پروژه استارلایت؛ گام ناسا به‌سوی سفرهای میان‌ستاره‌ای

پروژه استارلایت، یکی از جاه‌طلبانه‌ترین برنامه‌های ناسا برای کاوش فضایی، به توسعه ناوگانی از کاوشگرهای کوچک با پیشرانش لیزری اختصاص دارد که هدف آن‌ها رسیدن به ستاره‌های نزدیک مانند آلفا قنطورس در مدت زمان ۲۰ سال است. این پروژه، که از سال ۲۰۱۵ توسط دانشگاه کالیفرنیای سانت باربارا (UCSB) با حمایت ناسا پیش رفته، از انرژی لیزر برای شتاب‌دهی کاوشگرهای ۱ گرمی به سرعت ۲۰ درصد سرعت نور استفاده می‌کند و به عنوان گام نخست برای مأموریت‌های بین‌ستاره‌ای عمل می‌کند. استارلایت، که با نام DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) نیز شناخته می‌شود، شامل تست‌های زمینی لیزرهای ۱۰۰ گیگاواتی و طراحی کاوشگرهای مقاوم به تابش است و بودجه فاز اول آن ۵ میلیون دلار از ناسا بوده است.

اکنون پروژه در فاز مفهومی است و با همکاری مؤسسه SETI و بنیاد بریک‌تارشت، تست‌های لیزر در کالیفرنیا را تکمیل کرده است. استارلایت نه تنها فناوری پیشرانش را بهبود می‌بخشد، بلکه با ارسال کاوشگرهای کوچک، امکان رصد سیارات فرازخورشیدی را فراهم می‌آورد. استارلایت که بخشی از برنامه NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) است، نمادی از تعهد ناسا به کاوش‌های دوربرد است و با چالش‌های فنی مانند جهت‌دهی دقیق لیزر، آینده فضانوردی را شکل می‌دهد.

پروژه استارلایت چیست؟

پروژه استارلایت، برنامه‌ای تحقیقاتی ناسا برای توسعه کاوشگرهای بین‌ستاره‌ای کوچک با پیشرانش لیزری است که هدف آن ارسال ناوگانی از کاوشگرهای ۱ گرمی به ستاره آلفا قنطورس (۴.۳۷ سال نوری دورتر) در ۲۰ سال است. این پروژه، که از ۲۰۱۵ توسط دانشگاه کالیفرنیای سانت باربارا با بودجه NIAC فاز I (۵ میلیون دلار) پیش رفته، از لیزرهای ۱۰۰ گیگاواتی برای شتاب‌دهی کاوشگرها به سرعت ۰.۲ سرعت نور (۶۰ هزار کیلومتر بر ثانیه) استفاده می‌کند و کاوشگرها را با بادبان‌های نوری (light sails) از جنس گرافن نازک (۱ میکرومتر) به پرواز درمی‌آورد. استارلایت، که به عنوان DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) عمل می‌کند، شامل تست‌های زمینی لیزر و طراحی کاوشگرهای مقاوم به تابش است و فاز II آن در ۲۰۱۶ با ۱۰ میلیون دلار تکمیل شد.

اکنون پروژه در فاز مفهومی است و با همکاری SETI Institute، تست‌های لیزر در کالیفرنیا را با دقت ۰.۱ ثانیه قوسی انجام داده است. استارلایت، که کاوشگرها را برای رصد سیارات فرازخورشیدی مجهز به دوربین‌های نانو و سنسورهای مغناطیسی می‌کند، چالش‌هایی مانند کنترل گرمای لیزر (تا ۱۰ کیلووات بر سانتی‌متر مربع) را حل کرده و به عنوان گام نخست برای مأموریت‌های بین‌ستاره‌ای، آینده کاوش فضایی را ترسیم می‌کند.

فناوری‌ها و اجزای کلیدی پروژه استارلایت

• فناوری پیشران لیزری برای شتاب‌دهی به میکرو فضاپیماها
• کاوشگرهای سبک‌وزن با جرم چند گرم ساخته‌شده از مواد مقاوم به تابش
• سیستم‌های آزمایشی زیستی برای بررسی بقای ارگانیسم‌ها در سفرهای فضایی طولانی
• منابع لیزر زمینی و مداری با توان بالا برای تأمین انرژی پیشران
• سیستم‌های ارتباطی نوری جهت انتقال داده‌ها از فواصل میان‌ستاره‌ای

معرفی اهداف اصلی طرح ناسا

• توسعه فناوری برای ارسال فضاپیماهای فوق‌سبک با سرعتی نزدیک به نور
• بررسی امکان ارسال نمونه‌های میکروبی برای آزمایش حیات در فضاهای میان‌ستاره‌ای
• استفاده از پرتوهای لیزری متمرکز برای شتاب دادن به کاوشگرهای کوچک تا درصدی از سرعت نور
• گامی مقدماتی برای پروژه‌های میان‌ستاره‌ای آینده مانند Breakthrough Starshot

اهداف اصلی طرح ناسا در پروژه استارلایت، توسعه فناوری پیشرانش لیزری برای کاوش ستاره‌های نزدیک است که با ارسال کاوشگرهای کوچک به آلفا قنطورس در ۲۰ سال، اولین تصاویر از سیارات فرازخورشیدی را ثبت کند. این طرح، که در برنامه NIAC قرار دارد، بر شتاب‌دهی کاوشگرهای ۱ گرمی به سرعت ۰.۲ سرعت نور با لیزرهای ۱۰۰ گیگاواتی تمرکز دارد و با هدف اثبات مفهوم DEEP-IN، مهندسی بادبان‌های نوری را بهبود می‌بخشد. هدف دیگر، رصد جو و سطح سیارات با دوربین‌های نانو و سنسورهای مغناطیسی است که نشانه‌های حیات را جستجو می‌کنند.

ناسا، با بودجه ۱۵ میلیون دلار تا ۲۰۲۵، اهداف را در فازهای I و II (۲۰۱۵-۲۰۱۷) به تست‌های لیزر و فاز III (۲۰۲۵-۲۰۳۰) به پرتاب آزمایشی رسانده است. اهداف از مهندسی لیزر تا داده‌های بین‌ستاره‌ای، کاوش فضایی را از خورشیدی به بین‌ستاره‌ای می‌برند و در همکاری با SETI، جستجوی حیات را تقویت می‌کنند.

همکاری ناسا و مؤسسات تحقیقاتی در اجرای پروژه

همکاری ناسا با دانشگاه کالیفرنیای سانت باربارا (UCSB) و مؤسسه SETI در استارلایت از ۲۰۱۵ با بودجه NIAC فاز I آغاز شد. UCSB به عنوان رهبر، تست‌های لیزر را در آزمایشگاه‌های کالیفرنیا انجام داد و SETI، با تجربه رصد ستاره‌ها، طراحی کاوشگرها را هدایت کرد. ناسا، با ۵ میلیون دلار فاز I و ۱۰ میلیون فاز II، مهندسی بادبان‌های نوری و سنسورها را تأمین کرد و مؤسسه UCSB، با ۲۰ دانشمند، مدل‌های شتاب لیزری را شبیه‌سازی نمود. SETI، با داده‌های رصد سیارات فرازخورشیدی، اهداف علمی را تعریف کرد. همکاری با بنیاد بریک‌تارشت (Breakthrough Initiatives) برای تست لیزرهای ۱۰۰ گیگاواتی گسترش یافته و ۳۰ میلیون دلار سرمایه‌گذاری شده است.

اصول فیزیکی پیشرانش با لیزر

اصول فیزیکی پیشرانش با لیزر در استارلایت بر پایه فشار تابش (radiation pressure) استوار است. در آن پرتوهای لیزر با شدت ۱۰ کیلووات بر سانتی‌متر مربع به بادبان نوری کاوشگر برخورد می‌کنند و با بازتاب، شتاب ۰.۲ g (۲ متر بر ثانیه مربع) ایجاد می‌کنند. این اصول، بر قانون نیوتن (F = 2I/c، که I شدت لیزر و c سرعت نور است) تکیه دارد و بادبان نوری از گرافن نازک (۱ میکرومتر) با بازتاب ۹۹.۹ درصد، انرژی را به حرکت تبدیل می‌کند. لیزرها، با فرکانس ۱.۰۵ میکرون، کاوشگر را از ۰ به ۶۰ هزار کیلومتر بر ثانیه در ۱۰ دقیقه شتاب می‌دهند.

این فیزیک، بدون سوخت، کاوشگر را به ۲۰ درصد سرعت نور می‌رساند و با آینه‌های تاشو، گرما را مدیریت می‌کند. اصول، از آزمایش‌های NIF (National Ignition Facility) الهام گرفته و اکنون، تست‌های ۱۰ وات را به ۱۰۰ گیگاوات رسانده است.

نحوه عملکرد سیستم لیزری در پروژه استارلایت

نحوه عملکرد سیستم لیزری استارلایت با آرایه‌ای از ۱۰۰ هزار لیزر دیودی ۱ کیلوواتی است که پرتوهای موازی را با دقت ۰.۱ ثانیه قوسی به بادبان کاوشگر هدف می‌گیرند و شتاب ۰.۲ g را در ۱۰ دقیقه فراهم می‌کنند. این سیستم، که در کالیفرنیا تست می‌شود، با آینه‌های تاشو، پرتو را متمرکز می‌کند و با فرکانس ۱.۰۵ میکرون، گرمای بادبان (تا ۱۰۰۰ درجه سلسیوس) را مدیریت می‌نماید. کاوشگر، با بادبان ۴ متر مربعی از گرافن، فشار تابش را به سرعت ۶۰ هزار کیلومتر بر ثانیه تبدیل می‌کند.

طراحی مفهومی فضاپیماهای سبک و مقاوم

طراحی مفهومی فضاپیماهای استارلایت، کاوشگرهای ۱ گرمی با بادبان نوری ۴ متر مربعی از گرافن نازک (۱ میکرومتر) است که با پرتو لیزر شتاب می‌گیرند و با سنسورهای نانو (دوربین ۱ میلی‌متر و مغناطیسی) سیارات فرازخورشیدی را رصد می‌کنند. این فضاپیماها، با ساختار سبک از کربن نانوتیوب، گرمای لیزر (۱۰ کیلووات بر سانتی‌متر مربع) را با آینه‌های تاشو مدیریت می‌کنند و با استقامت ۲۰ ساله، داده‌ها را با لیزر به زمین ارسال می‌نمایند.

طراحی با تست‌های آزمایشگاهی، مقاومت به سرعت ۰.۲ سرعت نور را تضمین می‌کند و با میکروچیپ‌ها، ۱۰۰ گیگابایت داده ذخیره می‌کند. این کانسپت، استارلایت را به ناوگانی از کاوشگرهای کوچک برای آلفا قنطورس تبدیل کرده است.

ویژگی‌های فنی پرتوهای لیزر مورد استفاده

ویژگی‌های فنی پرتوهای لیزر استارلایت شامل طول موج ۱.۰۵ میکرون، شدت ۱۰ کیلووات بر سانتی‌متر مربع و دقت ۰.۱ ثانیه قوسی است که با ۱۰۰ هزار دیود لیزری، شتاب ۰.۲ g را به کاوشگر می‌دهد. این پرتوها، با فرکانس ۲۸۰ تراهرتز، بازتاب ۹۹.۹ درصدی از بادبان را هدف قرار می‌دهند و با سیستم خنک‌کننده مایع، گرمای ۱۰۰۰ درجه را مدیریت می‌کنند. پرتوها، با قطر ۴ متر، کاوشگر را در ۱۰ دقیقه به ۶۰ هزار کیلومتر بر ثانیه می‌رسانند. ویژگی‌های دیگر، شامل پالس‌های مداوم ۱۰ ثانیه‌ای و قدرت کل ۱۰۰ گیگاوات است که در تست‌های ۲۰۲۵، شتاب ۰.۱ g را ثابت کردند.

سیستم‌های کنترل پرتو در استارلایت، با آینه‌های تاشو و آداپتیو optics، پرتو را با دقت ۰.۱ ثانیه قوسی به کاوشگر هدف می‌گیرند و با سنسورهای نوری، انحراف را به ۱ میکروثانیه محدود می‌کنند. این سیستم‌ها، با الگوریتم‌های AI، پرتو را در فاصله ۴.۳۷ سال نوری تنظیم می‌کنند و با ۱۰۰ هزار لیزر دیودی، قدرت را توزیع می‌نمایند. کنترل، با ردیابی رادار و لیزر، کاوشگر را برای ۱۰ دقیقه شتاب‌دهی ردیابی می‌کند.

ساختار مواد مقاوم در برابر تابش لیزر

ساختار مواد در استارلایت، بادبان نوری از گرافن نازک (۱ میکرومتر) با بازتاب ۹۹.۹ درصد است که گرمای ۱۰ کیلووات بر سانتی‌متر مربع را با لایه‌های آلومینیوم نازک مدیریت می‌کند. کاوشگر، از کربن نانوتیوب و مواد کامپوزیتی، وزن ۱ گرم را حفظ می‌کند و با سنسورهای نانو، تابش را تحمل می‌نماید. این مواد، با تست‌های آزمایشگاهی، دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس را بدون آسیب نگه می‌دارند.

بررسی مسیرهای ممکن به ستارگان نزدیک

مسیرهای ممکن استارلایت به ستارگان نزدیک مانند آلفا قنطورس (۴.۳۷ سال نوری، با شتاب ۰.۲ g در ۱۰ دقیقه به ۰.۲ سرعت نور) است که کاوشگر در ۲۰ سال می‌رسد. مسیر به پروکسیما قنطورس (۴.۲۴ سال نوری) با کمک گرانشی، ۱۹ سال طول می‌کشد و با ردیابی لیزر، دقت ۱ میلی‌ثانیه را دارد. مسیر به سیروس (۸.۶ سال نوری)، با شتاب بیشتر، ۳۵ سال زمان می‌برد.

مسیرها، با مدل‌های شبیه‌سازی، انحرافات گرانشی را در نظر می‌گیرند و کاوشگرها را در ناوگان ۱۰۰۰ تایی هدف قرار می‌دهند. این مسیرها، استارلایت را به برنامه‌ای عملی برای رصد سیارات فرازخورشیدی تبدیل کرده‌اند.

زمان و انرژی مورد نیاز برای شتاب‌دهی فضاپیما

زمان شتاب‌دهی در استارلایت ۱۰ دقیقه است که با لیزرهای ۱۰۰ گیگاوات، کاوشگر ۱ گرمی را به ۰.۲ سرعت نور (۶۰ هزار کیلومتر بر ثانیه) می‌رساند. انرژی مورد نیاز ۱۰^۱۲ ژول (معادل ۲۵۰ کیلوتن TNT) است که با آرایه لیزرهای دیودی تأمین می‌شود و فشار تابش، شتاب ۰.۲ g را ایجاد می‌کند. کاوشگر، با بادبان ۴ متر مربعی، انرژی را به حرکت تبدیل می‌کند و با بازتاب ۹۹.۹ درصد، کارایی ۹۹ درصدی دارد.

عملکرد استارلایت با پیشران‌های شیمیایی (مانند راکت‌های سوخت مایع، شتاب ۱۰ g اما برد ۱ سال نوری در ۱۰۰ هزار سال) مقایسه می‌شود. استارلایت در ۲۰ سال به آلفا قنطورس می‌رسد، در حالی که شیمیایی‌ها هزاران سال طول می‌کشد. پیشران‌های یونی (مانند VASIMR، شتاب ۰.۰۱ g، برد ۰.۱ سال نوری در ۱۰۰ سال)، کندتر از استارلایت (۰.۲ g) هستند و سوخت بیشتری نیاز دارند. استارلایت با انرژی لیزر، بدون سوخت، کارآمدتر است و با بادبان نوری، ۹۹.۹ درصد بازده دارد.

تحلیل هزینه، بودجه و وضعیت کنونی پروژه استارلایت

تحلیل هزینه پروژه استارلایت نشان می‌دهد بودجه NIAC فاز I (۲۰۱۵) ۵ میلیون دلار و فاز II (۲۰۱۶) ۱۰ میلیون دلار بوده و تا ۲۰۲۵، با ۳۰ میلیون دلار از بنیاد بریک‌تارشت، به ۴۵ میلیون رسیده است. هزینه لیزرهای ۱۰۰ گیگاواتی ۲۰۰ میلیون دلار است و کاوشگرهای ۱ گرمی ۱ میلیون دلار هر کدام. بودجه، با حمایت ناسا و UCSB، مهندسی بادبان و سنسورها را تأمین می‌کند و بازگشت سرمایه با داده‌های فرازخورشیدی در ۲۰ سال است.

اکنون پروژه در فاز مفهومی با تست‌های لیزر در کالیفرنیا است و تست شتاب ۰.۱ g را تکمیل کرده است. پروژه استارلایت با همکاری SETI، برای پرتاب ۲۰۳۰ آماده می‌شود و با چالش‌های کنترل گرما، پیشرفت کرده است.