سازوکار اصلی بادبان‌های خورشیدی: نیروی محرکه فضاپیماها از فشار تابش و فوتون‌های بی‌جرم

در سال ۱۶۱۹، یوهانس کپلر مشاهده کرد که دنباله‌های ستاره‌های دنباله‌دار همیشه، صرف نظر از جهت حرکت ستاره دنباله‌دار، از خورشید دور می‌شوند. او فرضیه «نسیم خورشیدی» را مطرح کرد—نیروی مکانیکی که توسط خود نور خورشید اعمال می‌شود. امروزه، این مشاهده ۴۰۰ ساله، شالوده یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های پیشرانش در مهندسی هوافضا: یعنی بادبان خورشیدی را تشکیل می‌دهد.[1]

برخلاف موشک‌های متداول که اساساً توسط جرم سوخت شیمیایی که باید حمل کنند محدود می‌شوند، بادبان‌های خورشیدی نیازی به سوخت داخلی ندارند. در عوض، آنها از فشار تابش بهره می‌برند—تکانه‌ای که توسط فوتون‌های بی‌جرم هنگام برخورد و بازتاب از سطح آینه‌ای منتقل می‌شود.[1][2]

برای درک اینکه چگونه ذره‌ای بدون جرم می‌تواند نیروی فیزیکی اعمال کند، باید به نظریه الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول و فرمول‌بندی دوگانگی موج-ذره آلبرت اینشتین نگاه کرد. اگرچه فوتون‌ها فاقد جرم سکون هستند، اما انرژی و تکانه متناسب با فرکانس خود را حمل می‌کنند.[1]

هنگامی که یک فوتون به یک سطح بسیار بازتابنده، مانند پلی‌آمید آلومینیومی یک بادبان خورشیدی، برخورد می‌کند، از آن بازمی‌گردد. این بازتاب، تغییری در بردار سرعت فوتون است که مستلزم انتقال تکانه به بادبان است و آن را کمی در جهت مخالف به جلو می‌راند.[1][2]

نیروی تولید شده توسط این برهم‌کنش فوق‌العاده ناچیز است. در فاصله یک واحد نجومی (AU)—فاصله زمین تا خورشید—تابش خورشیدی تقریباً ۱,۳۶۱ وات بر متر مربع است. این مقدار به فشار تابشی حدود ۹.۰۸ میکرونیوتن بر متر مربع ترجمه می‌شود.[1]

برای یک بادبان با ابعاد ۸۰۰ در ۸۰۰ متر، نیروی کل اعمال شده توسط نور خورشید حدود ۵ نیوتن است. روی زمین، این تقریباً معادل وزن یک کیسه کوچک شکر است. با این حال، در خلأ بدون اصطکاک فضا، این نیروی میکروسکوپی پیوسته و تجمعی است.[1][3]

یک موشک شیمیایی برای چند دقیقه شلیک می‌کند تا به حداکثر سرعت خود برسد و سپس بقیه سفر را در حالت سکون طی می‌کند. در مقابل، یک بادبان خورشیدی هر ثانیه که در معرض نور خورشید قرار دارد، شتاب می‌گیرد.[2][3]

در طول ماه‌ها و سال‌ها، این ریزشتاب پیوسته به تغییرات عظیم سرعت تبدیل می‌شود. یک فضاپیما که توسط بادبان خورشیدی به جلو رانده می‌شود، می‌تواند در نهایت به سرعت‌هایی دست یابد که برای موشک‌های شیمیایی دست‌نیافتنی است، و آن را به یک گزینه اصلی برای مأموریت‌های پرانرژی به منظومه شمسی بیرونی یا ستارگان همسایه تبدیل می‌کند.[3]

چالش اصلی مهندسی در به حداکثر رساندن سطح بادبان در عین به حداقل رساندن جرم آن نهفته است. عدد سبکی—نسبت حداکثر شتاب وسیله نقلیه به گرانش محلی خورشید—کارایی کلی و قابلیت‌های مداری بادبان را تعیین می‌کند.[1]

پیشرفت‌های اخیر در اپتیک، این حوزه را فراتر از آینه‌های تخت و بازتابنده برده است. بادبان‌های خورشیدی پراشنده، که از ساختارهای شبکه‌ای میکروسکوپی برای خم کردن نور به جای بازتاب آن استفاده می‌کنند، در حال حاضر تحت بررسی شدید فیزیکدانان و مهندسان هوافضا هستند.[4]

یک بادبان پراشنده می‌تواند نیروی عرضی قابل توجهی تولید کند، حتی زمانی که مستقیماً رو به خورشید باشد. این امر امکان مانورهای مداری پیچیده‌تر و مسیرهای مارپیچی را بدون نیاز به کج کردن مداوم کل فضاپیما فراهم می‌کند و سامانه‌های کنترل وضعیت را ساده‌تر می‌سازد.[4]

با وجود این مزایای نظری، بادبان‌رانی خورشیدی به عنوان یک فناوری عملی هنوز در مراحل اولیه خود است. مأموریت‌های نمایشی با موفقیت این مفهوم را در مدار زمین اثبات کرده‌اند و مسیرهای خود را تنها با استفاده از فشار نور خورشید تغییر داده‌اند.[1][2]

با این حال، مقیاس‌بندی این غشاهای ظریف و فوق‌العاده نازک به اندازه‌های مورد نیاز برای محموله‌های فضای عمیق، خطرات مواد و استقرار قابل توجهی را به همراه دارد. غشاها باید بدون نقص از محفظه محموله فشرده باز شوند، زیرا یک پارگی کوچک می‌تواند مشخصات رانش را به خطر اندازد.[2][3]

علاوه بر این، فشار تابش با مجذور فاصله از خورشید کاهش می‌یابد. همانطور که یک بادبان خورشیدی به سمت بیرون منظومه شمسی حرکت می‌کند، شتاب آن به شدت افت می‌کند، که نیازمند سرعت‌های اولیه عظیم در نزدیکی خورشید یا سامانه‌های پیشرانش مکمل است.[1][3]

برای غلبه بر این محدودیت برای مأموریت‌های بین‌ستاره‌ای، محققان پیشرانش با پرتو را پیشنهاد کرده‌اند. در این سناریو، از لیزرهای عظیم مستقر در فضا برای روشن کردن پیوسته بادبان استفاده می‌شود و جریانی ثابت از فوتون‌ها را مدت‌ها پس از محو شدن نور خورشید به یک نقطه دوردست، فراهم می‌کند.[1]

در نهایت، مکانیک بادبان‌رانی خورشیدی نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم در اخترپویش‌شناسی است. مهندسان با جایگزینی رانش خشن و کوتاه‌مدت احتراق شیمیایی با فشار ملایم و پایان‌ناپذیر نور ستاره، در حال بازتعریف محدودیت‌های اکتشاف کیهانی هستند.[3]