מפרשים סולאריים ישמשו לתעופת חלל
מפרשי ענק המחזירים את הקרינה הפוגעת בהם וכך מניעים חלליות. מדע בדיוני או עתידה של תעופת החלל?
בסיפור המדע הבדיוני הקצר "הרוח הנושבת מן השמש" (1963), מתאר ארתור סי. קלארק (Clarke) מירוץ של מפרשיות סולאריות מכדור-הארץ לירח ובחזרה. בחזונו הבדיוני ראה קלארק יצירה של ספורט חדש למיליארדרים – טיסות חלל המסתמכות על דחף הפוטונים הפוגעים במפרשי ענק דקיקים. הכוח שמפעילים הפוטונים גדול פי 5,000 לערך מהדחף של חלקיקי רוח השמש, הפוגעים אף הם במפרש (עם זאת, קיימים תכנונים למפרשים סולאריים מיוחדים, שיעשו שימוש גם ברוח השמש).
כיום עדיין אין תחרויות מאוישות של טיסות חלל המשתמשות בפוטונים או ברוח השמש ככוח מניע, אך חלליות בלתי מאוישות העושות שימוש ברעיון אכן נבנו. אחת מהן אף שוגרה אל החלל, ואולם, עקב כישלון של טיל השיגור לא הצליחה להגיע למסלול ולפרוש את מפרשיה. חלום המפרשים הסולאריים הוא אמנם תיאורטי, אך בכנסים מדעיים ובמחקרים שונים הוא נראה כמבטיח מאוד – במיוחד למשימות מחקר בלתי מאוישות של מערכת השמש, היכולות ליהנות מחיסכון גדול במסת החללית, ומכאן גם בהוצאות השיגור.
מפרש שמש – מהו?
מפרש שמש הוא משטח גדול בעל כושר החזרה גבוה של קרינה (למשל, של אור בתחום הנראה), המסוגל לנוע בחלל ולשמש מקור דחף לחלליות. את הרעיון המקורי למפרש שמש העלה מדען הטילים הרוסי פרידריך צאנדר (Tsander) עוד בשנת 1920. צאנדר, אגב, הוא שתכנן את הרקטה הראשונה המונעת בדלק נוזלי של ברית-המועצות. הבסיס הפיזיקלי למפרשיות השמש הוא העובדה שקרינה הפוגעת בגוף כלשהו מפעילה עליו כוח. אין חשיבות לסוג הקרינה, והיא יכולה להיות בתחומי האור הנראה, האינפרה-אדום, גלי המיקרו וכדומה. מפרשיות שמש שיפעלו בחלל יוכלו להשתמש בקרינה מהשמש או לחלופין באלומת לייזר או גלי רדיו שישוגרו אליהן מכדור-הארץ, מהירח או מלוויינים.
הכוח שמפעילה קרינת השמש, במרחק ממנה שבו נמצא כדור-הארץ (מרחק ממוצע של כ–150 מיליון ק"מ) הוא זעיר – כתשע מיליוניות ניוטון למטר מרובע של חומר מחזיר אור. מכאן שמפרשית שמש תצטרך להיות מצוידת במפרש בעל שטח פנים עצום, ומסתה תצטרך להיות קטנה ככל האפשר, על מנת להשתמש בשיטת הנעה זו. יעילותו של מפרש שמש היא פונקציה של יכולת החזרת הקרינה שלו. ככל שתוחזר ממנו יותר קרינה (כלומר פחות קרינה תיבּלע בו), הדחף שיספק המפרש יגדל. אם נרצה להקטין את שטח המפרש, נוכל להסתייע במקור קרינה מלאכותי, למשל לייזר. השימוש במקור קרינה מלאכותי יאפשר גם למקד את אלומת האור במפרש באופן יעיל – דבר שיביא להקטנת שטח המפרש. יחד עם זאת, יש לזכור כי מפרשי שמש שיחזירו את אור השמש לא יהיו תלויים באספקה חיצונית של קרינה ממקור מלאכותי, ובכך יש כדי לפשט את תפעולם בחלל.
יתרונות מפרשיות השמש
החלליות המשמשות אותנו מואצות בשלב הראשון של מסען לחלל באמצעות טילים, המקנים להן מהירות מספקת לכניסה למסלול סביב כדור-הארץ (כשמונה קילומטרים בשנייה). ואולם, אם ברצוננו לטוס למקום אחר, מחוץ למסלול הקפה זה, למשל לירח, למאדים, לנוגה או למערכת השמש החיצונית, עלינו להגביר את מהירות החללית. פעולה זו מתבצעת על-ידי מנועים רקטיים השורפים דלק (וחמצן) – מסה היכולה להסתכם במאות קילוגרמים, הבאה על חשבון המטען המועיל של החללית.
חלליות ספורות עשו עד כה שימוש במנוע יוֹנִי, המשתמש ביוני קסנון המואצים באמצעות שדה מגנטי רב-עוצמה ונפלטים מהחללית. מנוע כזה הוא חסכוני יותר מבחינת חומר ההדף, אך מייצר דחף קטן מאוד (לאורך זמן). חלק ניכר מהכוח של המשגר מושקע, אם כן, בהאצה לחלל של מסה המתכלית בתוך פרק זמן קצר – הדלק של החללית. מובן שנוסף על הדלק שומה עלינו להביא בחשבון את המסה של המכלים לאחסונו, של מערכת ההולכה שלו ושל המנועים עצמם. שימוש במפרש שמש יאפשר להקטין את מסת החללית ולתעל את רוב האנרגיה להאצת המטען המועיל, ולא מסה גדולה של מערכות המנועים.
היתרון הגדול ביותר הוא שאפשר להאיץ מפרשית שמש במשך זמן ארוך מאוד – כל עוד תפגע קרינה במפרש, החללית תמשיך להאיץ. בעיקרון, באמצעות לייזרים רבי-עוצמה ותכנון נאות של המפרש אפשר להאיץ מפרשיות שמש למהירויות גבוהות ביותר, עד כדי עשרות אחוזים ממהירות האור – מהירות ששום הנעה קונוונציונלית – כימית או גרעינית – המשמשת אותנו כיום אינה יכולה להשיג.
יש גם חסרונות
נוסף על הקשיים הטכניים הכרוכים בבניית מפרש שיהיה רפלקטיבי דיו, קל משקל וניתן לקיפול ולפרישה, המכשול הבולט ביותר הוא יכולת התנועה של מפרשית השמש באותו כיוון של הקרינה. יכולת התמרון של החללית – ובכלל זה בלימה בהגיעה ליעדה – מוגבלת, ובשלב זה של תכנון מפרשיות שמש, יותקנו בהן גם כמה מנועי תמרון קונוונציונליים.
המפרש העצום בגודלו יהיה חשוף לסכנת פגיעה של גופים, הנדירים אמנם בחלל, ובכל זאת קיימים. התנגשות עם מטאורואיד קטן לא תגרום לנזק רב: גוף כזה ייצור קרע קטן במפרש ויעבור דרכו. אך היתקלות בגוף גדול יותר, כמו אסטרואיד, תהיה הרסנית. חוזק המפרשים המצויים כיום בתכנון לא יאפשר שרידות במקרה של התנגשויות, ולכן צריך יהיה לתכנן את נתיב המפרשית תוך התחשבות בגרמי שמיים קטנים (שביטים ואסטרואידים) בתוך מערכת השמש. מובן שגם מעבר דרך טבעות פלנטריות (דוגמת מערכת הטבעות של שבתאי) לא יהיה אפשרי.
בעיה נוספת היא עוצמת ההארה של השמש כשהמפרשית מתרחקת ממנה. כידוע, עוצמת ההארה נמצאת ביחס הפוך לריבוע המרחק ממקור האור. פתרון אפשרי לירידה הדרמטית בהספק הקרינה יכול להיות שיפור ביכולת ההחזרה של החומר שממנו ייבנה המפרש מחד גיסא, ושימוש במקורות אור מלאכותיים דוגמת לייזר מאידך גיסא. לוויינים המצוידים בלייזרים להנעת מפרשיות שמש אינם בנמצא כיום, אך בעתיד, עם הפיכתן של מפרשיות שמש לנפוצות, ייתכן שישוגרו לוויינים כאלה למקומות שונים במערכת השמש.
יישומים אפשריים
שימוש במייזרים (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) יוכל, עקרונית, לאפשר האצה של מפרשיות שמש למהירויות אדירות, ולאפשר לראשונה לבנות חללית בין-כוכבית ולהגיע בחלליות מחקר אל כוכבים (שמשות) שכנים. מפרשיות שמש יוכלו להניע חלליות גם בתוך מערכת השמש שלנו, במיוחד חלליות קטנות וקלות. קיים תכנון לשיגור ננו-לוויין (NanoSail-D; וראו "לוויין קטן שלי" במדור זה, "גליליאו" 117) שיצויד במפרש שמש קטן, לבחינת ההיתכנות של שימוש בהנעה סולארית לננו-לוויינים. יש הצעות, הנראות נכון לימינו כלקוחות מעולם המדע הבדיוני, לשימוש במפרשי שמש להטיית אסטרואידים המסכנים את כדור-הארץ. בשלב זה, המסה הגדולה של האסטרואידים, בשילוב עם הדחף הנמוך של מפרשי שמש, הופכים את הפתרון ללא-מעשי. אך בעתיד, במיוחד עם פרישת מערך לייזרים ומייזרים בחלל, יהיה אפשר לחשוב על מערכת להגנת כדור-הארץ מפני אסטרואידים, שתעשה שימוש בטכנולוגיה זו.
המאמר המלא הופיע בגיליון אוגוסט של המגזין "גליליאו "
לפנייה לכתב/ת 
כך יראה מפרש סולארי. איור
צילום: נאס"א
