دسته: اخبار علمی

بلندمدت‌ترین ماموریتی که ناسا برای خود تعیین کرده، ارسال فضاپیمایی به آلفا قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره به خورشید در سال ۲۰۶۹ است. این سال، صدمین سالگرد فتح ماه است. بسیاری از دانشمندان فکر می‌کنند که حداقل در عصر حاضر، ایده‌ی سفرهای بین ستاره‌ای شبیه داستان‌های تخیلی می‌ماند. آلفا قنطورس ۴/۴ سال نوری با ما فاصله دارد که تقریبا معادل ۴۰ تریلیون کیلومتر می‌شود. سریع‌ترین وسیله‌ای که تاکنون به فضا پرتاب شده، فضاپیمای کاوشگر پارکر ناسا است که در سریع‌ترین حرکت خود به دور خورشید، به سرعت ۶۹۰ هزار کیلومتر بر ساعت دست یافت.

یک فضاپیما اگر با ۱۰ درصد سرعت نور حرکت کند در طی ۴۴ سال می‌تواند به آلفا قنطورس برسد. برای دست یافتن به این سرعت باورنکردنی، به میزان بسیار زیادی انرژی احتیاج داریم؛ حتی اگر فضاپیما بسیار سبک‌وزن باشد. روش‌های معمول ایجاد سیستم پیشران مثل تکنولوژی‌های شیمیایی، خورشیدی-الکتریکی و هسته‌ای-حرارتی هیچ‌وقت نمی‌توانند به سرعت لازم برای سفرهای بین‌ستاره‌ای دست یابند.

اما روش‌های دیگری هم برای تأمین انرژی وجود دارد که ناسا می‌تواند روی آن‌ها کار کند. از میان این روش‌ها، می‌توان به سیستم پیشران هم‌جوشی هسته‌ای اشاره کرد. هرچند که ما هنوز نتوانسته‌ایم در تولید برق با این تکنولوژی مهارت کافی را کسب کنیم. بنابراین فعلا با توسعه‌ی یک سیستم پیشران هسته‌ای برای استفاده در فضا فاصله‌ی زیادی داریم. با تمام این توضیح‌ها، آیا ناسا می‌تواند تا ۵۳ سال دیگر به یک منظومه‌ی دیگر سفر کند؟ از نظر بسیاری از دانشمندان فضا این روش‌ها برای پیشبرد فضاپیما بسیار علمی تخیلی هستند و هنوز آمادگی لازم را نداریم.

اما دانشمندان دیگری هم هستند که درباره‌ی سفرهای بین‌ستاره‌ای پژوهش‌های زیادی انجام داده‌اند و هیجان زیادی برای مشارکت در این پروژه و تحقق این رویا دارند.  این نوع نگرانی ها ذهن برخی از متخصصان اخترفیزیک را که در حال تلاش روی پروژه ای مانند “Breakthrough Starshot” هستند، به خود مشغول کرده است، این پروژه که چند سال گذشته معرفی شد، وعده بسیار خوبی به ما داده است. نکته‌ی مهم آن استفاده از لیزر از سطح زمین برای پیش بردن یک سفینه فضایی خیلی کوچک به نزدیک ترین منظومه‌ی ستاره‌ای همسایه زمین به نام قنطورس آلفا است که در فاصله‌ی اندک ۴٫۳۷ سال نوری از ما قرار گرفته است.

اما با وجود اینکه قنطورس آلفا ممکن است نزدیک‌ترین منظومه به ما باشد. هلر و تیمش اظهار می‌کنند که مشاهده‌ی شباهنگ (پرنورترین ستاره در آسمان شب) سفر سریع‌تری را می‌طلبد، زیرا مسافت آن تقریبا دوبرابر مسافت قنطورس آلفا (تقریبا ۸٫۶ سال نوری) است. اما چگونه می‌توان برای رسیدن به شباهنگ که فاصله دورتری دارد سریع‌تر بود؟ جواب بستگی فرضیه‌های مختلفی دارد، اینکه چگونه می‌توان سفینه‌ی فضایی خیلی کوچکی (که هنوز فرضی است) را پیش برد و سپس سرعت آن را کاهش داد.

پروژه‌ی Breakthrough Starshot قصد دارد کشتی فضایی بسیار کوچک خود را با سرعت ۲۰ درصد سرعت نور (سفر آن ۲۰ سال طول می‌کشد) به آلفا قنطورس بفرستد. اما مشکلی که ذهن دانشمندان را به تامل واداشته آن است که با چنین سرعت زیادی کند کردن سفینه هنگامی که به مقصد خود می‌رسد غیرممکن می‌شود. درحال حاضر اینگونه که انتظار می‌رود و پژوهشگران فرض می‌کنند، می‌توانند سفینه‌ای را ایجاد کنند که در مقابل خطرات سفر سالم بماند.

آلفا قنطورس نقش میزبان را برای نزدیک‌ترین سیاره‌ی شبیه زمین به نام پروکسیما‌بی بازی می‌کند، دانشمندان در حال بررسی این موضوع هستند که آیا این سیاره، می‌تواند جهان خارجی قابل سکونتی باشد یا نه. چند ماه پیش فضاپیما و کاوشگر وویجر ۲ سرانجام با عبور از هلیوپاس وارد فضای میان ستاره‌ای شد و به این ترتیب پس از وویجر ۱ به دومین کاوشگری بدل شد که وارد این فضا می‌شود. فضاپیمای وویجر ۲ در سال ۱۹۷۷ به فضا پرتاب شد و بیش از چهار دهه به کاوش و بررسی منظومه‌ی شمسی پرداخت.

وویجر ۲ تنها فضاپیمایی بود که موفق به پرواز بر فراز نپتون و اورانوس شد و حالا این فضاپیما به همزاد خود وویجر ۱ پیوسته و از سلطه‌ی خورشید کاملا خارج شده است. به نظر می‌رسد دقت داده‌های مربوط‌به دومین عبور انسان از منظومه‌ی شمسی به اندازه‌ی اولین عبور نباشد. دانشمندان از اواخر ماه اوت سفر بزرگ وویجر ۲ را زیر نظر داشتند، یعنی زمانی‌که این کاوشگر به منطقه‌ی هلیوپاس نزدیک شده بود. هلیوپاس از نظر تئوری به نقطه‌ی توقف بادهای خورشیدی گفته می‌شود؛ حبابی که با ذرات باردار بادهای خورشیدی ایجاد می‌شود و بر فضای داخلی منظومه‌ی شمسی تأثیر می‌گذارد. دانشمندان هلیوپاس را نقطه‌ی شروع فضای میان‌ستاره‌ای در نظر می‌گیرند، اگرچه این تعریف به میزان گسترش منظومه‌ی شمسی تا ابر اورت هم وابسته است. ابر اورت از فاصله‌ی ۱۰۰۰ برابری فاصله‌ی زمین تا خورشید آغاز می‌شود. در سال ۲۰۱۷ جرمی به نام اوموآموا آخرین جرم میان‌ستاره‌ای بود که خبرساز شد؛ هرچند فقط یک جرم گذرا بود.

سفرهای میان‌سیاره‌ای

سفر انسان به مریخ و سکونت در آن، یکی از رویاهای همیشگی بشر بوده است. اما قبل از اینکه به مریخ سفر کنیم باید فناوری و ابزارهای لازم جهت سکونت در مریخ و زمینی‌سازی آن را داشته باشیم. ناسا اکتشافات دهه‌ی ۲۰۲۰ را به حفظ سلامت انسان‌ها در فضا اختصاص داده است؛ ولی اسپیس‌ایکس برای ایجاد زیرساختی با هدف مهاجرت انسان برنامه‌ریزی می‌کند. اسپیس‌ایکس پیش‌بینی می‌کند بتواند اولین سفر ۵۴.۶ میلیون کیلومتری خود به مریخ را در سال ۲۰۲۲ آغاز کند. ایلان ماسک برنامه‌های خود را برای ساخت موشکی بسیار بزرگ‌تر و قدرتمندتر از سیستم مأموریت فضایی NASA و موشک سازمان خود، اعلام کرده است.

این موشک بزرگ، سوخت کافی برای انتقال انسان‌ها به مریخ  و حتی امکان مسافرت شهر به شهر در زمین را فراهم می‌کند. این موشک ۱۰۶ متری با تحمل بار بیش از ۱۵۰ تن، رکورد فعلی انتقال بیشترین بار (شامل محموله، سوخت و مسافر) به مدار را خواهد شکست و کمترین هزینه را برای هر سفر خواهد داشت. فضاپیمای BFR برای رسیدن به ماه از مخازن سوختی که قبلا در مدار زمین قرار گرفته‌اند، استفاده می‌کند، در مدار شتاب می‌گیرد و برای یک مسافت طولانی سوخت‌گیری می‌کند.

طبق برنامه‌ی اسپیس‌ایکس، زمانی‌که موشک در مدار است، مجددا سوخت‌گیری می‌کند تا بتواند ظرفیت حمل بار و مسافت را توسعه بدهد و ایمن به زمین بازگردد. آزمایش‌هایی که تاکنون انجام شده‌اند، نشان می‌دهند امکان سوخت‌گیری مجدد موشک در فضا وجود دارد. ناسا در سال ۲۰۱۱ به اجرای مأموریت سوخت‌دهی مجدد روباتیک پرداخت و با موفقیت انتقال پیشرانه‌ی رباتی را روی سکوی ایستگاه فضایی بین‌المللی به پایان رساند. اسپیس‌ایکس پیش‌بینی می‌کند که بتواند تا سال ۲۰۲۲، حداقل دو سفینه‌ی باری را روی مریخ فرود بیاورد و به این ترتیب سکونت‌گاهی را برای انسان‌ها ایجاد کند.

هدف این مأموریت، بررسی آثار جاذبه‌ی صفر بر بدن انسان و مفهوم آن برای مسافرت فضایی آینده به مریخ است. بااین‌حال برخلاف مأموریت کلی، در سال ۲۰۲۱، ناسا انسان‌ها را به مدار ماه خواهد فرستاد. افراد در این آزمایش در یک گذرگاه فضایی عمیق قرار می‌گیرند، این گذرگاه شبیه یک ایستگاه ISS است که به‌عنوان یک میدان تست برای مأموریت‌های آینده‌ی فضایی از جمله مأموریت‌های بعدی به مریخ عمل می‌کند. این ایستگاه در پنج مأموریت ساخته می‌شود که در چهار مأموریت آن، انسان حضور خواهد داشت. آثار یک سال زندگی در مدار ماه بر بدن انسان که به عواملی مثل چرخه‌های مختلف روز و شب و تشعشع‌های خورشیدی وابسته است، هنوز ناشناخته هستند.

مریخ بعد از زمین قابل سکونت‌ترین سیاره منظومه‌ی شمسی محسوب می‌شود.هدف اصلی مأموریت‌های اولیه، یافتن یک منبع مطمئن آب روی سطح مریخ است. اگر مأموریت BFR به مریخ با موفقیت انجام شود، این فضاپیما به‌عنوان بخشی از پروژه‌ی مهاجرت به مریخ، برای ساخت یک واحد تولید سوخت، مصالح لازم را به مریخ خواهد برد. این برنامه، CO۲ موجود در جو مریخ را تخلیه و آن را با استفاده از توان خورشیدی به سوخت CO۴ منجمد تبدیل خواهد کرد. اسپیس‌ایکس در اوایل ۲۰۲۰ آماده‌ی فرستادن انسان برای زندگی در فضا خواهد بود؛ اما ناسا در این زمینه محتاط‌تر عمل می‌کند. برنامه‌ی این سازمان فضایی دولتی، فرستادن فضانوردهایی به مدار زمین به مدت یک سال و بررسی آمادگی آن‌ها برای زندگی در یک سیاره‌ی متفاوت خواهد بود. در مارس ۲۰۱۶، فضانورد ناسا به نام اسکات کلی، یک مأموریت مشابه یک‌ساله را در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام داد.

به‌گفته‌ی ایلان ماسک اگر بتوانیم جو مریخ را گرم کنیم و بر ضخامت آن بیافزاییم و همچنین اقیانوس‌های یخی مریخ را پیدا کنیم در این صورت سیاره مریخ احتمالا می‌تواند سکونت‌گاه دوم انسان باشد. سفر انسان به مریخ چندان هم ساده نیست، اما افرادی مثل ایلان ماسک و سازمان فضایی ناسا شرایط مسکونی‌سازی مریخ را آماده کرده‌اند و در آینده‌ی نردیک شاهد حضور میلیون‌ها انسان در مریخ خواهیم بود. اما قبل از اینکه عازم مریخ شویم باید تدارکات لازم را ببینیم تا از وقوع عواقب جبران‌ناپذیر، جلوگیری کنیم. در ادامه با این تدارکات آشنا می‌شویم.

مأموریت یکساله‌ی ناسا

به‌گفته‌ی مقامات ناسا، طرح سفر انسان به مریخ توسط سازمان فضایی ناسا ۲ گام اساسی خواهد داشت. اولین گام یک سال اقامت در ماه و دومین گام آغاز سفر به سمت مریخ، خواهد بود. براساس گفته‌های ناسا، فعلا انجام مأموریت‌‌های بیشتر از یک سال ممکن نیست، زیرا در مأموریت ۲ یا ۳ ساله امکان دارد آسیب‌های جدی و جبران‌‌ناپذیری به فضانوردان وارد شود.

این مأموریت‌ها با هدف کسب اطلاعات در مورد تاثیر جاذبه و عوامل متعدد روی بدن فضانوردان به‌منظور اقامت‌های طولانی مدت در اعماق فضا انجام خواهد شد. ناسا می‌گوید اطلاعات به دست آمده توسط اقامت اسکات کلی (Scott Kelly) و میخائیل کورنینکو (Mikhail Korniyenko) در ایستگاه فضایی بین‌المللی، دقیق و کافی نبود و به آزمایش‌ها و سفرهای بیشتری احتیاج داریم. سؤال اصلی اینجا است که آیا ناسا از عهده‌ی تأمین هزینه‌ها برای علمی کردن این برنامه‌ی یک‌ساله برخواهد آمد؟

ماژول‌‌های حمل‌و‌نقل فضایی

ناسا در سال ۲۰۱۶ ماژول BEAM را که محصول شرکت فضایی “Bigelow Aerospace” است ازطریق موشک شرکت اسپیس ایکس به منظور تست و ارزیابی به ایستگاه فضایی بین‌المللی به فضا پرتاب کرد. درواقع، هدف شرکت سازنده، تولید ایستگاه‌های فضایی قابل اسکان و ارزان است که می‌تواند پس از وصل شدن به ایستگاه فضایی بین‌المللی، منبسط شده و فضایی به‌اندازه‌ی یک پارکینگ خودرو را در اختیار فضانوردان قرار دهد.

البته مهندسان شرکت Bigelow Aerospace در حال طراحی سیستم‌های پیشرفته‌ای هستند که بتوانند از سرد شدن هوای داخل این کپسول جلوگیری کنند چراکه کاهش دمای بیش از حد می‌‌تواند منجر به افزایش خطر چگالش شود. سال گذشته، اسپیس‌ایکس ماژول Bigelow را به ISS فرستاد تا به مدت ۲ سال تحت مورد آزمایش قرار گیرد. اگر Bigelow بتواند ثابت کند این ماژول قدرت کافی را دارد، احتمالا ناسا و اسپیس ایکس از آن بهترین استفاده را در سفر انسان به مریخ خواهند برد.

تأمین اکسیژن مریخ

شاید اولین چیزی که پس از مواجهه با سفر انسان به مریخ ذهن همه ما را به خود درگیر کند این است که آیا در این سیاره اکسیژن وجود دارد؟ متاسفانه اکسیژنی در مریخ وجود ندارد اما ناسا تصمیم دارد در دهه‌ی آینده روی سطح مریخ اقدام به تولید اکسیژن کند؛ اصلی‌ترین ترکیبی که برای فضانوردان مقیم مریخ و مهاجران زمینی، حیاتی خواهد بود. آماده‌سازی مریخ‌نورد ۲ میلیارد دلاری و تبدیل دی‌اکسید کربن به اکسیژن از دیگر اهداف ناسا است.

اگر عملکرد نمونه اولیه دستگاه روی مریخ‌نورد جدید ناسا مناسب باشد، دستگاهی ۱۰۰ برابر اندازه موکسی (Moxi) دو سال پیش از سفر نخستین گروه از فضانوردان به مریخ در سال ۲۰۲۸ ارسال خواهد شد. این دستگاه بزرگتر می‌تواند سوخت موشک مورد نیاز برای بازگشت فضانوردان از مریخ به زمین را تولید کند. این دستگاه قبل از رسیدن فضانوردان قادر خواهد بود اکسیژن کافی برای بازگشت به زمین انسان‌ها را فراهم آورد. بخش دیگر سوخت موشکی که انسان‌ها را به زمین باز می‌گرداند از هیدروژن سبکی تولید خواهد ‌شد که از زمین آورده شده یا از خاک مریخ به دست آمده ‌است.

فناوری‌های فرود به مریخ

قبل از ارسال وسایل نقلیه سنگین و همچنین سفر انسان به مریخ باید عملکرد فناوری‌های جدید را مورد بررسی قرار داد. این بشقاب‌پرنده به‌طور رسمی LDSD (سرعت‌گیر فراصوت با تراکم پایین) نامیده می‌شود. با استفاده از این فناوری جدید، سیستم‌های فضایی آینده که قرار است محموله‌های سنگین و حتی انسان را به مریخ ارسال کنند، بدون هیچ خطری روی مریخ فرود خواهند آمد.

این وسیله‌ی آزمایشی با استفاده از یک بالون ویژه تا ارتفاع ۳۶ کلیومتری بالا خواهد رفت که در این ارتفاع توسط بالون رها می‌شود و با روشن شدن راکت‌های تقویتی خود تا ارتفاع ۵۴ کلیومتری اوج خواهد گرفت. به‌دلیل اینکه اتمسفر مریخ بسیار رقیق است، هرگونه چتر نجاتی که مورد استفاده قرار گیرد باید از استحکام بسیار بالایی برخوردار باشد تا از سرعت قابل‌توجه مریخ نشین موقع فرود بکاهد.

زمینی‌سازی مریخ

برای شروع فرایند زمینی‌‌سازی مریخ، باید باکتری‌ها و سایر ترکیبات زنده را در آنجا کشت دهیم و اگر واقعا می‌خواهیم به کارها سرعت ببخشیم، باید با از سیانوباکتری‌ها (Cyanobacteria) به منظور تولید اکسیژن استفاده کنیم این موجودات مجبور نیستند برای تهیه انرژی خود، به یک جهان بیگانه تکیه کنند. هنگامی که زمینی‌سازی آغاز شود، سیانوباکتری‌ها به این فرایند سرعت بیشتری می‌بخشند. درنهایت، سیاره به نقطه‌ای می‌‌رسد که کاشت گیاهان روی سطح آن ممکن می‌شود. این موضوع می‌تواند به تولید اکسیژن حیاتی شتاب بیشتری بدهد. انسان‌ها به ندرت در فضایی بوده‌اند که کمتر از ۳۰ درصد اکسیژن در هوای آن یافت شود و تحت آن شرایط هم باید آسیب‌های جدی را تحمل کنند.

به هر حال سفر به مریخ یعنی گیاه‌خوار شدن انسان‌ها، چراکه فرستادن حیوانات به فضا، هزینه‌‌های زیادی در پی دارد. حتی هنگامی که زمان مناسب فرا برسد، می‌توانیم یک سفینه بسازیم و حیوانات را روی سطح سیاره رها کنیم. در منظومه‌ی شمسی ما، معمولا از مریخ به‌عنوان محتمل‌ترین گزینه برای زمینی‌سازی نام برده می‌‌شود. برخی تخمین زده‌اند که از نظر مالی ۲ تا ۳ هزار میلیارد دلار هزینه در بر خواهد داشت و از نظر زمانی ۱۰۰ الی ۲۰۰ سال زمان می‌برد تا جو مریخ به اندازه کافی متراکم شود و دمای آن به‌حدی برسد که یخ‌های قطبی مریخ ذوب شوند و در نتیجه دریاهای مریخی ساخته شوند. در زمینی‌‌سازی مریخ می‌توان از علوم زیستی مانند فیزیولوژی گیاهی و جانوری بهره برد.

مطالعه‌ی شهاب‌ شنگ‌ها

اخیرا سازمان ناسا اعلام کرده است که قصد دارد شهاب سنگی را با کشاندن بین مدار ماه و زمین (cislunar space) شکار کند و افرادی را برای نمونه‌برداری به سطح شهاب سنگ ارسال کند. شاید این کار شبیه فیلم‌های تخیلی هالیوودی مانند جنگ ستارگان باشد، ولی ناسا واقعا چنین تصمیمی را گرفته است. پروژه شکار شهاب‌سنگ که با نام پروژه‌ی ARM شناخته می‎شود دارای ۲ مرحله متفاوت است: مرحله اول بخش روباتیک پروژه است که در سال ۲۰۲۱ با پرتاب یک ربات شروع می‎شود. این ربات باید بتواند یک شهاب‌سنگ را به مدار بین زمین و ماه بکشاند. در مرحله‌ی دوم ناسا تیم پژوهشی را برای جمع‌آوری نمونه‎ها روی سطح شهاب‌سنگ فرود می‎آورد. انتظار می‎رود مرحله‌ی دوم در سال ۲۰۲۸ شروع شود و فضاپیمای اوریون برای انتقال فضانوردان به شهاب‌سنگ، مورد استفاده قرار گیرد.

لباس‌های فضانوردی پیشرفته

لباس‌هایی که شما بر تن فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی می‌بینید، میلیون‌ها دلار قیمت دارند و حاصل سال‌ها پژوهش و توسعه هستند. اما در حال حاضر نیاز به لباس‌های پیشرفته‌تر برای سفر انسان به مریخ و فراسوی آن داریم، که به این معنی است با مشکل جدی کمبود لباس مواجه هستیم. هر نوع مأموریت سرنشین‌‌دار، چه در مریخ و چه در ماه، به‌داشتن لباس‌های مناسب با فناوری درست، حفاظت کافی، و سیستم حمایت زندگی متکی است. مأموریت‌های متعد نیاز به انواع مختلف لباس فضایی دارند، و ناسا مشغول کار روی ۳ نوع برنامه لباس فضایی برای تجهیز فضانوردان در آینده است؛ یکی برای مأموریت‌های ISS، یکی برای مأموریت پایگاه ماه، و دیگری برای مأموریت بالقوه‌ی مریخ.

لباس‌های ISS باید در جاذبه‌ی صفر کار کنند، درحالی‌که نسخه‌ی مریخی آن باید یک اتمسفر خشن و نسخه‌ی زمینی سطح ناهموار و سخت را تحمل کند. ناسا سخت مشغول کار روی توسعه‌ی آن‌ها است، اما زمان به‌سرعت رو به اتمام است، مخصوصا اگر بخواهند ابتدا آن‌ها را روی ISS آزمایش کنند. لباس‌های فعلی مشکلاتی نیز دارند که به همین دلیل جایگزینی آن‌ها بسیار ضروری است. این لباس‌ها که می‌توانند باعث خستگی دست و صدمات شوند، قادر به حمل آب و غذای کافی برای پیاده‌روی طولانی نیستند، به اندازه کافی انعطاف‌پذیر نیستند و در اندازه‌های بزرگ موجود نیستند که مناسب سایز تمامی فضانوردان باشند.

بلند‌پروازی‌های مارس‌وان

براساس پروژه‌ی مارس‌وان در ابتدا قرار بود اولین گروه از شهروندان آینده‌ی مریخ در سال ۲۰۲۳ بر سطح مریخ فرود آیند. در طول چند سال بعد چندین بار این تاریخ تغییر کرده است و حالا مدیران پروژه وعده‌ی سال ۲۰۲۷ را می‌دهند. ۴ فضانورد بعد از فرود باید کار تکمیل بناهایی که قبلا به‌طور خودکار و پیش‌ساخته به مریخ رفته است را کامل کنند و ۲ سال بعد دومین گروه به مریخ خواهند رسید.در نتیجه هر دو سال یک بار انسان‌هایی بدون امید به بازگشت به مریخ می‌روند تا آنجا را مسکونی کنند. یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش روی این مأموریت مسایل روان‌‌شناختی سفر انسان به مریخ است. اقامت طولانی در فضا و در محیطی بسته و در حالیکه تنها با افراد محدودی باید سرو کار داشته باشید و البته تحت تاثیر شرایط ناشناخته‌‌ای مانند تابش‌‌های کیهانی، ممکن است روی سلامت شما تاثیر بگذارد.

تأمین آب و خوراک ساکنین

در سفر به کهکشان برای رسیدن به نزدیکترین منظومه هیچ راه بازگشتی در کار نیست و این یک سفر یک‌طرفه خواهد بود. در پژوهش جدید به سؤال مهم دیگری پاسخ داده شد؛ چه مقدار غذا برای افراد حاضر در این فضاپیما نیاز داریم؟ اینکه برای این افراد غذای خشک را در نظر بگیریم گزینه چندان مناسبی نیست چرا که در طول قرن‌هایی که سفر طول می‌کشد، غذاها فاسد و غیر قابل استفاده می‌شوند. ساکنین سفینه باید خود بتوانند غذای مورد نیازشان را تأمین کنند. اما چه مقدار فضا برای تولید غذای کافی برای تمامی سرنشینان نیاز است؟

درواقع اندازه‌ی سفینه محدود به پارامترهای گوناگونی است. در مورد سفینه‌ای که قرار است حامل نسل‌هایی از انسان‌ها باشد میزان غذایی که می‌توانیم تولید کنیم به‌طور مستقیم به سطح داخلی سفینه بستگی دارد. از سوی دیگر این فضا به‌اندازه‌ی سیستم پیشران وابسته است. ابعاد، سیستم پیشران و تولید غذا ارتباط تنگاتنگی با هم دارند. پژوهشگران درکنار این موارد، میزان کالری مورد نیاز خدمه را در نظر گرفتند تا براساس آن محاسبه کنند که به ازای هر یک سال از سفر، چه میزان غذا مورد نیاز است. پژوهشگران میزان کیلوکالری مورد نیاز روزانه‌ی هر فرد را برای حفظ وزن ایده‌آل، محاسبه کردند.

به این منظور حتی افراد کوتاه یا بلند‌قد و سبک یا سنگین‌وزن هم در نظر گرفته شدند. پس از اینکه میزان کالری مورد نیاز محاسبه شد، باید محاسبه می‌شد که با استفاده از راهکارهای کشاورزی در هر کیلومتر مربع، چه میزان غذا در هر سال می‌توان تولید کرد. برای خدمه‌ی ناهمگون (از نژادهای مختلف) به‌عنوان مثال به تعداد ۵۰۰ نفر که همه‌چیزخوار و با رژیم متعادل هستند، ۰.۴۵ کیلومتر مربع زمین مصنوعی برای کاشت تمامی غذای مورد نیاز کافی خواهد بود. آیا سفر چندین نسل به نزدیکترین سیاره ممکن است؟ سؤال دیگری که نباید فراموش کنیم هزینه مورد نیاز برای چنین سفری است. حداقل هنوز پاسخ دقیق این دو را نمی‌دانیم. تنها می‌دانیم که نیاز به مقدار بسیار زیادی انرژی، منابع و البته زمان داریم. تنها مشکل باقی‌مانده که باید برای حل آن راهکارهایی پیدا شود، تهیه‌ی آب است. چنین سفر طولانی نیاز به حجم فراوانی آب برای مواردی از قبیل نوشیدن و کشاورزی دارد.

موشک‌های غول‌پیکر، چندبارمصرف و قدرتمند

ناسا برای طرح درازمدت خود به‌منظور سفر انسان به مریخ در سال ۲۰۲۳، از موشک غول‌‌پیکر SLS استفاده خواهد کرد. این راکت برای مأموریت‌های آینده ناسا در اعماق کهکشان ساخته شده و قادر است ۴ فضانورد را در خود برای مدتی طولانی نگه دارد. به‌گفته‌ی ناسا این راکت تا قبل از سال ۲۰۱۹ پرتاب نخواهد شد. این مأموریت همزمان با مأموریت “Orion capsule” انجام خواهد شد که برنامه‌ی آن برای اوایل سال ۲۰۲۱ است. اسپیس اکس، نیز در حال طراحی موشک فالکون هوی (Falcon Heavy) است. این موشک که در حدود ۷۰ متر ارتفاع دارد، توان خروجی خود را از ترکیب ۳ موشک فالکون ۹ تأمین خواهد کرد. ورود شرکت‌های خصوصی به عرصه‌ی کاوش‌های فضایی باعث شده است تا ایده‌های جالب مطرح شود و مورد آزمایش قرار گیرند.

تلاش‌های ایلان ماسک و متخصصانش در اسپیس‌ایکس سرانجام نتیجه داد و پس از چندین بار تلاش برای نشاندن موشک فالکون ۹ روی زمین، این شرکت موفق شد موشک خود را به سلامت روی زمین بنشاند. بعد از موفقیت‌های ادامه‌دار اسپیس‌ایکس برای نشاندن موشک فالکون ۹، رقابت در این عرصه زیاد شده است. شرکت بلواوریجین (Blue Origin) که متعلق به جف بزوس است موفق شده تا در این مسیر سومین آزمایش خود را با موشک نیوشپرد (New Shepard) به انجام برساند. موشک بلواوریجین یک موشک کوتاه‌برد زیرمدار است که پس از پرتاب به سمت کره‌ی زمین و سکوی پرتاب، بازگشته و با موفقیت روی آن می‌نشیند. هر ۲ شرکت بلواورجین و اسپیس ایکس در تلاش‌اند تا با استفاده از موشک‌های چند بار مصرف، هزینه‌ی سفرهای فضایی را به میزان بسیاری زیاد کاهش دهند تا از این طریق بتوان سفر به سمت سیاره‌های دیگری نظیر مریخ را بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر کرد. موتور برقی یونی مدارگرد سپیده‌دم ناسا نسبت به موتورهای رانشی شیمیایی فضاپیماهای قدیمی از کارایی بالاتری برخوردار است.

ناسا در جستجوی راهکاری برای بهبود این موتور یونی،‌ موتور NEXT را طراحی کرده‌ است که می‌تواند فضاپیماهای آینده را با سرعت ۱۴۴ هزار و ۸۴۱ کیلومتر بر ساعت به پرواز در آورد. در مقایسه بهتر است بدانید سرعت فضاپیمای سپیده‌دم ۱۵ هزار و ۴۴۹ کیلومتر بر ساعت است. شاید این سرعت به نظر باورنکردنی بیاید، اما براساس محاسبات بنت، با این سرعت نیز سفر به کپلر ۴۵۲b به ۱۰٫۵ میلیون سال زمان نیاز خواهد‌ داشت. در سال ۱۹۵۸ فیزیکدانی به نام فریمن دایسون ایده‌ای به نام پروژه اوریون را مطرح کرد که در آن از انفجارهای اتمی برای حرکت دادن فضاپیمایی غول‌پیکر با سرعتی ۵ درصد سرعت نور استفاده می‌شد. به‌گفته‌ی بنت، چنین فضاپیمایی سریعی نیز از رسیدن به موقع به سیاره‌ی کپلر عاجز است زیرا با چنین سرعتی نیز این سفر ۲۸ هزار سال طول خواهد‌ کشید و قطعا متعقاعد کردن انسان‌ها برای تن در دادن به چنین سفر طولانی که مدت آن از تاریخ تمدن بشر نیز بیشتر است، کار ساده‌ای نخواهد‌ بود.

شاید اگر بشر به موتورهای پادماده دسترسی داشت شانس سفرش به زمین شماره‌ی ۲ بیشتر می‌شد. به‌گفته‌ی ناسا، ساخت یک میلی‌گرم پادماده در یک مرکز برخورد‌دهنده‌ی ذره‌ای هزینه‌ای برابر ۱۰۰ میلیارد دلار خواهد‌ داشت، این در حالی است که راکتی که موتور پادماده‌ای داشته باشد،‌ برای حرکت کردن به چندین تن پادماده نیاز خواهد‌ داشت تا بتواند انرژی آزادشده از واکنش ماده-پادماده را ذخیره و بهره‌برداری کند. اگر بتوان مشکلات مالی در مسیر تولید پادماده را بر طرف ساخت، می‌توان به این موضوع فکر کرد که یک موتور پاد ماده می‌تواند با سرعتی برابر ۷۰ درصد از سرعت نور حرکت کند، که در این صورت نیز فضاپیما پس از دو هزار سال به کپلر ۴۵۲b می‌رسد؛ ۲۰۰۰ سال پیش دورانی است که امپراطوری رم در جهان مشغول حکمرانی بود.برای سفرهای نزدیک، گزینه‌های متعددی از پیشرانش موشکی گرفته تا موتورهای اقتصادی یونی پیش رو داریم.

علاوه‌بر این از جاذبه‌ی عظیم مشتری و زحل هم می‌توان مانند تیرکمان استفاده کرد.  بااین‌حال اگر بخواهیم به مأموریت‌هایی با مسافت‌های بیشتر فکر کنیم، باید به تکنولوژی خود مقیاس بزرگتری بدهیم و ببینیم چه روش‌هایی واقعا ممکن هستند. تقریبا اکثر این فناوری‌ها برای رسیدن به نزدیک‌ترین ستاره‌ها به‌شدت کند یا بسیار گران هستند. در ادامه به معرفی این تکنولوژی‌ها و سیستم‌های پیشرانشی خواهیم پرداخت. بعضی از این پیشرانش‌ها نظری هستند.

قلاب سنگ گرانشی

جرمی که از کنار یک سیاره‌ی بی‌حرکت می‌گذرد، با هر سرعتی که به آن نزدیک شود، با همان سرعت هم از آن دور می‌شود (در جهت مخالف). ولی اگر سیاره در حرکت باشد، سرعت نزدیک شدن و دور شدن جرم با هم تفاوت خواهد داشت. یکی از بهترین راه‌ها برای افزایش سرعت یک فضاپیما، کمک گرفتن از قلاب سنگ گرانشی است که به آن کمک گرانشی هم می‌گویند. برای نمونه، هنگامی که ویجر به سوی بیرون از سامانه‌ی خورشیدی می‌رفت، با گذشتن از کنار سیاره‌های مشتری و کیوان، کمک‌های گرانشی دریافت کرد و سرعتش را به‌اندازه‌ی کافی برای گریز از گرانش خورشید بالا برد.

شیوه‌ی کار این کمک گرانشی چیست؟ احتمالا می‌دانید که در این روش، فضاپیما باید به میزان خطرناکی به یک سیاره‌ی بزرگ نزدیک شود. اما این روش چگونه باعث افزایش سرعت فضاپیما می‌شود؟ هنگامی که فضاپیما به سیاره نزدیک می‌شود، سرعتش بالا می‌رود. و هنگامی که از آن دور می‌شود سرعتش دوباره کاهش می‌یابد؛ چیزی مانند یک اسکیت‌سوار در یک نیم‌لوله. برآیند پایانی این فرایند صفر است و درواقع فضاپیما با افتادن در چاه گرانشی و بیرون آمدن از آن، هیچ افزایش کلی در سرعتش رخ نمی‌دهد. پس این کمک گرانشی که می‌گویند چگونه انجام می‌شود؟

جرمی که از کنار یک سیاره‌ی بی‌حرکت می‌گذرد، با هر سرعتی که به آن نزدیک شود، با همان سرعت هم از آن دور می‌شود (در جهت مخالف). ولی اگر سیاره در حرکت باشد، سرعت نزدیک شدن و دور شدن جرم با هم تفاوت خواهد داشت. یکی از بهترین راه‌ها برای افزایش سرعت یک فضاپیما، کمک گرفتن از قلاب سنگ گرانشی است که به آن کمک گرانشی هم می‌گویند. برای نمونه، هنگامی که ویجر به سوی بیرون از سامانه‌ی خورشیدی می‌رفت، با گذشتن از کنار سیاره‌های مشتری و کیوان، کمک‌های گرانشی دریافت کرد و سرعتش را به‌اندازه‌ی کافی برای گریز از گرانش خورشید بالا برد.

این افزایش سرعت بهایی هم خواهد داشت چرا که یک داد و ستد تکانه رخ می‌دهد؛ مقدار ناچیزی از سرعت مداری سیاره کاسته می‌شود. اگر فرایند قلاب سنگ گرانشی را بارها و بارها، در حد میلیون‌ها بار پیرامون یک سیاره انجام دهید، سرانجام باعث خواهید شد که سرعت سیاره آنقدر کاهش یابد که به سوی خورشید کشیده شود و به آن برخورد کند. همچنین می‌توانید از فرایند قلاب سنگ گرانشی برای کاهش سرعت خود فضاپیما نیز بهره ببرید. در این صورت همه‌ی کارها باید وارونه انجام شود یعنی در جهتی مخالف جهت گردش سیاره به دور خورشید به آن نزدیک شوید. جابه‌جایی تکانه باعث کاهش چشمگیر سرعت فضاپیما خواهد شد، و به‌اندازه‌ی بسیار ناچیزی هم بر سرعت سیاره خواهد افزود. مارینر ۱۰ اولین فضاپیمایی بود که از این روش استفاده کرد. این فضاپیما با استفاده از کشش جاذبه‌ی زهره در سال ۱۹۷۴ به سمت عطارد پرتاب شد.آنچه گفته شد دربار‌ه‌ی یک سیاره‌ی ثابت و بی‌حرکت بود.

ولی اگر سیاره در حرکت باشد، سرعت نزدیک شدن و دور شدن جرم با هم تفاوت خواهد داشت. هر سیاره به هنگام گردش به دور خورشید دارای یک سرعت مداری است. زمانی‌که فضاپیما به سیاره نزدیک می‌شود، چون از سیاره سبک‌تر است به دام گرانش آن می‌افتد و وارد مدارش می‌شود. چیزی که باعث افزایش فوق‌العاده‌ی سرعت فضاپیما می‌شود، تکانه‌ی مداری (اندازه‌ی حرکت مداری) است که از سوی سیاره دریافت می‌کند. هر قدر فضاپیما بتواند به سیاره‌ نزدیک‌تر شود تکانه‌ی بیشتری دریافت می‌کند و سرعت دور شدنش از سیاره بیشتر خواهد بود. همچنین فضاپیما اگر بخواهد سرعتش از این هم بیشتر شود، می‌تواند در زمان نزدیک‌ترین فاصله از سیاره، موتورهایش را هم روشن کند. در این زمان سرعت بسیاری که در رویارویی با سیاره به دست آورده است کارایی موشک‌های فضاپیما را چند برابر خواهد کرد.

فضاپیمای مسنجر ناسا، دو بار از کنار زمین، دو بار از کنار ناهید گذشت و سه بار هم به دور خود سیاره‌ی عطارد چرخید تا بتواند سرعتش را به اندازه‌ی کافی کاهش دهد به‌گونه‌ای که بتواند در مدار گردش به دور این سیاره جای گیرد. اولیس، کاوشگر خورشیدی که در سال ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شد، از کمک گرانشی بهره برد تا بتواند مسیرش را به کلی تغییر دهد و وارد یک مدار قطبی شمالی-جنوبی به گرد خورشید شود. کاسینی هم با گذشتن از کنار ناهید، زمین و مشتری توانست وارد مسیری کارآمد برای رسیدن به زحل شود.

موتور یونی

یک فضاپیما درست مثل هر وسیله نقلیه‌ای برای حرکت نیازمند سیستم پیشرانش یا همان موتور است. مشخصا با موتورهایی که طراحی آن‌ها مربوط‌به بیش از نیم‌قرن پیش است، نمی‌توان یک فضاپیما با توانایی انجام سفرهای فضایی طولانی‌مدت به دوردست‌ترین نقاط فضای بیرونی ساخت. همین مسئله دلیلی بود که از مدت‌ها پیش دانشمندان و مهندسان فضایی به فکر اختراع موتورهایی با طراحی جدید و قابلیت‌های خاص افتادند. موتورهای متعارف شیمیایی یا راکتی، همان موتورهایی که مدت‌ها است در موشک‌ها و هواگردها به کار می‌روند، نمی‌توانند برای کاربردهای فضایی با اهداف بلندپروازانه، قابل اطمینان باشند.

اساس کار این موتورها سوزاندن سوخت و شتاب گرفتن در نتیجه‌ی خروج گازهای ناشی از سوخت است. درحالی که در ایده‌های جدید اساس کار کاملا متفاوت است. ناسا پروژه‌ای را به‌نام پیشرانه تکاملی زنون ناسا (NASA Evolutionary Xenon Thruster) راه‌اندازی کرده‌است. این پیشرانه‌ها توان الکتریکی خود را ازطریق پنل‌های خورشیدی یا منابع سوخت هسته‌ای تأمین می‌کنند. سپس این توان الکتریکی برای یونیزه کردن مولکول‌های درون محفظه پیشرانه استفاده می‌شوند. مولکول‌های یونیزه‌شده با حرکت به سوی قطب منفی پیشرانه شتاب می‌گیرند و وارد یک صفحه‌ی مشبک هدایت‌کننده می‌شوند و سپس از انتهای نازل خارج می‌شوند، در نتیجه نیروی پیشرانش را تولید می‌نمایند. سیستم موتور یونی از پنج قسمت اصلی تشکیل می‌شود: منبع تغذیه، واحد پردازش توان، سیستم مدیریت پیشرانه، واحد محاسبه و کنترل و رانش‌زای یونی.

منبع تغذیه این موتور می‌‌تواند هر منبع الکتریکی باشد، اما منابع خورشیدی و هسته‌ای انتخاب‌های اولیه و اصلی هستند. یک سیستم موتور الکتریکی خورشیدی از نور خورشید و سلول خورشیدی به‌عنوان مولد انرژی استفاده می‌کند. یک سیستم موتور یونی هسته‌ای از منبع گرمایی هسته‌ای به‌علاوه مولد الکتریکی استفاده می‌کند. واحد پردازش توان، توان الکتریکی تولیدشده توسط منبع تغذیه را به توان و انرژی مورد نیاز به هر جز رانش‌زای یونی منتقل می‌کند. این واحد، ولتاژ مورد نیاز را برای یون‌های آزادشده و تخلیه اتاقک رانش‌زا و همچنین جریان مورد نیاز برای کاتد، تأمین می‌کند. واحد مدیریت پیشرانه، پیشرانه‌ی جریان پیداکرده را از مخزن سوخت به محفظه رانش‌زا و همچنین الکترون خروجی از کاتد، کنترل می‌کند. سیستم کنترل عملکرد، سیستم اصلی را کنترل می‌کند و نمایش می‌دهد.

رانش‌زای یونی نیز از نیروی به‌وجود آمده و سوخت استفاده می‌کند و کار نهایی را برای به حرکت درآوردن انجام می‌دهد. در این نوع رانش‌زاها، سیال عامل که به‌عنوان سوخت به کار می‌رود ابتدا یونیزه می‌شود سپس با اعمال میدان الکتریکی شتاب می‌گیرد. عملکرد این رانش‌زا به این صورت است که ابتدا گاز عامل وارد محفظه می‌شود و از کنار آن الکترون هم به این محفظه پرتاب می‌شود. این رانش‌زاهای یونی از گازهای بی‌اثر برای سوخت استفاده می‌کنند تا از خطر انفجار مربوط‌به سوخت‌های شیمیایی جلوگیری شود. سوخت معمول، زنون است اما از گازهایی همچون کریپتون و آرگون نیز می‌توان استفاده کرد. توسط این بمباران الکترونی گازهای عامل یونیزه شده و دارای بار مثبت می‌شوند. این زنون‌های بار مثبت وقتی از محفظه خارج می‌شوند از یک شبکه‌ی میدان الکتریکی عبور می‌کنند که به‌دلیل جهت میدان، شتاب می‌گیرند.

کاربرد رانش‌زاهای یونی

• این رانش‌زاها را روی ماهواره‌ها نصب می‌کنند تا آن‌ها را روی مدار مورد نظر حفظ کند و هنگام کاهش ارتفاع با حرکت دادن ماهواره آن را به مدار اصلی برگرداند.
• برای سفرهای طولانی فضایی به مسافت‌های بسیار دور که نیاز به خروج آرام ولی پرانرژی سوخت وجود دارد می‌توان از این نوع رانش‌زاها استفاده کرد.
• در حال حاضر نیز ماهواره‌های کوچک را با موتور یونی به فضا می‌فرستند تا این فضاپیماها با رفتن به مسیر مداری ماهواره‌ها، پسماندهای فضایی را با خود بیاورد و هنگام باز ورود به جو بسوزند و نابود شوند.

موتور الکترومغناطیسی (EM Drive)

“EM Drive” یا رانشگر الکترومغناطیسی، نوع جدیدی از موتور راکت‌های فضایی است که اولین‌بار توسط دانشمند و مهندس برق انگلیسی تبار، راجر شایر (Roger Shawyer)  در سال ۱۹۹۹ ارائه شد. برخلاف موتورهای قدیمی، این موتور به هیچ سوختی برای پرتاب راکت نیاز ندارد (که در علم فیزیک این سوخت را جرم عکس‌العمل می‌نامند). ایده بدین گونه است که الکتریسیته تبدیل به امواج ماکروویو می‌شود و سپس فوتون‌های ماکروویو درون یک حفره‌ی فلزی به شکل مخروط ناقص شلیک می‌شود. فوتون‌ها وارد می‌شوند و به دیواره‌ها ضربه می‌زنند، بازتاب می‌شوند و باز هم ضربه‌ها تکرار می‌شوند. درنهایت در جهت سطح دایروی بزرگ مخروط نیروی پیشران ایجاد می‌شود که موجب شتاب گرفتن سطح کوچکتر مخروط در جهت مخالف می‌شود و حرکت می‌کند. چندین نفر EMDrive را آزمایش کرده‌اند و موفق به گرفتن نیروی پیش‌رانش از این موتور شده‌اند که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

• در سال ۲۰۰۱، شایر از دولت انگلستان ۴۵ هزار یورو بابت هزینه‌ی پژوهش دریافت کرد. آزمایش او ۰/۰۱۶ نیوتن نیرو ایجاد کرد و ۸۵۰ وات نیز توان ورودی لازم داشت، ولی هیچ سازمانی این آزمایش‌ را تأیید نکرد.
• در سال ۲۰۰۸، یانگ جوآن و تیمی از پژوهشگران چینی در دانشگاه پلی‌تکنیک نورث وسترن صحت تئوری مربوط‌به موتور حفره‌ای تشدیددار فرکانس رادیویی ( RF resonant cavity thruster) را بررسی کردند و درنهایت در سال ۲۰۱۰ مدل خود را ساختند و در طی سال‌های ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۴ به تست این مدل مشغول بودند. نتایج این آزمایش‌ها مثبت بود و موفق به گرفتن  ۷۵۰ میلی‌نیوتن نیرو شدند که برای راه‌اندازی ۲۵۰۰ وات قدرت لازم بود.
• در ۲۰۱۴، پژوهشگران ناسا، نسخه‌ای از EMDrive را ساختند که داخل آن کاملا خلا بود و ادعا کردند که نیرویی از این موتور گرفته‌اند (در حد یک‌هزارم نیرویی که شایر به‌دست آورده بود) ولی هیچ‌گاه مقاله‌ای از این تیم در مجلات معتبر انتشار نیافت.
• در ۲۰۱۵، همان گروه ناسا یک مدل شیمیایی از رانشگر مهندس Guido Fetta را به‌نام Cannae Drive که به Q-Drive نیز  معروف است، مورد آزمایش قرار داد و نیروی خالص مثبت گزارش کرد. همزمان، یک گروه پژوهشی در دانشگاه تکنولوژی Dresden این رانشگر را آزمایش کرد و به‌طور مشابه به نیروی مثبت دست یافتند.
• در اوخر سال ۲۰۱۵ تیم “Eagleworks NASA” آزمایش دیگری ترتیب داد که درستی عملکرد EMDrive را تأیید و اثبات کرد. در این آزمایش خطاهایی که در تست‌های پیشین وجود داشت، برطرف شدند و به‌طور شگفت‌آوری این محرک موفق به ایجاد نیرو شد. اما با این وجود این تیم هنوز دست‌آوردهای خود را اعلان نکرده‌اند. گمان می‌شود که خطاهای پیش‌بینی‌نشده‌ی دیگری این نیرو را به وجود آورده‌اند.

بسیاری از دانشمندان انجمن علمی بین‌المللی بر این باورند که احتمال کار کردن موتور الکترومغناطیسی صفر است. آن‌ها می‌گویند که بر طبق قانون بقای مومنتم یا اندازه حرکت، برای رسیدن به مومنتم در یک جهت، سوخت باید در جهت مخالف خارج شود و از آنجایی که EMDrive یک سیستم بسته بدون هیچ‌گونه سوختی است، فهم ما از فیزیک را زیر سؤال می‌برد. برخلاف اخبار نقض شدن قوانین فیزیکی توسط این موتور، شایر معتقد است مفاهیم فیزیکی پایه‌ای که در تئوری این موتور دخالت دارد از نظریات نسبیت انیشتین پیروی می‌کند.

درواقع EMDrive قانون بقای مومنتم و انرژی را ارضا می‌کند. بااین‌حال حتی دانشمندانی که کار کردن این رانشگر را باور دارند، دلایل شایر مبنی بر چگونگی حرکت این رانشگر را قبول نمی‌کنند. براساس فیزیک کلاسیک، این کار غیرممکن است زیرا قانون پایستگی تکانه را نقض می‌کند. براساس این قانون، اگر نیروی خارجی بر سیستم اعمال نشود، تکانه یک سیستم ثابت است به همین دلیل در موشکهای سنتی باید از رانشگر استفاده کرد. پژوهشگران انگلیسی، آمریکایی و چینی طی دهه‌های گذشته به نمایش EMDrive پرداخته‌اند، اما نتایج آن‌ها به‌دلیل اینکه هنوز کسی از چگونگی کارکرد آن‌ها اطمینان ندارد، بحث‌ برانگیز باقی مانده‌اند.

اکنون برخی معتقدند که ناسا یک EMDrive ساخته است که در شرایط مشابه فضا کار می‌کند. مفهوم موتور EMDrive نسبتا ساده بود و با بازتاب ریزموج‌ها در یک ظرف دربسته، نیروی پرتاب را به فضاپیما ارائه می‌کند. انرژی خورشیدی به ارائه‌ی الکتریسیته برای تأمین نیروی این ریزموج‌ها می‌پردازد، به این معنی که نیازی به رانشگر نخواهد بود. پیامدهای این روش می‌تواند بسیار بزرگ باشد. برای مثال، ماهواره‌های کنونی می‌توانند نصف اندازه امروزی ساخته شودن و نیازی به حمل سوخت نداشته باشند. همچنین انسان‌ها نیز می‌توانند به مسافت‌های دورتر در فضا سفر و نیروی محرکه خود را در راه تولید کنند.

پیشرانش گرماهسته‌ای

پیش‌ران‌های گرماهسته‌ی با هسته‌ی جامد که از هیدروژن مایع به‌عنوان پیش‌ران استفاده می‌کنند، می‌توانند به تکانه‌ی ویژه‌ای بین ۸۵۰ تا ۱۰۰۰ ثانیه دست پیدا کنند که دو برابر تکانه‌ی ویژه‌ی راکت‌های شیمیایی رایج است. در عین حال، مواد دیگری نظیر اکسیژن مایع و آمونیاک نیز به‌عنوان گزینه‌های دیگر جهت جایگزینی هیدروژن مایع پیشنهاد شده‌اند. همچنین، وزن پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای موجود نسبت به نیروی پیش‌ران تولیدشده توسط آن‌ها زیاد است. برای مثال، در پیش‌ران‌های شیمیایی، نسبت نیروی پیش‌رانش تولیدی به وزن پیش‌ران ۷۰ به ۱ و برای پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای این نسبت ۷ به ۱ است.

همان‌طور که می‌دانید، اکثر راکت‌های فضایی از چندین مرحله تشکیل شده‌اند. با تفاسیر بالا، راکت‌های شیمیایی برای استفاده در مرحله‌ی اول راکت‌ها و پرواز از سطح زمین مناسب‌تر هستند؛ اما پس از قرار گرفتن راکت در شرایط بی‌وزنی، کفه‌ی ترازو به نفع پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای سنگینی خواهد کرد. به همین دلیل، این پیش‌ران‌ها بیشتر برای استفاده در مراحل ثانویه‌ی راکت‌ها مناسب خواهند بود. در موشک‌های با نیروی پیشرانش گرماهسته‌ای، از واکنش‌ اورانیوم یا دوتریوم برای گرم کردن هیدروژن مایع درون رآکتور استفاده می‌شود.

هیدروژن مایع بر اثر دمای بسیار بالای ناشی از واکنش هسته‌ای به گاز هیدروژن یونیزه‌شده (پلاسما) تبدیل می‌شود و سپس ازطریق نازل موشک به بیرون هدایت شده و رانش تولید می‌کند. در راکت‌های گرماهسته‌ای، یک رآکتور هسته‌ای وظیفه‌ی تولید گرما را بر عهده دارد؛ ماده‌ای مانند هیدروژن مایع نیز همزمان به‌عنوان ماده‌ی پیش‌ران و خنک‌کننده‌ی رآکتور عمل می‌کند. با شروع شکافت هسته‌ای و گرم شدن رآکتور، هیدروژن مایع (یا هر ماده‌ی دیگری که نقش خنک‌کننده و پیش‌ران را برعهده دارد) به رآکتور وارد می‌شود؛ پس از خنک شدن راکتور، هیدروژن مایع که پس از جذب حرارت تولیدشده در راکتور به حالت گاز درمی‌آید، با سرعت از نازل تحتانی موشک خارج می‌شود. همانند گازهای خارج‌شده از نازل خروجی راکت‌های شیمیایی، هیدروژن خارج‌شده از نازل موشک‌های گرماهسته‌ای نیز موجب پیش‌رانش موشک می‌شود. تاکنون چهار طرح برای پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای ارائه‌ شده است. از میان طرح‌های ارائه‌شده، تنها پیش‌ران‌های هسته‌ای با هسته‌ی جامد به مرحله‌ی ساخت و آزمایش رسیده‌اند و باقی طرح‌ها مانند پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی مایع و گازی صرفا در حد ایده باقی مانده‌اند و با چالش‌های نظری و عملی فراوانی روبه‌رو هستند.

پیشرانش پالس هسته‌ای

فرایند کلی کارکرد پیش‌رانش پالس هسته‌ای به‌حدی ساده‌ است که برخی دانشمندان از این ایده به‌عنوان حل کردن مشکلات علمی با چکش یاد می‌کنند. در انتهای جنگ جهانی دوم، مردم به چشمان خود دیدند که بمب‌های اتمی چه قدرت ویرانگری دارند؛ اما برخی از دانشمندان در اندیشه‌ی کنترل این قدرت عظیم و استفاده از آن برای برخی کاربردهای نوین بودند. یکی از این کاربردها استفاده از بمب‌های هسته‌ای برای ساخت سفینه‌های فضایی بود که امکان سفرهای بین‌سیاره‌ای را فراهم می‌کردند. در پیش‌رانش پالس هسته‌ای، سفینه‌ی فضایی تعداد زیادی بمب‌های هسته‌ای کوچک را با خود حمل می‌کند.

در قسمت تحتانی سفینه، صفحه‌ای مقاوم به‌نام صفحه‌ی فشار وجود خواهد داشت و این صفحه نیز دارای خروجی کوچکی برای رهاسازی بمب‌های کوچک خواهد بود. در فواصل زمانی مشخص، این بمب‌های کوچک از انتهای سفینه خارج و منهدم می‌شوند؛ در نتیجه‌ی انفجار، ماده‌ی پیشران به شکل پلاسما با سرعت بالایی به سمت صفحه‌ی فشار حرکت می‌کند و موجب حرکت سفینه به سمت جلو می‌شود. در دوره‌ی طراحی اوراین، دانشمندان با مشکلات مختلفی روبه‌رو می‌شدند؛ هرچند که برای هر مشکل راه‌چاره‌ای اندیشیده شد.

یکی از مشکلات اصلی مرتبط با اوراین، بازده پایین این کشتی‌های فضایی بود. به این دلیل که انفجارهای هسته‌ای خارج از بدنه‌ی اوراین و در محیطی باز انجام می‌شد؛ بخش قابل توجهی از انرژی تولید شده هدر می‌رفت و تنها کسری از آن صرف پیش‌رانش می‌شد. بنابراین ساخت چنین سفینه‌ای حتی در سبک‌ترین حالت ممکن هم بسیار گران‌قیمت خواهد بود. همچنین مشکل تشعشع‌ها و زباله‌های اتمی را هم نباید فراموش کرد. انفجارها در سطح زمین یا نزدیکی آن با بارش رادیواکتیو قابل‌توجهی همراه بود. برای حل این مشکل، پیشنهاد شده بود تا از راکت‌های حامل نظیر ساترن ۵ یا راکت‌هایی بزرگتر برای رساندن اوراین به ارتفاع اولیه استفاده شوند؛ اما محدودیت بودن وزنِ محموله‌ی این راکت‌ها با مزیت اصلی پیش‌رانش پالس هسته‌ای، یعنی حمل محموله‌های بزرگ در تناقض بود.

رمجت بوسارد

یک تکنولوژی آینده‌گرایانه‌ی دیگر رم‌جت بوسارد (Bussard ramjet) است. ایده‌ی این نوع فضاپیما را فیزیک‌دانی به نام رابرت بوسارد در سال ۱۹۶۰ مطرح کرد. این نوع رم‌جت از نیروی الکترومغناطیسی استفاده می‌کند تا در طول سفر، هیدروژن مورد نیازش را جمع‌آوری کند. سپس هیدروژن را برای همجوشی هسته‌ای به اندازه‌ی کافی فشرده می‌کند و در نتیجه‌ی آن نیروی محرکه‌ی لازم برای حرکت فضاپیما فراهم می‌شود. نویسندگان داستان‌های علمی تخیلی علاقه‌ی زیادی به تئوری رم‌جت بوسارد دارند چون سوخت‌ آن‌ها هیچ‌وقت تمام نمی‌شود و در حین حرکت آن را برداشت می‌کنند.

در موشک همجوشی با استفاده از میدان مغناطیسی، سوخت هیدروژن آنقدر فشرده می‌شود تا همجوشی هسته‌ای رخ دهد. اما در رمجت یک قیف عظیم الکترومغناطیسی هیدروژن را از فضای بین‌ستاره‌ای جمع‌آوری و آن را به‌عنوان سوخت به رآکتور تزریق می‌کند. باتوجه‌به نبود محفظه‌ی سوخت و در نتیجه وزن پایین فضاپیما در این طرح، رمجت می‌تواند به سرعتی برابر ۴ درصد سرعت نور دست پیدا و به هر نقطه‌ای از کهکشان سفر کند.

پیشرانش همجوشی هسته‌ای

روش‌های عادی ایجاد سیستم پیشران مثل تکنولوژی‌های شیمیایی، خورشیدی-الکتریکی و هسته‌ای‌-حرارتی هیچ‌وقت نمی‌توانند به سرعت لازم برای سفرهای بین‌ستاره‌ای دست یابند. اما روش‌های دیگری هم برای تأمین انرژی هست که ناسا می‌تواند روی آن‌ها کار کند که از میان آن‌ها می‌توانیم به سیستم پیشران هم‌جوشی هسته‌ای اشاره کنیم. گداخت هسته‌ای دقیقا همان اتفاقی است که در خورشید رخ می‌دهد و انرژی آن را فراهم می‌کند. گداخت هسته‌ای عملی برعکس شکافت هسته‌ای است.

در شکافت هسته‌ای با شکاندن اتم‌های سنگین همچون اورانیوم و پلوتونیوم به اتم‌های سبک‌تر مانند باریم و کریپتون، به حجم بالایی از انرژی دست پیدا می‌کنیم. اما در گداخت هسته‌ای کاری کاملا برعکس انجام می‌دهیم و با داغ کردن اتم‌های گازی کاری می‌کنیم که اتم‌های سبک مثل ایزوتوپ‌های تریتیوم و دوتریوم، از هم بپاشند و تبدیل به الکترون و یون شوند. سپس بر اثر افزایش دما، یون‌ها بر نیروی دافعه بین خود غلبه می‌کنند و با یکدیگر همجوش می‌شوند یا به عبارتی باهم ترکیب و به یک اتم سنگین‌تر همچون هلیوم تبدیل می‌شوند.

این پروژه باتوجه‌به تکنولوژی آن زمان از خیلی جهات غیر عملی ارزیابی شد. بسیاری از دلایل غیر عملی بودن این پروژه هنوز هم صادق هستند. برای مثال هلیوم ۳ روی زمین بسیار کمیاب است و باید از ماه استخراج شود. به‌علاوه، باتوجه‌به تکنولوژی فعلی، انرژی‌ که برای روشن کردن رآکتور همجوشی نیاز است، از انرژی تولیدشده توسط آن بیشتر است. هرچند دانشمندان در آزمایش‌های جدید روی زمین به حالتی که انرژی تولیدی و مصرفی رآکتور برابر باشد دست پیدا کرده‌اند، اما هنوز راه زیادی تا استفاده از رآکتور همجوشی در سفرهای بین ستاره‌ای وجود دارد.

شرکت پرینستون ستلایت سیستمز (Princeton Satellite Systems ) که توسط ناسا تأسیس شده است، ساخت راکت‌هایی با بهره بردن از راکتورهای هم‌جوشی هسته‌ای را پیشنهاد داده است. به‌گفته‌ی مایکل پالوشِک، رئیس شرکت پرینستون ستلایت سیستمز، این تکنولوژی امکان انجام مأموریت‌های جدید و هیجان‌انگیز علمی را فراهم می‌کند که با وجود تکنولوژی‌های امروزی بسیار پرهزینه و دشوارند. سیستم‌های شرکت پرینستون از نوعی انرژی هسته‌ای بهره می‌برند که از گرم کردن ترکیب دوتریوم و هلیم ۳ به همراه امواج رادیویی با فرکانس کم به دست می‌آید. درحالی‌که ساخت این سیستم برای پروژه‌های بزرگ‌تر بسیار پرهزینه است، اما برای ساخت راکت‌های کوچک، تنها حدود ۲۰ میلیون دلار هزینه در بر خواهد داشت. این راکت‌های هم‌جوشی هسته‌ای، ۱.۵ متر قطر و بین ۴ تا ۸ متر طول خواهند داشت.

موشک‌های پادماده

پادماده، ماده‌ای است که بار الکتریکی آن معکوس می‌شود. ضدالکترون‌ها که پوزیترون، نامیده می‌شوند، شبیه یک الکترونند اما با بار مثبت. ضدپروتون‌ها شبیه به پروتون‌ها هستند اما با بار منفی. پوزیترون‌ها، ضدپروتون‌ها و ضدذره‌های دیگر را معمولا می‌توان در آزمایشگاه شتاب‌دهنده‌ی ذرات، مانند سرن اروپا ایجاد کرد و حتی می‌توان آن‌ها را برای روزها یا هفته‌ها ذخیره کرد. همچنین ضدماده ضد نیروی جاذبه نیست. نظریه‌ای که در حال حاضر در این زمینه وجود دارد این است که گرانش همان‌طور که در مورد ماده عادی رفتار می‌کند در رابطه با ضدماده هم همان گونه رفتار می‌کند.

البته این نظریه به‌صورت تجربی تأیید نشده است. به‌طور خلاصه، موتور پادماده با برخورد دادن هیدروژن و پادهیدروژن کار می‌کند. واکنش بین این دو ذره انرژی‌ برابر با بمب اتمی و همچنین بارشی از ذرات با نام پیون و میون ایجاد می‌کند. این ذرات که سرعتی برابر با یک سوم سرعت نور دارند، ازطریق نازل الکترومغناطیسی به بیرون هدایت می‌شوند تا رانش ایجاد کنند. مزیت بزرگ این نوع موشک‌ها این است که بخش بزرگی از ماده در آن به انرژی تبدیل می‌شود و بنابراین موشک‌های پادماده چگالی انرژی بسیار بالاتری نسبت به دیگر انواع موشک دارند.

بادبان خورشیدی

بادبان خورشیدی که با نام‌های دیگری نظیر بادبان نوری و بادبان فوتونی نیز شناخته می‌شود، گونه‌ای از نیروی پیشرانش فضاپیما است که برای حرکت، از نوری که توسط خورشید به آینه‌های بزرگ فضاپیما تابیده می‌شوند، استفاده می‌کند. یک قایق بادبانی را در نظر بگیرید. این قایق، نیروی پیشران خود را به‌وسیله‌ی باد تأمین می‌کند؛ یعنی به‌علت برخورد جریان هوا با سرعت بالا به بادبان‌ها، نیروی پیشران ایجاد می‌شود و قایق حرکت می‌کند. بادبان نوری نیز دقیقاً به همین شکل عمل می‌کند با این تفاوت که نور تابیده شده به آینه‌هایی که همچون بادبان قایق هستند، نقش همان جریان هوا را ایفا می‌کند و باعث به حرکت درآمدن فضاپیما می‌شود.

به‌جای نور خورشید، می‌توان از پرتوهای پرانرژی لیزر نیز برای تولید نیرویی به مراتب قدرتمندتر استفاده کرد. این پرتوها در مقایسه با پرتوهای خورشید، دارای انرژی بیشتری هستند و نیروی پیشران بیشتری را ایجاد می‌کنند و همین موضوع باعث می‌شود که فضاپیما با سرعت بیشتری حرکت کند. دانشمندان می‌خواهند طی ماموریتی با کمک سفینه‌ای فضایی که دارای بادبان خورشیدی است در طول سفری ۲۰ ساله به آلفا قنطورس و طی ۶۹ سال به نورانی‌ترین ستاره به نام شباهنگ بروند. اگر شما در حال فرستادن یک نانوفضاپیما هستید که انرژی آن از فوتون‌هایی تأمین می‌شود که در میان کهکشان قرار گرفته‌اند و این فوتون‌ها در کسری از سرعت نور و نه کمتر حرکت می‌کنند، بهتر است ایده‌ی خوبی درباره چگونه آهسته کردن این فضاپیما زمانی‌که به مقصد نهایی خود می‌رسد، داشته باشید. همه‌ی ما می‌دانیم که یک فوتون، هیچ وزنی ندارد؛ پس چگونه می‌تواند یک بادبان نوری را به سمت جلو حرکت دهد؟ اصلاً چگونه ممکن است که یک چیز بی‌وزن، تکانه را منتقل کند؟

ماشین وارپ

ماشین وارپ یا موتور وراپ (Warp drive)، می‌تواند یک سفینه‌ی فضایی به‌شکل زمین فوتبال را با سرعتی بیشتر از سرعت نور منتقل کند. تکنولوژی ماشین وارپ، نوعی تکنولوژی است که سرعت حرکتش بیشتر از نور، است. یک پیچ و تاب‌دهنده‌ی فضا یا ماشین وارپ بر پایه‌ی این اصل کار می‌کند که شما می‌توانید در هر سرعتی فضا را منبسط و منقبض کنید. وایپ درایو، اولین‌بار به‌وسیله‌ی میگوئل آلکوبیر فیزیکدان مکزیکی در سال ۱۹۹۴ پیشنهاد شد. ماشین وارپ توپولوژی فضا را تغییر نمی‌دهد و به ابرفضا وارد نمی‌شود، این ماشین فضای مقابل شما را منقبض می‌کند و فضای پشت سر شما را گسترش می‌دهد.

استوانه‌ی اونیل؛ پایه‌گذاری تمدن انسانی در فضا

شاید نخستین جایگاهی که بتوانیم به آن نگاهی بیاندازیم مدار زمین باشد. جایی که تجربه‌ای طولانی برای اقامت در آن داریم. از اولین روزهای عصر فضا، ما پایگاه‌های کوچکی در مدار زمین ساختیم و درنهایت، اکنون به پروژه‌ی ایستگاه بین‌المللی فضایی رسیده‌ایم. آزمایشگاهی مداری که تنها ۳۷۰ کیلومتر از سطح زمین فاصله دارد و میزبان چند فضانورد است که طولانی‌ترین مدت اقامتشان در این ایستگاه به یک سال می‌رسد. این ایستگاه در شرایط فعلی، عمری محدود دارد و برای تأمین مواد لازم برای بقای خود و دفع ضایعاتش، وابسته به زمین است.

اگر قرار باشد روزی بخشی از مردم به مدار زمین مهاجرت کنند به فکر ایستگاه نباشید؛ ما باید شهرهایی در مدار زمین بسازیم. ایده ساخت چنین شهرک‌هایی باید فراتر از ساختار ایستگاه‌ها، حتی هتل‌های فضایی باشد که همین الان درباره‌اش بحث می‌شود. یکی از نیازهای چنین ساختاری، احتمالا تأمین گرانش مصنوعی آن است. ایستگاه‌های که کمک می‌کنند کمی از تاثیرات عدم حضور گرانش کاسته شود. اما در بهترین شرایط، باز همچنین سازه‌ی مستقلی نمی‌تواند از تعدا بالایی از جمعیت پشتیبانی کند.

برای اینکه افراد زیادی از مردم را برای زندگی در چنین ساختاری جای دهیم، به‌طوری که هم بخشی از منابع را تأمین کنیم و هم از زمین به‌عنوان نوعی حامی حیات بهره ببریم، ایده‌ای وجود دارد که آرتورسی کلارک، ایده‌پرداز و نویسنده‌ی تخیلی برجسته و آینده‌نگر بزرگ دوران ما، در آخرین قسمت از مجموعه اودیسه خود به نام «۳۰۰۱: اودیسه نهایی» ترسیمش کرده است. به جهانی فکر کنید که در آن، ما توانسته‌ایم در آن آسانسورهای فضایی بسازیم. پایه‌های اصلی این آسانسورها، در نقاط مختلف روی استوای زمین قرار دارند، و در قالب برج‌هایی عظیم تا مدار زمین ثابت، ادامه یافته‌اند.

این آسانسورها در مدار کلارک یا زمین ثابت، به‌جای اتصال به پایگاهی کوچک، به بخشی از یک سازه‌ی عظیم وصل می‌شوند که به شکل ابرحلقه‌ای غول‌آسا زمین را دربر گرفته است. در طبقات بی‌شمار این برج‌ها، کارخانه‌های تولید غذا و انرژی و بازیافت و در طبقات متعدد حلقه مصنوعی زمین، زیستگاه کنترل شده‌ای برای انسان‌های آینده قرار دارد. آن‌ها در حالی نزدیک زمین فرسوده هستند، که به حیاتشان در فضا ادامه می‌دهند و همزمان از منابع زمین و منابع فضایی به‌خصوص منابع سیارک‌ها و سیاره‌ها و اقمار استفاده می‌کنند.

جرارد کیچن اونیل (Gerard Kitchen ONeill)، فیزیکدان و فعال در زمینه هوافضا بود. اونیل به‌عنوان عضوی از هیئت علمی دانشگاه پرینستون، وسیله‌ای را به نام حلقه‌ی ذخیره‌سازی ذره برای آزمایش‌های فیزیکی با انرژی بالا، اختراع کرد. بعدها، او پرتاب‌کننده‌ی مغناطیسی را که نامش محرک جرم بود، اختراع کرد. در سال ۱۹۷۰، طرحی را برای ساختن شهرک‌های انسانی در فضا که شامل طراحی محل سکونت نیز می‌شد و به سیلندر اونیل معروف است، ارائه داد. وی مؤسسه‌ی مطالعات فضایی را تأسیس کرد. این مؤسسه بودجه‌ی خود را به پژوهش درباره ساخت لوازم فضایی و مهاجرت به فضا اختصاص داده بود. جرارد اونیل روزگاری به برنامه‌ی فضایی آپولو علاقمند بود و حتی به‌عنوان فضانورد برای مشارکت در این پروژه نیز درخواست داده بود.

گرچه او به این هدف دست نیافت اما از پژوهش در علوم فضایی دست بر نداشت. او در سمیناری که در سال ۱۹۶۹ در دانشگاه برگزار کرد بذر اولیه‌ی ایده‌ی هدف از سفرهای فضایی را در کلاس با دانشجویانش طرح کرد و پرسید: آیا سطح یک سیاره به راستی بهترین گزینه برای یک تمدن با تکنولوژی بسط‌یابنده است؟ اگر سطح سیاره‌های جایگزین زمین؛ گزینه مناسبی برای انتقال تمدن زمینی نباشد؛ پس کجا باید کلونی  انسانی را پایه‌گذاری کرد؟ در یک سازه‌ی مصنوعی عظیم؛ چگونه و به چه‌صورت می‌توان شرایط زندگی تمدن بشری را در چنین سازه‌ای فراهم کرد؟  آسانسور فضایی وسیله‌ای خیالی است که برای انتقال ماده از سطح یک جرم آسمانی به فضا طراحی شده‌ است. برای این وسیله طرح‌های بسیاری تصور شده است که همه‌ی آن‌ها شامل مسافرت به فضا ازطریق حرکت در امتداد ساختاری ثابت به‌ جای استفاده از موشک‌های فضایی است.

طرح کلی این وسیله اغلب به سازه‌ای مربوط می‌شود که از روی سطح زمین، در نزدیکی یا روی استوا، تا مدار پیرامون زمین و فضای بی‌وزنی امتداد داشته باشد. ایده‌ی آسانسور فضایی نخستین بار توسط کنستانتین تسیولکوفسکی در سال ۱۸۹۵ مطرح شد، زمانی‌که او صحبت از ماشینی تخیلی به اسم «برج تسیولکوفسکی» کرد که از سطح زمین تا مدار زمین امتداد داشت. ایده‌هایی که اخیرا درباره این طرح مطرح می‌شود بیشتر بر وجود سازه‌ای دارای قابلیت انبساط (برای نمونه یک ریسمان دارای قابلیت انعطاف) تاکید می‌شود که از مدار زمین تا سطح آن کشیده شده باشد. این سازه، به همان شکلی که تارهای یک گیتار کشیده شده‌اند و محکم‌اند، بین زمین و فضا امتداد پیدا می‌کند. به آسانسور فضایی گاهی اسامی دیگری مانند پل فضایی، بالابر فضایی، نربان فضایی، قلاب آسمان، برج مداری و آسانسور مداری نیز نسبت داده می‌شود. جرارد اونیل در سال ۱۹۷۰ با نوشتن مقاله‌ای با عنوان کلونی انسانی در فضا نتایج پژوهش خود را منتشر کرد.

اگرچه چند سالی طول کشید تا مقاله او در یک ژورنال تخصصی منتشر شود. او سه طرح پایه‌ای معرفی کرد که به جزیره معروف شدند. جزیره‌ی ۱ شامل یک گوی چرخان با قطر ۵۱۲ متر بود که مردم در ناحیه‌ی استوایی آن زندگی کنند؛ جایی که نیروی حاصل از چرخش کره، گرانش زمین را شبیه‌سازی کند. جزیره‌ی ۲ با قطر ۱۶۰۰ متر دوبرابر جزیره‌ی ۱ است؛ چیزی که امروزه به سیلندر اونیل مشهور است. اما جزیره‌ی ۳، دو سیلندر بزرگ با قطر هر کدام ۸ کیلومتر و طول ۳۲ کیلومتر است. برای شبیه‌سازی گرانش زمین این سیلندر باید ۲۸ بار در ساعت حول محور خود بچرخد.

داخل سیلندر نیز هوایی با، نصف فشار هوای دریای آزاد بر سطح زمین پر شده است. سازگاری با این شرایط در آغاز برای ساکنان این خانه‌ی جدید بسیار سخت خواهد بود اما همه به تدریج به آن عادت خواهند کرد. دلیل تنظیم فشار داخل سیلندر با این فشار هوا این است که در ضخامت جداره‌ی سیلندر با این روش کاهش می‌یابد. همچنین این میزان هوا برای محافظت ساکنان سیلندر از تشعشعات کیهانی کافی است. نور لازم سیلندر از انعکاس نور بیرون توسط آینه‌های بزرگ تأمین و شب و روز نیز با تنظیم آینه‌ها به‌صورت مصنوعی شبیه‌سازی می‌شود.

پیش از هر چیز فراموش نکنیم سیلندر اونیل قرار نیست مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی به دور زمین در گردش باشد. جو رقیق اطراف زمین؛ حرکت و موقعیت سیلندر را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد و برای تصحیح موقعیت سیلندر باید انرژی صرف کرد. پایدار‌ترین نقاط برای استقرار این خانه‌ی جدید انسان جایی است که از دید اونیل نقاط لاگرانژ نامیده می‌شود. L۴ و L۵ در مدار ماه به دور زمین دقیقا جایی است که می‌توان تمدن جدید انسانی را در آن پایه‌گذاری کرد. مسئله‌ی مهم در طرح اونیل؛ تأمین ماده‌ی مورد نیاز برای بنای این سازه‌ی عظیم در فضا بود. پرسش اینجا است این حجم عظیم از ماده چگونه می‌تواند به فضا منتقل شود؟ اونیل پیشنهاد کرد که این ماده‌ی خام را می‌توان از ماه به‌دست آورد. به نظر اونیل به‌دلیل نیروی گرانش پایین ماه (در مقایسه با زمین) می‌توان ابتدا در ماه تاسیساتی به راه انداخت و از آنجا مواد خام اولیه را به L۴ و L۵ فرستاد. اونیل حتی در پایان دهه‌ی ۷۰ میلادی پروتوتایپ اولیه این طرح را نیز توسعه داد و معرفی کرد. او حتی قصد داشت طرح خود را به‌گونه‌ای توسعه دهد که برای انتقال ماده به فضا نیازی به صرف هزینه‌های بالا برای ساخت موشک نباشد.

اونیل در سال ۱۹۹۲ درگذشت؛ بدون اینکه پژوهش‌های ایده‌های بلندپروازانه‌اش را به چشم ببیند. سیلندر اونیل طرحی است که برای آیندگان نوشته شده است و لااقل نیاز بشر امروز نیست. انسان امروز به‌رغم آنکه با تمام قوا به نابودی منابع زمین مشغول است اما هرگز این نیاز را حس نکرده است که باید به‌زودی به فکر ترک زمین و پایه‌گذاری یک خانه جدید در فضا باشد. شاید آنچه که فیزیکدان اونیل مطرح کرده بود و به نظر ایده‌ای فانتزی می‌رسید روزی نیاز اساسی بشری باشد و آیندگان مجبور شوند، طرح او را از صندوقچه‌ی تاریخ بیرون بکشند و با جدیت آن را توسعه دهند و اجرایی کنند. ایده‌ی فوق‌العاده درخشانی که متاسفانه در چشم انداز کوتاه‌مدت نمی‌گنجد.

تمدن نوع یک

میچیوکاکو در کتاب جهان‌های موازی از ۴ نوع تمدن صحبت می‌کند. گاهی اوقات دانشمندان برای به تصویر کشیدن فناوری‌های آینده، تمدن‌های هزاران تا میلیون‌ها سال پس از ما را براساس مصرف انرژی و قوانین ترمودینامیک تقسیم‌بندی می‌کنند. فیزیکدانان برای یافتن نشانه‌هایی از حیات هوشمند، به‌دنبال مردان سبز رنگ نیستند، بلکه در جستجوی تمدن‌هایی با انرژی‌های خروجی نوع ۱، ۲ و ۳ هستند. این طبقه‌بندی در دهه‌ی ۱۹۶۰ به‌وسیله‌ی فیزیکدان روسی، نیکولای کارداشف با طبقه‌بندی علایم رادیویی تمدن‌های ممکن ارائه شد.

گذار از تمدن نوع صفر به نوع یک بسیار خطرناک است. زیرا ما هنوز وحشیگری ناشی از دوره‌ی جنگل را با خود همراه داریم. از برخی جهات پیشرفت تمدن ما در حقیقت مسابقه با زمان است. از یک طرف حرکت به‌سوی تمدن نوع یک ممکن است به ما نوید دوره‌ای بی‌مانند از شکوفایی و صلح را بدهد. از طرف دیگر، نیروهای آنتروپی ممکن است منجر به نابودی ما شود. شاید در فضا تمدن‌های پیشرفته فراوانی وجود داشته باشد اما آن‌ها علاقه کمی به جامعه ابتدایی نوع ۰٫۷ ما نشان می‌دهند. شاید آن‌ها به‌دلیل جنگ و دستیابی به تمدن نوع یک از بین رفته و مرده‌اند. به‌طور کلی تمدن نوع یک، تمدنی است که از انرژی ستاره‌ای استفاده می‌کند. مصرف انرژی این نوع تمدن را می‌توان به دقت اندازه‌گیری کرد.

آن‌ها قادر هستند انرژی دریافتی از ستاره‌ی خود را، یعنی ۱۶^۱۰ وات، مورد استفاده قرار دهند. با استفاده از این انرژی ستاره‌ای احتمالا قادر هستند وضعیت آب‌و‌هوا را کنترل کنند، بهبود ببخشند، مسیر حرکت توفان‌ها را تغییر دهند یا شهرهایی را روی اقیانوس بنا کنند. در آینده با کاهش هزینه‌های سفر فضایی ممکن است روزی شاهد ساخت مجتمع‌های فضایی روی سطح مریخ باشیم. در این زمان برخی دانشمندان مکانیزم‌های مبتکرانه‌ای را پیشنهاد کرده‌اند تا مریخ را هرچه بیشتر به زمین شبیه سازند. مثلا ازطریق منحرف کردن یک دنباله‌دار و تبخیر شدن آن در اتمسفر مریخ، می‌توان به جو مریخ آب اضافه کرد. برخی دیگر طرحی را پیشنهاد کرده‌اند که در آن گاز متان را به اتمسفر مریخ تزریق می‌شود تا یک اثر گلخانه‌ای مصنوعی روی سطح سیاره‌ی سرخ ایجاد کنند.

به این ترتیب دما بالا می‌رود و لایه‌ی یخی زیر سطح مریخ آب می‌شود و برای اولین‌بار پس از میلیاردها سال دریاچه ها پرآب و بر سطح آن آب جاری می‌شود. برخی دیگر تدابیر شدیدتر و خطرناکتری را اندیشیده‌اند، مثل انفجار یک کلاهک هسته‌ای (پیشنهاد ایلان ماسک) زیر سطح یخ برای آب کردن آن، که می‌تواند خطراتی را برای ساکنین آینده مجتمع‌های فضایی ایجاد کند. به احتمال زیاد تمدن نوع یک، ساخت مجتمع‌های فضایی را در اولویت خود قرار خواهد داد. اما برای مأموریت‌های دوردست بین‌سیاره‌ای، تهیه یک موتور خورشیدی یا یونی احتمالا شکل جدیدی از نیروی محرکه برای سفر بین ستارگان خواهد بود.

سرانجام تمدن نوع یک ممکن است ردیاب‌های آزمایشگاهی را به ستارگان نزدیک بفرستد، اگر بخواهد به فواصل دورتر در حدود صدها سال نوری دست یابند، مجبور خواهند بود شکل‌های دیگری از نیروی محرکه را بیابند. یک راه‌حل می‌تواند ساخت یک رم‌جت هسته‌ای باشد، موشکی که هیدروژن را از فضای بین‌ستاره‌ای استخراج کند و با همجوشی هسته‌ای از آن انرژی گیرد. به این ترتیب مقدار نامحدودی انرژی در طول فرایند آزاد می‌شود. در بهترین حالت این فناوری در یک قرن آینده قابل دسترسی است.

تمدن نوع دو

تمدن نوع دو، انرژی سیاره‌ای را به‌طور کامل مصرف می‌کند و انرژی ستاره کاملی را، تقریبا در حدود ۲۶^۱۰ وات، به کنترل خود در آورده است. آن‌ها قادر هستند تمام انرژی خارج‌شده از ستاره‌ی خود را مصرف کنند. همچنین ممکن است بتوانند با تحت کنترل در آوردن شعله‌های خورشیدی، ستارگان دیگر را نیز مشتعل کنند. تمدن نوع دو که قادر به برداشت انرژی یک ستاره‌ی کامل است، باید شبیه اتحادیه سیارات پیشتازان فضا باشد، البته بدون ماشین وارپ. آن‌ها بخش کوچکی از کهکشان راه‌شیری را تحت تسلط خود در می‌آورند و می‌توانند ستارگان را شعله‌ور سازند. به این ترتیب در وضعیت تمدن نوع دو قرار می‌گیرند.

فریمن دیسون اینگونه تصور کرده است که تمدن نوع دو برای استفاده کامل انرژی خروجی خورشید، می‌تواند کره‌ای عظیم به دور خورشید بسازد تا پرتوهای آن را به‌طور کامل جذب کند. به‌عنوان مثال این تمدن ممکن است سیاره‌ای در ابعاد مشتری بسازد و جرم آن را در کره‌ای دور خورشید توزیع کند. براساس قانون دوم ترمودینامیک، کره درنهایت گرم می‌شود و از خود، تابش فروسرخ معینی گسیل خواهد کرد که در فضا قابل رویت است. جان جاگاکو، از انیستیوی پژوهش‌های تمدن در ژاپن، و همکارانش آسمان‌ها را تا فاصله‌ی ۸۰ سال نوری جست‌وجو کرده‌اند تا چنین تمدن‌هایی را بیابند و تاکنون هیچ شاهدی دلیل بر وجود این تابش‌های فروسرخ نیافته‌اند.

تمدن نوع دو، ممکن است برخی از سیارات منظومه‌ی شمسی خود را تحت تسلط در بیاورد و حتی سفرهای بین‌ستاره‌ای را شروع کرده باشد. به‌دلیل منابع گسترده‌ای که در دسترس تمدن نوع دو قرار دارد، احتمال دارد که آن‌ها بتوانند شکل‌های عجیبی از نیروی محرکه را مثل پیشرانه‌ی ضدماده-ماده برای سفینه‌های فضایی خود تهیه کنند تا سفرهای نزدیک به سرعت نور را امکان‌پذیر سازند. در اصل این شکل از انرژی بازده ۱۰۰ درصد دارد. این نیز از نظر آزمایشگاهی امکان‌پذیر است ولی برای تمدن نوع یک بسیار پرهزینه و گران‌قیمت است.

ما تنها می‌توانیم در مورد چگونگی عملکرد تمدن نوع دو خیال‌پردازی کنیم. بااین‌حال هزاران سال زمان لازم است تا بتوانیم اختلافات موجود بر سر دارایی‌ها، منابع و انرژی را طبقه‌بندی کنیم. تمدن نوع دو احتمالا جاودانه است. به احتمال زیاد هیچ چیز شناخته‌شده‌ای از نظر علم نمی‌تواند چنین تمدنی را از بین ببرد، مگر با حماقت خود ساکنین آن. شهاب‌سنگ‌ها و دنباله‌دارها را می‌توان منحرف کرد، عصر یخبندان را می‌توان با تغییر الگوهای آب و هوایی به تعویق انداخت و حتی تهدید ناشی از یک انفجار ابرنواختری نزدیک را می‌توان تنها ازطریق ترک سیاره و منتقل کردن تمدن از سر راه برداشت.

تمدن نوع سه

تمدن نوع سه، انرژی کامل منظومه‌ی شمسی را به اتمام می‌رساند و بخش‌های بزرگی از کهکشان را تحت کنترل خود در می‌آورد. چنین تمدنی قادر است انرژی ۱۰ میلیارد ستاره، یعنی در حدود ۳۶^۱۰ وات را مورد استفاده قرار دهد. زمانی‌که جامعه به تمدن نوع سوم دست می‌یابد، به انرژی‌های خارق‌العاده‌ای می‌اندیشد که در آن فضا و زمان، ناپایدار می‌شوند. می‌دانید در انرژی پلانک اثرات کوانتمی حاکم هستند و فضا-زمان پر از حباب‌ها و کرمچاله‌های کوچک است. به‌دلیل اینکه ما از دیدگاه تمدن نوع ۰٫۷ به مسئله انرژی می‌نگریم، در حال حاضر انرژی پلانک بسیار فراتر از دسترس ما است.

در حالی‌که تمدن نوع سه، به انرژی‌هایی دسترسی پیدا می‌کنند که ۱۰ میلیارد برابر انرژی‌هایی هستند که امروزه روی کره‌ی زمین یافت می‌شوند. دانشمندان تلاش‌های جدیدی انجام داده‌اند تا بتوانند تابش‌های رادیویی ناشی از تمدن نوع سه را در کهکشان ما آشکار کنند. تلسکوپ بزرگ رادیویی آرسیبو در پورتوریکو بخش اعظم کهکشان را به‌دنبال تابش‌های رادیویی با فرکانس ۱/۴۲ گیگاهرتز، یعنی نزدیک به خط تابش گاز هیدروژن، پوشش داده است. هیچگونه مدرکی دال بر وجود تابش‌های رادیویی در باند انرژی ۱۸^۱۰ تا ۳۰^۱۰ وات ( یعنی از تمدن‌های نوع ۱٫۲ تا ۱۱٫۴ ) از هیچ تمدنی یافت نشد. بااین‌حال این مسئله احتمال وجود تمدن‌هایی مثل تمدن نوع ۱۱٫۵ و فراتر از آن را منتفی نمی‌سازد. همچنین احتمال وجود دیگر شکل‌های ارتباطی نیز منتفی نیست.

به‌عنوان مثال ممکن است تمدنی پیشرفته به‌جای استفاده از امواح رادیویی، سیگنال‌ها را با استفاده از لیزر منتقل کند یا در صورت استفاده از امواج رادیویی، ممکن است از فرکانس‌هایی غیر از ۱٫۴۲ گیگا هرتز استفاده کنند. مثلا ممکن است سیگنال‌ها را در پهنای فرکانس‌های زیاد بفرستد و سپس در مقصد آن‌ها را مجددا بر هم سوار کند. با استفاده از این روش، برخورد با یک ستاره در عبور یا طوفان کیهانی، کل پیغام را مختل نمی‌سازد. این پیغام گسترده، تنها از حروف شکسته و نامفهوم تشکیل شده است.یکی از مهم‌ترین نگرانی‌های این تمدن، راه‌اندازی سیستم مخابراتی و ارتباطی است که بتواند کل کهکشان را به هم ارتباط دهد. این مسئله کاملا به اینکه انسان‌های ساکن در یک جامعه دارای تمدن نوع سه به‌گونه‌ای (مثلا ازطریق کرمچاله) بتوانند به فناوری سریع‌تر از سرعت نور دست یابند، وابسته است. اگر فرض کنیم به این فناوری دست نیابند، آنگاه به‌شدت از رشد بازخواهند ماند. فیزیکدانی به نام فریمن دیسون، نتیجه می‌گیرد چنین جامعه‌ای احتمالا در جهان کارول زندگی می‌کنند؛ که از نام لوئیس کارول گرفته شده است. دیسون می‌گوید:

در گذشته جوامع انسانی از قبایل کوچکی تشکیل می‌شدند که در آن‌ها فضا مطلق و زمان نسبی بود. یعنی برقراری ارتباط بین قبایل پراکنده غیرممکن بود و از زمان تولد، انسان‌ها می‌توانستند در نزدیکی محل زندگی خود فعالیت کنند. قبایل مختلف به‌واسطه‌ی وسعت فضای مطلق از هم جدا می‌شدند.

با ظهور انقلاب صنعتی، انسان وارد دنیای نیوتونی شد. در چنین دنیایی مفهوم زمان و فضا مطلق شدند. سرانجام انسان با اختراع چرخ و کشتی توانست ارتباط بین قبایل پراکنده را در کشورهای مختلف امکان‌پذیر سازد. در قرن بیستم، ما به جهان اینشتین وارد شدیم. در جهان اینشتین فضا و زمان هردو نسبی هستند. به این ترتیب تلگراف، تلفن، رادیو و تلویزیون را اختراع کردیم که در نتیجه‌ ارتباطات آنی به‌وجود آمد. یک تمدن نوع سه ممکن است یک‌بار دیگر به وضعیت جهان کارول بازگردد؛ مجتمع‌های فضایی که با فواصل گسترده‌ی بین‌ستاره‌ای از هم جدا شده است به دلایل محدودیت سرعت نور قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر نیستند.

برای جلوگیری از قطع شدن ارتباط این جهان‌های کارول، شاید لازم باشد تمدنی از نوع سه کرمچاله‌هایی بسازد و به این ترتیب ارتباطات سریع‌تر از نور را در سطوح زیر اتمی امکان‌پذیر سازد. تمدن نوع سه، انرژی میلیاردها سیستم ستاره‌ای را برداشت می‌کند، می‌تواند ۱۰ میلیارد برابر خروجی تمدن نوع دو را مورد استفاده قرار دهد، که به نوبه‌ی خود ۱۰ میلیارد برابر خروجی تمدن نوع یک را مورد استفاده قرار می‌دهد. اگرچه فاصله‌ی بین این تمدن‌ها بسیار زیاد است، ولی زمان لازم برای رسیدن به تمدن نوع سه قابل تخمین و اندازه‌گیری است.

تمدن نوع چهار

میچیوکاکو می‌گوید هنگامی که در شهر لندن سخنرانی می‌کردم، پسر بچه‌ای ده ساله نزد من آمد و اصرار داشت که تمدن نوع چهار باید وجود داشته باشد. وقتی که به او یادآوری کردم که سیارات، ستارگان، و کهکشان‌ها تنها پایگاه‌های موجود هستند که شکل‌گیری حیات هوشمند را امکان‌پذیر می‌سازند، او ادعا کرد که تمدن نوع چهار می‌تواند از قدرات پیوستگی استفاده کند؛ دریافتم که او درست می‌گوید.

در صورت وجود چنین نوع از تمدنی در آینده‌های بسیار دور، منبع انرژی آن نیز می‌تواند فراکهکشانی باشد؛ مثل انرژی تاریک که ۷۳ درصد محتویات ماده-انرژی جهان ما را تشکیل می‌دهد. اگرچه این انرژی به‌طور بالقوه ذخیره‌ای هنگفت و تاکنون بزرگ‌ترین منبع انرژی جهان محسوب می‌شود، بااین‌حال این میدان ضدگرانش در تمام فضای جهان گسترده شده و بنابراین در هر نقطه از فضا بسیار ضعیف است. نیکولا تسلا، نابغه‌ی الکتریسیته و رقیب ادیسون، یادداشت‌های بسیار زیادی در مورد برداشت انرژی خلاء نوشته است. او عقیده داشت خلاء ذخایر هنگفتی از انرژی را در خود پنهان کرده است.

به عقیده‌ی او اگر ما بتوانیم به‌نوعی از این انرژی نهفته بهره‌برداری کنیم، تغییرات اساسی در جامعه انسانی ایجاد خواهد شد. استخراج این انرژی شگفت‌آور به‌شدت مشکل است. جستجوی طلا در اقیانوس‌ها را تصور کنید. احتمالا نسبت به تمام طلاهای موجود در فورت ناکس و دیگر خزانه‌های جهان، طلای بیشتری در اقیانوس‌ها پراکنده شده است. بااین‌حال هزینه‌ی استخراج طلا در چنین پهنه‌ی وسیعی عاملی بازدارنده محسوب می‌شود. بنابراین طلای مدفون در اعماق اقیانوس‌ها هرگز استخراج نشده است. به‌طور مشابه، انرژی پنهان تاریک، از محتوای کل انرژی ستارگان و کهکشان‌ها بیشتر است. بااین‌حال این انرژی در میلیاردها سال نوری پراکنده شده و جمع‌آوری آن مشکل است. اما از نظر قوانین فیزیک هنوز می‌توان تصور کرد تمدن نوع سه، که انرژی ستارگان را در کهکشان مصرف کرده است، ممکن است به‌نوعی سعی در بهره‌برداری از این انرژی کند تا به تمدن نوع بالاتر خود یعنی چهار دست یابد.

چرا نمی توانیم به سرعت نور برسیم؟

طبیعت برای ما یک حد سرعت تعیین کرده است. ما آن را سرعت نور می‌نامیم زیرا برای نخستین بار این پدیده را با مطالعه ویژگی‌های نور شناختیم، اما این یک حد بالایی بی‌استثنا برای هر سرعت نسبی است. بنابراین اگر رسیدن نور به‌جایی یک سال طول بکشد، هرگز نمی‌توانیم زودتر از یک سال به آنجا برسیم. همچنین این حقیقتی است که جهان بزرگ، واقعا بزرگ هست. هشت دقیقه طول می‌کشد که نور خورشید به ما برسد، سه سال برای اینکه به نزدیک‌ترین ستاره برسد، ۲۷ هزار سال برای اینکه به مرکز کهکشان‌مان برسد و بیش از دویست هزار سال برای اینکه به کهکشان همسایه برسد.

فاصله‌های وسیع بین سامانه‌های خورشیدی در ترکیب با حد سرعت نور، محدودیت‌های جدی بر واقعیت سفر فضایی تحمیل می‌کند. هر نویسنده‌ی علمی-تخیلی بر پایه‌ی فضا باید از همان ابتدا تصمیم بگیرد که چگونه با این فیل سفید که مغرورانه در اتاق ایستاده است چه برخوردی داشته باشد. سپتامبر ۲۰۱۱ بود که با خبری تکان‌دهنده، ناگهان جهان در بهت و حیرت فرو رفت. فیزیک‌دانی به نام آنتونیو اردیتاتو، خبری داد که در صورت تأیید آن، می‌توانست دید ما را نسبت به جهان اطراف به کلی تغییر دهد. خبر این بود که در آزمایش‌هایی  به‌نام پروژه‌ی اپرا، ذراتی زیراتمی به نام نوترینو توانسته‌اند سریع‌تر از نور حرکت کنند.

طبق نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین، هیچ چیزی در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. اگر این خبر درست از آب در می‌آمد، نظریه‌ی اینشتین باطل می‌شد. هرچند اردیتاتو و گروهش می‌گفتند اطمینان زیادی از صحت این آزمایش دارند، ولی هیچ‌گاه به‌طور کامل اطمینان خود از این کشف را بیان نکردند. در حقیقت از دیگر دانشمندان خواستند که در آزمایش صحت داده‌ها به آن‌ها کمک کنند. درنهایت مشخص شد که نتایج غلط بوده‌اند. مشکل در زمان‌سنجی دستگاه‌هایی بوده که باید هماهنگ با سیگنال‌های ماهواره‌های GPS کار می‌کردند. در نتیجه این تصور به‌وجود آمد که نوترینوها مسیری مشخص را اندکی سریع‌تر از فوتون‌های نوری پیموده‌اند. ظاهرا همان‌طور که اینشتین می‌گفت، هیچ چیز نمی‌تواند از نور سبقت بگیرد. ولی دلیل اینشتین برای این ادعا چه بود؟ سرعت نور در خلاء ۲۹۹٫۷۹۲٫۴۵۸ متر بر ثانیه است. معمولا آن را گرد می‌کنیم و می‌گوییم ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه.

هرچند که خیلی سریع به‌نظر می‌رسد، ولی ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد که نور خورشید فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری را تا زمین طی کند. ما هیچ وقت نتوانسته‌ایم هواپیما، فضاپیما یا موشکی بسازیم که با سرعت نور رقابت کند. یکی از سریع‌ترین چیزهایی که تا به حال ساخته‌ایم، فضاپیمای افق‌های نو، است که چند سال قبل از نزدیکی سیاره‌ی کوتوله‌ی پلوتو گذشت. سرعت این فضاپیما نسبت به زمین در بیشترین حالت به ۱۶ کیلومتر بر ثانیه رسید. این سرعت خیلی با ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه فاصله دارد.

هرچند که فضاپیماهای ما نتوانسته‌اند خیلی سریع حرکت کنند، ولی توانسته‌ایم کاری کنیم که ذرات زیر اتمی با سرعت نزدیک به نور جابه‌جا شوند. از آنجا که الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند، به‌راحتی می‌توان با اعمال میدان الکتریکی، به آن‌ها شتاب داد. هرچه انرژی بیشتری اعمال شود، الکترون‌ها شتاب بیشتری می‌گیرند. شاید فکر کنید برای اینکه بتوانیم سرعت الکترون‌ها را به ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه برسانیم کافی است انرژی اعمال‌شده را بیشتر و بیشتر کنیم ولی اکنون می‌دانیم که این کار کافی نیست. اعمال انرژی بیشتر لزوما به افزایش سرعت الکترون‌ها ختم نمی‌شود و درنهایت کار به جایی می‌رسد که برای افزایش سرعت به میزان خیلی کم، نیاز به اعمال انرژی خیلی زیاد است.

سرعت الکترون‌ها می‌تواند به سرعت نور نزدیک‌ و نزدیک‌تر شود ولی هیچ وقت به آن نمی‌رسد. مثل این است که در چند قدمی یک پنجره باشید و برای رسیدن به آن، هر قدمی که بر می‌دارید نصف فاصله‌ی شما تا پنجره باشد. واقعیت این است که هیچ وقت به پنجره نمی‌رسید چرا که بعد از هر قدم همچنان مسافتی برای رسیدن تا پنجره دارید. این عین همان مشکلی است که برای الکترون‌ها به‌وجود می‌آید. نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. فوتون‌ها با همان سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. چرا این ذرات می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند ولی الکترون‌ها نمی‌توانند؟ فیزیک‌دانی از دانشگاه ملبورن به نام راجر رسول می‌گوید:

هرچه اجرام سریع‌ و سریع‌تر حرکت کنند، سنگین و سنگین‌تر می‌شوند. هرچه سنگین‌تر می‌شوند، شتاب گرفتن مشکل‌تر می‌شود. بنابراین هیچ وقت به سرعت نور نمی‌رسند. فوتون‌ها فاقد جرم هستند. اگر جرم داشتند نمی‌توانستند با سرعت نور حرکت کنند.

بنابراین الکترون‌ها فقط به‌دلیل اینکه که جرم دارند نمی‌توانند به سرعت نور برسند و این درحالی است که فوتون‌ها چون جرم ندارند می‌توانند با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت کنند. در کل فوتون‌ها ذرات خیلی عجیبی هستند نه‌تنها جرم ندارند و در نتیجه می‌توانند با سرعت نور حرکت ‌کنند، بلکه شتاب هم نمی‌گیرند. آن‌ها از زمانی‌که به‌وجود می‌آیند با بیشترین سرعت خود حرکت می‌کنند. مثلا در شرایط خلاء نمی‌توانید فوتونی را پیدا کنید که با ۸۰ درصد سرعت نور حرکت ‌کند. فوتون یا وجود ندارد یا اگر وجود داشته باشد در حال رفتن از سویی به سوی دیگر با سرعت نور است.

ولی گاهی اوقات نور خیلی کندتر از چیزی که انتظار داریم حرکت می‌کند. هرچند عموم تصور می‌کنند که ارتباطات ازطریق فیبرهای نوری با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه صورت می‌گیرد، ولی واقعیت این است که سرعت نور در فیبرهای نوری نسبت به خلاء ۴۰ درصد کمتر است. فوتون‌ها همیشه با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند ولی در واقعیت حرکت آن‌ها با برخورد به فوتون‌های دیگری که از از اتم‌های شیشه ساطع شده است مختل و سرعت آن‌ها کند می‌شود. اما به‌طور کلی منصفانه است که بگوییم نور با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند.

ما تا به حال نتوانسته‌ایم چیزی را ببینیم که از این سریع‌تر حرکت کند. بالاخره چرا سرعت نور سقف دارد؟ پاسخ آن به فیزیک و آلبرت اینشتین مربوط می‌شود. یکی از اجزای مهم نظریه‌ی نسبیت خاص او همین ایده‌ی ثابت بودن سرعت نور است. فرقی ندارد که کجا هستید و با چه سرعتی حرکت می‌کنید، نور همیشه با سرعتی ثابت حرکت می‌کند. فرض کنید نور چراغ‌قوه‌ای را به آینه‌ای که به سقف یک فضاپیمای بی‌حرکت نصب شده می‌تابانید. نور بالا می‌رود، به آینه برخورد می‌کند و به کف فضاپیما بازتاب می‌شود. برای مثال مسافت طی‌شده ۱۰ متر است.

حالا تصور کنید که فضاپیما با سرعت خیلی زیاد هزاران کیلومتر بر ثانیه‌ای شروع به حرکت می‌کند. وقتی که نور چراغ‌قوه را به آینه‌ی متصل به سقف می‌تابانید به نظر می‌رسد که نور همان رفتار قبلی را دارد. نور بالا می‌رود، به آینه برخورد می‌کند و به سوی کف بازتاب می‌شود. ولی برای این کار نور باید به‌صورت قطری و نه قائم حرکت کند. در نتیجه مسافتی که نور طی می‌کند افزایش می‌یابد. فرض کنید که فاصله ۵ متر بیشتر شده باشد. در نتیجه نور باید به‌جای ۱۰ متر، ۱۵ متر را بپیماید. بنابراین هرچند که مسافت بیشتر شده، نظریه‌های اینشتین می‌گویند که نور با همان سرعت قبلی حرکت کرده است. از آنجا که سرعت، همان مسافت طی‌شده تقسیم بر زمان است، برای اینکه سرعت ثابت باشد ولی مسافت افزایش یابد، زمان هم باید کش بیاید.

بله زمان باید کش بیاید و این عجیب به‌نظر می‌رسد. به‌صورت تجربی هم این انبساط زمان ثابت شده است.  این پدیده‌ را با نام اتساع زمان می‌شناسیم. اتساع زمان بدین معنی است که زمان برای کسانی که در وسیله‌ی نقلیه‌ای پرسرعت حرکت می‌کنند نسبت به کسانی که ثابت هستند آهسته‌تر می‌گذرد. برای مثال، زمان برای فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی که با سرعت ۷٫۶۶ کیلومتر بر ثانیه نسبت به زمین گردش می‌کند در حدود ۰٫۰۰۷ ثانیه آهسته‌تر می‌گذرد.

وضعیت برای ذرات زیراتمی مثل الکترون‌ها که می‌توانند نزدیک به سرعت نور حرکت کنند جالب‌تر است. برای این ذرات، میزان اتساع زمان خیلی زیاد است. استیون کولت‌هامر فیزیک‌دان نظری از دانشگاه آکسفورد است و مثال ذراتی به نام میوئون را به میان می‌آورد. میوئون‌ها خیلی ناپایدار هستند و خلی سریع به ذرات دیگر تجزیه می‌شوند. آن‌قدر سریع که در حقیقت بیشتر میوئون‌هایی که از خورشید ساطع می‌شوند باید تا زمان رسیدن به زمین از بین بروند. ولی همچنان میوئون‌های خورشیدی زیادی به زمین می‌رسند. این پرسشی بسیار جالب را در ذهن دانشمندان ایجاد می‌کند. کولتهامر می‌گوید:

پاسخ پرسش این است که میوئون‌ها با چنان انرژی زیادی تولید می‌شوند که باعث می‌شود با سرعت نزدیک به نور حرکت کنند. درنهایت زمان برای خود آن‌ها خیلی کند می‌گذرد.

میوئون‌ها به‌لطف اتساع زمان، زنده باقی می‌مانند. وقتی اجرام سریع حرکت می‌کنند زمان برایشان کند می‌گذرد و از نظر فیزیکی هم منقبض می‌شوند. این دو پدیده یعنی اتساع زمان و آب رفتن طول هر دو مثال‌هایی از چگونگی تغییر فضا-زمان براساس حرکت اجرام هستند. آن‌طور که اینشتین می‌گوید، اتساع زمان و انقباض فیزیکی برای فوتون‌های نوری رخ نمی‌دهد چرا که فوتون‌ها جرم ندارند. هرچند که نمی‌توانیم سریع‌تر از نور حرکت کنیم، ولی می‌توانیم برای رسیدن سریع به مقصد، در فضا میانبر بزنیم.

سفر ازطریق چاک‌هایی در فضا-زمان که اجازه می‌دهند مسافتی مشخص را سریع‌تر از حرکت معمولی با سرعت نور طی کنید. به‌گفته‌ی جرالد کلیور از دانشگاه بیلر در تگزاس، زمانی می‌توانیم فضاپیمایی بسازیم که در عمل سریع‌تر از نور به مقصد می‌رسد. یکی از راه‌ها این است که بتوانیم ازطریق کرم‌چاله سفر کنیم. کرم‌چاله‌ها پیچ خوردگی‌هایی در فضا-زمان هستند که کاملا با نظریه‌های اینشتین سازگارند. کرم‌چاله‌ها به فضانوردان اجازه می‌دهند ازطریق ناهنجاری‌های موجود در فضا-زمان، از مکانی در عالم به مکان دیگر بروند. کرم‌چاله‌ها در حقیقت میانبرهای فضایی هستند. اجرامی که ازطریق کرم‌چاله‌ها سفر می‌کنند سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کنند ولی به‌دلیل میانبری که در فضا-زمان می‌زنند، خیلی سریع‌تر به مقصد می‌رسند.

سفرهای میان‌ستاره‌ای؛ دشوار یا غیرممکن؟

کیهان به اندازه‌ای بزرگ و وسیع است که شاید انسان امروزی به هیچ عنوان نتواند تمامی آن را کشف کند ولی به‌دلیل وجود انرژی تاریک و سرعت بالای انبساط جهان هستی، بخش عمده‌ی جهان برای انسان‌ها به‌هیچ عنوان قابل دسترسی نخواهد بود. همیشه به ما یاد داده شده است که هیچ محدودیتی برای تعیین هدف و نقاط مختلف برای رسیدن وجود ندارد ولی از نظر علمی به نظر می‌رسد که این امر با واقعیت کاملا در تضاد است زیرا انسان تنها می‌تواند بخش بسیار اندکی از جهان هستی را کشف کند.

موضوع، مربوط‌به فناوری امروزی و عدم طراحی دستگاه‌هایی که با سرعت نور حرکت کنند نیست بلکه ماجرا پیچیده‌تر از این است که بتوان آن را به واسطه‌ی فناوری حل کرد. انسان از نظر علمی تنها می‌تواند به گروه محلی کهکشانی خود دسترسی داشته باشد که از کهکشان راه شیری، کهکشان آندرومدا و بیش از ۵۰ کهکشان کوچک تشکیل شده است. این اندازه برابر با محیط ۱۰ میلیون سال نوری است و با یک محاسبه علمی می‌توان گفت که این بخش برابر با ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ ابعاد کل جهان هستی است.

علت این امر را باید در انرژی تاریک جست‌وجو کرد زیرا این انرژی که هنوز ماهیت آن برای بشر شناخته شده نیست، باعث می‌شود تا جهان هستی در حال انبساط سریع باشد و به همین دلیل نیز باوجود عملکرد گرانش در محیط داخلی گروه‌های محلی و کهکشان‌ها و منظومه‌ها، عملا خارج از آن‌ها شاهد دور شدن گروه‌های کهکشانی از یکدیگر هستیم. به این ترتیب می‌توان گفت که حتی اگر انسان‌ها به فناوری‌هایی دست پیدا کنند که بتواند آن‌ها را با سرعت بسیار بالا به سوی کهکشان‌های دیگر رهنمون سازد، باز هم سرعت گسست جهان هستی به اندازه‌ای بالا است که انسان هیچگاه نخواهد توانست محیطی خارج از گروه محلی کهکشانی خود را تجربه کند.

دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که در آینده، کشش گرانشی داخلی گروه‌های محلی کهکشان‌ها موجب خواهد شد که کهکشان‌های راه شیری و آندرومدا با یکدگیر ادغام شوند و در عین حال نیز کهکشان یادشده به‌دلیل انبساط کیهان به‌قدری از سایر اجرام کیهانی دور خواهد شد که دیگر برای انسان‌ها قابل رویت نخواهد بود و به این ترتیب انسان‌های آینده از علم امروزی ما و چیزی که قادر به مشاهده آن هستیم بی‌خبر خواهند بود. رفتن به نزدیک‌ترین منظومه‌ی ستاره‌ای یا اوج گرفتن در کهکشان چقدر سخت است؟ در فیلم‌های پیشتازان فضا یا جنگ ستارگان این کار خیلی ساده به نظر می‌رسد.

هنگامی که قهرمانان یک تماس بد از راه دور دریافت می‌کنند، از وارپ‌ درایو یا هایپردرایو استفاده می‌کنند و در عرض چند دقیقه یا چند ساعت به مقصد می‌رسند. اگر نیروی محرکه‌ی مناسب را به‌دست بیاوریم، آیا برای ما امکان‌پذیر است که در زندگی واقعی به این سرعت سفر کنیم؟ تقریباً ۵۰ سال پیش، انسان‌ها روی ماه قدم می‌زدند؛ اما ما در سال ۱۹۷۲ توقف کردیم و هرگز جلوتر نرفتیم، مگر اینکه یک کاوشگر روباتیک را بفرسیتم. برخلاف وعده‌ی کتاب و فیلم «۲۰۰۱: یک اودیسه‌ی فضایی» انسان‌ها هرگز به سوی مشتری یا حتی به مریخ نرفتند.

چه چیزی است که باعث می‌شود سفر راه دور تا این حد دشوار باشد؟ علاوه‌بر موضوع نگرانی برای سلامتی انسان (زندگی با گرانش کم در طول زمان بدن را تضعیف می‌کند) و مسائل بودجه‌ای، مشکلات تکنولوژیکی زیادی برای سفر‌های میان سیاره‌ای و ستاره‌ای دور وجود دارد. درحالی‌که متخصصان مشغول کار روی مفاهیم سفر میان‌ستاره‌ای هستند، هشدار می‌دهند که انتظارات ما از سفر فوری احتمالاً بسیار بالا است. جفری لندیس، یکی از دانشمندان ناسا و نویسنده‌ی علمی‌تخیلی که روی مسئله‌ی نیروی محرکه‌ی بین‌ستاره‌ای کار کرده‌ است، می‌گوید:

مشکل بیشتر سفرهای سریع‌تر از نور در کتاب‌های علمی‌تخیلی این است که یک مورد بسیار مشکل را بسیار ساده جلوه می‌دهند.

شتاب بخشیدن به یک سفینه‌ی فضایی با انرژی خالص، نیروی محرکه‌ی زیادی می‌خواهد. براساس نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین در یک قرن پیش، زمانی‌که یک جسم به سرعت نور نزدیک شود، جرم آن به بی‌نهایت می‌رسد. بنابراین، به عبارت دیگر، یک سفینه‌ی فضایی از نظر فیزیکی نمی‌تواند با سرعت نور حرکت کند. برخی از داستان‌های علمی‌تخیلی از کرم‌چاله برای دور زدن مشکلات سفر فوری استفاده کرده‌اند اما کرم‌چاله‌ها نیز دارای مشکلاتی هستند. گرچه کرم‌چاله‌ها یک نامزد پیشرو هستند، اما فهمیدن اینکه چطور باید جرم کافی را در یک مکان جمع کرد تا یک کرم‌چاله ساخت، کار سختی است.

سپس مشکلات درک چگونه باز نگه‌داشتن کرم‌چاله‌ها و عبور ایمن از آن‌ها وجود دارد. چه با سرعت نور حرکت کنید و چه از کرم‌چاله‌ها استفاده، به احتمال زیاد به پدیده‌ی اتساع زمان برخواهید خورد. نظریه‌ نسبیت خاص اینشتین نشان می‌دهد، هنگامی که یک سفینه‌ی فضایی با سرعتی نزدیک به نور حرکت کند، ساکنان با سرعتی کم‌تر از دوستان و خانواده خود در خانه پیر می‌شوند بنابراین، زمانی‌که مردم از سفر طولانی بازمی‌گردند، ممکن است عزیزانشان را بسیار پیر یا مرده پیدا کنند. حتی فضانوردان در ایستگاه بین‌المللی فضایی تاثیرات اتساع زمان را هنگام بازگشت به زمین تجربه می‌کنند.

این اتفاق برای فضانورد اسکات کلی بعد از گذراندن نزدیک به یک سال در فضا بین سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶ اتفاق افتاد. وقتی او به خانه آمد، اختلاف سنی او با برادر دوقلوی خود به نام مارک کلی ۵ میلی‌ثانیه افزایش یافت. مسافرت میان‌ستاره‌ای ممکن است، اما فعلا بهترین گزینه برای سفر کردن سفرهای نسبتا محلی است. در سال ۱۹۹۸، یکی از مفاهیم میان‌ستاره‌ای لاندیس توسط برنامه‌ی مفاهیم پیشرفته ابتکاری ناسا (NIAC) بنیانگذاری شد. NIAC ایده‌های دور از ذهن را برای اکتشافات فضایی بررسی می‌کند که ممکن است برای دهه‌ها استفاده نشده بودند. در اصل، طرح لاندیس استفاده از لیزر را برای هل دادن سفینه‌ی فضایی مجهز به بادبان‌ها پیشنهاد داد که براساس ایده‌های منتشرشده توسط رابرت فوروارد در سال ۱۹۸۴ بود.

این مفهوم بعدا توسط گروه Breakthrough Starshot انتخاب شد که در سال ۲۰۱۶ اعلام کرد که امیدوار است درنهایت فضاپیمای کوچکی را به قنطورس آلفا بفرستد. اگر بخواهیم یک درس از کاوش‌های فضایی بیاموزیم این است که جهان بیش از آنچه ما فکر می‌کردیم عجیب است  به‌عنوان مثال مشاهد‌های انجام‌شده با تلسکوپ فضایی کپلر روی سیارات دیگر، منظومه‌های ستاره‌ای وحشی‌ای را برخلاف منظومه‌ی شمسی خودمان آشکار کرده‌اند. برخی از آن‌ها مشتری‌های داغ یا سیارات بزرگ گازی که در حال چرخش نزدیک به ستاره‌های والدشان هستند، دارند. دیگر منظومه‌های ستاره‌ای ممکن است زمین‌های خیلی بزرگ یا سیاره‌های سنگی داشته باشند که بین اندازه‌ی زمین و سیاره نپتون هستند. این مسئله، پیش‌بینی آنچه مردم ممکن است هنگام تماشای مکان‌های دوردست با آن مواجه شوند را سخت‌تر می‌کند.