلتين: صاروخ نووي يزن 54،000 طن سيدفع مسبار روبوتي يزن 400 طن بسرعةٍ تصل إلى 12% من سرعة الضوء، مما سيمنح المسبار إمكانية قطع مسافة 6 سنوات ضوئية خلال 50 سنة.

سيعمل صاروخ مركبة ديدالوس الفضائية بالاندماج النووي، وذلك باستخدام حُزم إشعاع الكترونية لتفجير سيل من كُريات الوقود مثل الهيليوم 3؛ الذي يُمكن استخراجه من سطح القمر. تستهلك المُحركات رغم ذلك عشرات الآلاف من أطنان الوقود لتصل بالمركبة الفضائية إلى سرعتها القصوى في غضون 4 سنوات، وبسبب عدم وجود وقود كافٍ لإبطاء الحركة، ستحلق المركبة لمدة 70 ساعة فقط فوق الهدف بعد انتهاء رحلة الـ 50 سنة، قبل أن تكمل رحلتها نحو الفضاء بين النجمي.

يقول عالمُ الفضاء إيان كراوفورد «Ian Crawford»، الأُستاذ في علوم الكواكب وبيولوجيا الفضاء في كلية بيركبيك في المملكة المتحدة: «ستكون مركبة ديدالوس أكبر من أن ترتفع عن سطح الأرض، لذا يجب بناؤها في المدار، مما يعني أنه من غير الممكن بناؤها دون وجود إمكانية للبناء في الفضاء، والتي لا توجد اليوم».

يرى كراوفورد أن العلم الذي صُممت مركبة ديدالوس على أساسه قد تطور عما كان عليه في السبعينيات، ولكن بسبب التكلفة والتحديات التقنية الهائلة، سيتطلب الأمرُ 100 سنة قبل أن ينطلق مشروع ديدالوس صوب النجوم.

مشروع إيكاروس Project Icarus

اُستلهم مشروع إيكاروس من نموذج تصميم مشروع ديدالوس الذي أسلفنا ذكره، وهو مشروع مُشترك لا يزال مُستمرًا بين جمعية الكواكب البريطانية و«مُنظمة إيكاروس بين النجمية – the Icarus Interstellar organization»؛ وهي شبكة دولية من العُلماء والمُهندسين المُتحمسين الذين يأملون في تطوير إمكانيات السفر الفضائي بين النجمي بحلول عام 2100..

صُمِّم مشروع إيكاروس للوصول إلى أيِّ نجمٍ يقع في نطاق 22 سنة ضوئية عن الأرض والذي يُحتمل أن يحتوي كواكب صالحة للسكن، مما يعني أنه لو تم التأكد من وجود كوكب حول القنطور الأقرب، فسيكون هو المحطة المستهدفة.

يقول كراوفورد: «يهدف مشروع إيكاروس لتحديث تصميم مشروع ديدالوس بتقنياتٍ وأفكارٍ جديدة. ومن بين التحسينات المقترحة محركات الصواريخ ذات الإندماج النووي التي تستخدم نوع مُختلف من الوقود النووي، والتي ستُفجَّر باستخدام أشعة ليزر بدل الحزم الإلكترونية؛ وهي تقنية يُمكن التوصل إليها عبر التطورات الحديثة في مجال الإشعال الليزري في مُنشأة الإشعال الوطني في مختبر لورانس ليفرمور في كاليفورنيا.»

يمكن لمسبار إيكاروس أن يكون أخف من 400 طن (المتوقعة لمشروع ديدالوس)، بفضل التقدُّم في التصغير الكهربائي والروبوتات، وتكنولوجيا النانو المُستقبلية؛ ما يجعل المركبة الفضائية بحاجةٍ لحمل وقود أقل لتصل إلى سرعتها القصوى.

شراع الضوء Light sail

يقول كراوفورد: إن أفضل رهان نمتلكه للسفر بين النجوم قد يكون عدم استخدام صواريخ على الإطلاق، بل أشرعة خفيفة، والتي تستخدم الضغط المتولد من الضوء لدفع الحمولة. وقد أخذت هذه التقنية بعين الاعتبار فعليًا في المسابر الفضائية المتجهة للفضاء بين النجمي. إذ في عام 2010، نجحت مركبة الفضاء اليابانية التجريبية «ايكاروس – «IKAROS في المناورة باستخدامها لشراع ضوئي يبلغ عرضه 60 قدمًا في رحلة استمرت 6 اشهر نحو كوكب الزهرة.

ولكن رغم كون الأشرعة الضوئية المدفوعة بواسطة ضوء الشمس طريقة فعالة لاستكشاف النظام الشمسي، إلا أنها ليست سريعة بما فيه الكفاية لقطع مسافات بين نجمية في وقتٍ معقول من الزمن.

يقول كراوفورد أن الحل قد يكمن في استخدام أشعة ليزر قوية لدفع الشراع لسرعات عالية جدًا مع رشقات من الضوء في بداية الرحلة، حتى تصل المركبة الفضائية لمسافات أبعد من مدى أشعة الليزر.

لن تحتاج مركبة الفضاء الشراعية لاستخدام الوقود بما أنها ستستخدم الليزر الذي سيُبنى على الأرض أو في مدار، مما سيجعل كتلة المركبة صغيرة إلى حدٍ ما.

المركبة الفضائية الشراعية المدفوعة بواسطة الليزر هي ثمرة مشروع «ستارشوت – «Starshot الذي أعلن عنه هذه السنة المستثمر يوري ميلنر Yuri Milner والفيزيائي ستيفن هوكينغ. يهدف المشروع لبناء نموذج عملي بحلول عام 2036 سينطلق في مهمة نهائية تُكلف حوالي 10 مليارات دولار.

يتضمن هذا المشروع مركبة مكونة من سرب من 1000 «رقاقة فضائية – «StarChip بحجم الطابع ، تزن كل منها غرامات قليلة وموصلة بشراع ضوئي يبلغ عرضه حوالي 13 قدمًا، والتي ستُنشر بواسطة «السفينة الأم – «mothership في مدار قبل أن تُسرَّع بواسطة أشعة ليزر مقرها الأرض، حتى تصل لحوالي 15-20% من سرعة الضوء.

سيمنح هذا السفينة الفضائية امكانية قطع مسافة 4 سنين ضوئية نحو نجم قنطور الأقرب، وهو نظام نجمي مكون من ثلاثة نجوم يحتوي على نجم القنطور الأقرب، في غضون 20-30 سنة.

يقول فيليب لوبين Philip Lubin، أُستاذ علم الفلك في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا: «التحدي الأكبر المتبقي هو صنع ليزر قوي بما فيه الكفاية ليدفع مركبة الشراع الضوئي.»

مُحرك بوسارد النفَّاث Bussard ramjet

أقترح مفهوم مُحرك بوسارد النفاث عالم الفيزياء بوسارد Bussard في عام 1960، والذي يجمع بين الدفع الكبير لصواريخ الاندماج النووي مع الوقود القليل للشراع الخفيف.
فبدل حمل الوقود الخاص بها، ستلتقط مركبة بوسارد كميات خفيفة جدًا من الغاز والغبار الموجود في الفضاء بين النجمي، المعروف بـ«الوسط بين النجمي – «Interstellar Medium، وذلك باستخدام مجال كهرومغناطيسي على شكل قمع واسع يمتد لآلاف الأميال في مقدمة السفينة الفضائية.

سينضغط بعدها الهيدروجين في الوسط بين النجمي ويُستخدم كوقود لصواريخ الاندماج النووي القابعة في الجُزء الخلفي من المركبة الفضائية التي تدفعها إلى الامام.
نظريًا، يُمكن لسفينة الفضاء المدفوعة بواسطة مُحرك بوسارد النفاث الاستمرار بالتسارُع طالما هناك ما يكفي من الغاز بين النجمي في مسار المركبة لتزويدها بما يكفي من قوة الدفع، ويمكن أن تصل إلى نسبة كبيرة من سرعة الضوء.

للأسف، الوسط بين النجمي حول نظامنا الشمسي والنجوم القريبة ضعيفٌ لدرجة استثنائية، واستنتج العُلماء أنه لا يوجد هناك ما يكفي من الهيدروجين لتغذية محرك مركبة بوسارد النفاث.

يقول كراوفورد: «المنطقة ليست الأفضل ملائمة في المجرة.»
إلا أنه أوضح أن العديد من الأفكار قد اقترحت للوصول إلى المستوى المطلوب، ومن ضمنها استخدام نموذج يُعرف بـ «صاروخ الدفع المُعزز الممتاز – «Ram Augmented Stellar Rocket، الذي يستخدم المادة المتجمعة ككتلة للتفاعل لدفع المركبة الفضائية إلى الأمام، باستخدام الطاقة التي تبعث إليها بواسطة الليزر. و«المدرج بين النجمي – Interstellar «Runway، الذي يستخدم مخزون من الوقود، يوضع مسبقًا في طريق مركبة بوسارد الفضائية المتسارعة.

صاروخ المادة المضادة ومحرك الثقب الأسود Antimatter rocket & black hole drive

اضافة للأشرعة الضوئية والليزر العملاق وصواريخ الاندماج النووي، اقترح عدد من الأفكار الأكثر غرابة لرحلات الفضاء بين النجمي، مثل الصواريخ العاملة برد الفعل العنيف (والفعال إلى أعلى درجة) الناشئ عن تفاعل تدمير المادة والمادة المضادة.

يقول كراوفورد: «ستكون المادة المضادة وقودًا مثاليًا للصواريخ، لأن كثافة طاقتها كبيرةٌ جدًا. ولكن بالتأكيد لن تتواجد هذه في الطبيعة، لذا يتوجب علينا صنعها، وهو أمرٌ صعب ومكلف، وخطرٌ جدًا حالما نتمكن من صنعها. لذا لا أحد يدري إذا ما ستصبح يومًا ما وقودًا للصواريخ.»

قُدم اقتراح آخر لاستخدام الفيزياء المتطرفة في دفع المركبة الفضائية، وهو مُحرك «Schwarzschild Kugelblitz»، الذي سيستخدم ثقب اسود صناعي مجهري يستمر بالعمل في مُحركاته لتجهيز الطاقة.

وهُناك فكرة أُخرى لسفينة مجهزة بما يُدعى «مُحرك أس كي – SK «Drive، الذي سيحبس اشعاع هوكينغ من الاضمحلال السريع والعنيف لثقب أسود صغير، ويحوله إلى طاقة يمكن أن تستخدم في دفع المركبة الفضائية.

ستصمد كل الثقوب السوداء الاصطناعية لعددٍ قليل من السنوات، لذا يتوجب خلق المزيد من الثقوب السوداء حسب الطلب، ربما عبر ضغط كريات من المادة مع استخدام ليزر أشعة غاما.

وفقًا لورقة بحثية نشرت في عام 2009، يُمكن لمركبة الفضاء الحاوية على محرك أس كي يعمل بواسطة ثقب أسود ميكروسكوبي وتقارب كتلتها كتلة صهريج نقل عملاق أن تتسارع إلى ما يُقارب 20% من سرعة الضوء خلال 20 يومًا. سيدوم الثقب الأسود لحوالي 3.5 سنة قبل أن يضمحل بالكامل، ويمكن أن يبعث أكثر من 160 بيتا واط أو 160 كوادريليون (مليون مليار) واط من الطاقة خلال فترة عمره.

السُفن البشرية البطيئة Human “Slow Boats”

حتى مع استخدامنا للصواريخ شديدة السرعة التي تُسافر بسرعة تصل إلى 10% أو أكثر من سرعة الضوء، سيستغرق الأمر عدة أعمار للإنسان ليصل إلى النجوم القريبة. رغم كون كراوفورد من دعاة الاستكشاف البشري للنظام الشمسي، قال أن المسافات بين النجمية شاسعة جدًا، ما يجعل رحلة الإنسان لهذه النجوم غير قابلة للتصور خلال عدة مئات من السنوات القادمة.

يقول: «أعتقد أن بمقدور البشر استكشاف الكواكب بفعالية أكبر من الروبوتات، وأعتقد أيضًا بوجود أسباب ثقافية لإرسال البشر إلى الفضاء، لتوسيع مدى تجاربنا وإثراء الثقافة الإنسانية. صحيحٌ أن كُل لك يجب أن يُطبق على المقياس بين النجمي، إلا أن المسافات كبيرة جدًا والصعوبات التقنية عظيمة لدرجة أن الدعوة لمثل هكذا رحلات في هذه المرحلة غير قابل للتصور تقريبًا.»

توجد رغم ذلك عدة أفكار لما يعرف بمفهوم «السفينة البطيئة – Slow «Boat التي قد تُحقق حلم البشرية في الوصول للنجوم يومًا ما وهي:

«سُفن النوم – «Sleeper Ships:

التي يُحفظ فيها أفراد الطاقم البشر في حالة «نومٍ عميق – «deep sleep أو «حالة إغماء -suspended «animation طوال فترة الرحلة التي تستمر لمدة طويلة جدًا. طُرحت هذه الفكرة في عدد من أفلام الخيال العلمي، بضمنها: أوديسا الفضاء، الفضائي، وأفاتار.

«سفن العالم – World Ships»:

والمعروفة ايضًا بسُفن الأجيال أو السُفن بين النجمية، والتي ستكون موطنًا فضائيًا مُكتفٍ ذاتيًا يحملُ أعدادًا كبيرة من البشر وكائنات أُخرى في رحلةٍ بطيئةٍ نسبيًا تنطلق من الأرض لاستعمار الكواكب الخارجية. قد تستغرق الرحلة العديد من القرون لتصل إلى الوجهة، بحيث ستولد أجيال كاملة وتموت خلالها، ولن يصل إلى الوجهة المُحددة إلا نسل اولئك الذين كانوا على متنها.

«سفن الأجنة – «Embryo Ships:

ترسل خلالها أجنة بشرية مُجمدة، بدل أناسٍ نائمين أو أحياء، إلى كوكبٍ بعيدٍ مُستوطن، حيث سيولدون أثناء الرحلة ويتعلمون خلالها بواسطة طاقم من روبوتاتٍ تتكفل بحمايتهم.

أسرع من الضوء؟

حيثما ينظر علماء الفلك صوب الكون، تحدُّهم النظرية النسبية. إذ أظهر اينشتاين أنه من غير الممكن تعجيل الكتلة إلى سرعة الضوء في الفضاء، أو تجاوزها.

ولكن قد تتضمن مُعادلات اينشتاين بعض الخدع التي يُمكن أن تسمح للعلم يومًا ما بالتفوق على القوانين الحالية للفيزياء وتحقيقُ سفرٍ بسُرعةٍ أعلى من سُرعة الضوء.

أفضل مفهوم علمي معروف للسفر بسُرع أعلى من سُرعة الضوء «FTL travel» هو «محرك ألكوبيري – «Alcubierre drive، المُقترح بواسطة عالم الفيزياء النظرية ميغيل ألكوبيري Miguel Alcubierre في عام 1994.

يعمل المُحرك المُقترح باستخدام القوى الثقالية الشديدة، المتولدة بواسطة حلقتين دوّارتين من «المادة الغريبة الكثيفة – «dense exotic matter، التي تعمل على تقليص أبعاد الفضاء الفيزيائية في مقدمة السفينة الفضائية وتوسيع الفضاء خلفها، بمعدل يبدو من المُمكن أن يتجاوز سُرعة الضوء.

في اقتراح ألكوبيري، والذي يتطلب نوعًا من المادة الغريبة للحلقات، والتي لا يُعرف إن كانت موجودة، فإن سفينة الفضاء داخل «فُقاعة الالتواء – «warp bubble التي أحدثها المُحرك، لن تسافر بسُرعة أعلى من سرعة الضوء داخل فضائها المحلي، ولذا فلن تخرُق قوانين النسبية.

تشمل الأفكار الأخرى للسرعة الأعلى من سُرعة الضوء، السفر داخل ثقوب دودية عابرة للأبعاد؛ وهي مُمكنة نظريًا، لكن لم يُعرف إن كانت موجودة أم لا. أي السفر بين المناطق المُتشابكة والبعيدة من الفضاء، أو الوصول بشجاعة إلى حافة ثقب أسود كبير ودوّار، كما في فيلم بين النجوم Interstellar.

إلا أن كراوفورد يُشير إلى أن مفهوم السفر بسُرع أعلى من سُرعة الضوء مليء بالمجاهيل والتناقضات الظاهرة، مثل إنتهاك مبدأ السببية، التي تُسبب فيها الأحداث أحداثًا أخرى تحدُث مُبكرًا، وليس العكس. لذا قد يستحيل إثباتُ المُقترح، حتى وإن كان ممكنًا تقنيًا.
يقول كراوفود: «لا أريد أن أبدو متشائمًا أكثر من اللازم، لأن بإمكاني رؤية منافع جمة من القدرة على السفر صوب النجوم، ولكن قوانين الفيزياء هي قوانين الفيزياء، وسيكون من الصعب جدًا تحقيق ذلك.»

إعداد: أحمد السراي
تدقيق: إبراهيم صيام
المصدر