موتورهاي سياهچاله اي از ذهن طراحان تا دل کهکشان

تمامي دستاوردهاي حيرت انگيز عصر فضا از قرار دادن ماهواره ها در مدار زمين گرفته تا سفرانسان به ماه و ارسال کاوشگرها به مرزهاي منظومه شمسي همگي در اصل به يک ايده ساده وابسته بوده اند: سيستم پيشرانش شيميايي راکت ها، بدون تحقق اين ايده هيچ گاه خارج شدن از گهواره زمين و ورود به عرصه فضا براي انسان محقق نمي شد؛ اما گستره فضا به حدي وسيع است که حتي مرزهاي منظومه شمسي هم در برابر عظمت آن نقطه اي بيش نيست.
شنبه، 27 اسفند 1390
تخمین زمان مطالعه:
موارد بیشتر برای شما
موتورهاي سياهچاله اي از ذهن طراحان تا دل کهکشان

  موتورهاي سياهچاله اي از ذهن طراحان تا دل کهکشان
موتورهاي سياهچاله اي از ذهن طراحان تا دل کهکشان


 

نويسنده: مارکوس چاون
ترجمه : شهاب شعري مقدم



 
تمامي دستاوردهاي حيرت انگيز عصر فضا از قرار دادن ماهواره ها در مدار زمين گرفته تا سفرانسان به ماه و ارسال کاوشگرها به مرزهاي منظومه شمسي همگي در اصل به يک ايده ساده وابسته بوده اند: سيستم پيشرانش شيميايي راکت ها، بدون تحقق اين ايده هيچ گاه خارج شدن از گهواره زمين و ورود به عرصه فضا براي انسان محقق نمي شد؛ اما گستره فضا به حدي وسيع است که حتي مرزهاي منظومه شمسي هم در برابر عظمت آن نقطه اي بيش نيست. حتي نزديک ترين ستاره به ما-يعني ستاره آلفاي قنطورس-4/2سال نوري از ما فاصله دراد. اين فاصله بيش از 200هزار برابر فاصله زمين تا خورشيد يا برابر 50 ميليون سفر رفت و برگشت به ماه است
در واقع فاصله ما حتي از نزديک ترين ستاره هاي پيرامون منظومه شمسي به حدي است که اگر بخواهيم به سامانه هاي پيشرانش موجود موشک ها اکتفا کنيم، بايد براي هميشه قيد سفر به ستاره ها را بزنيم و تا ابد به پرسه زدن در حول و حوش گهواره زميني خود-يعني سيارات منظومه شمسي- بسنده کنيم. براي درک بهتر اين مطلب، سريع ترين کاوشگر فضايي پرتاب شده با موشک هاي موجود-يعني کاوشگر و ويجر يک-را در نظر بگيريد. اين کاوشگر که اکنون در حال خروج از منظومه شمسي است سرعتي حدود17کيلومتر برثانيه دارد. با چنين سرعتي تقريبا74هزار سال طول مي کشد تا ما به ستاره آلفاي قنطورس برسيم.
اما آيا با اين وجود بايد براي هميشه رؤياي سفر به ستارگان را فراموش کنيم؟ آيا واقعا نمي توان هيچ سيستم پيشرانش ديگر ي پيدا کرد که بتواند ما را در طول مدت عمر يک انسان-يعني طي چند دهه-حداقل به نزديک ترين ستاره ها برساند؟ فيزيکدان ها تاکنون ايده هاي مختلفي را براي سفر به ستاره ها مطرح کرده اند؛ ايده هايي نظير سيستم پيشرانش پادماده، استفاده از انفجارهاي پي در پي بمب هاي هيدروژني و حتي به کارگيري بادبان هاي عظيم نوري که به کمک تابش پرتوهاي ليزر از يک ايستگاه زميني در عرصه بيکران فضا به پيش رانده مي شوند؛ اما متأسفانه تمامي اين ايده ها مشکلاتي دارند که استفاده از آنها را براي فواصل دور عملا غير ممکن مي کنند. اما به تازگي دو ايده بديع و متفاوت مطرح شده اند که احتمالا رؤياي سفر به ستاره ها را براي آيندگان محقق خواهند کرد. چندي پيش فيزيکداني به نام جياليو(jia Liu)از دانشگاه نيويورک طرح جالبي از يک سفينه فضايي ارائه داد که سيستم پيشرانش آن از ماده تاريک موجود در فضاي درون کهکشان نيرو مي گيرد هنوز مدتي از ارائه اين طرح بديع نگذشته بود که دو رياضيدان به نام هاي لوئيز کرين(Louis Creane)و شاون وستمورلند(Shawn Westmoreland) از دانشگاه ايالتي کانزال آمريکا طرح جالب ديگري از يک سيستم پيشرانش مبتني بر يک سياه چاله مصنوعي را مطرح کردند. هر چند تحقق هر دوي اين ايده ها از سطح فناوري فعلي بشر فراترند؛ اما نکته مهم آن است که هر دوي آنها به لحاظ مبنايي و براساس قوانين فيزيک، ايده هايي عملي محسوب مي شوند.

موشکي با سوخت ماده تاريک
 

تمامي شواهد اختر فيزيکي حاکي از ان هستند که نوعي ماده اسرار آميز که با ماده شناخته شده معمولي کاملا متفاوت است فضاي درون کهکشان ها را پر کرده و آنها را همانند هاله اي در بر گرفته است. اين ماده اسرار آميز هيچ گونه نوري-نه در طيف مرئي و نه در طيف نامرئوي-از خود گسيل نمي کند و براي همين هم اصطلاحا «ماده تاريک» نام گرفته است. اختر شناسان با کمک تأثير گرانشي ماده تاريک برماده معمولي توزيع شده درفضاي پيرامون خود به وجود آن پي برده اند.
برمبناي شواهد اختر فيزيکي و مجموعه رصدهاي نجومي صورت گرفته، جرم ماده تاريک موجود در فضاي درون کهکشاني چيزي حدود شش برابر جرم کل ماده معمولي تشكيل دهنده هر کهکشان است و به همين دليل هم موشکي که از سوخت ماده تاريک استفاده کند؛ حتي براي سفر به ستاره هاي دور دست هم سوخت کافي در دسترس خواهد داشت.
جياليو در ارائه طرح موشک با سوخت ماده تاريک خود از طرحي که در سال 1960توسط يک فيزيکدان آمريکايي به نام رابرت پاسارد(Robert Bussard)ارائه شده بود الهام گرفته است. در طرح پاسارد، سيستم پيشرانش فضا پيما به جاي آنکه همانند موشک هاي معمولي سوخت مورد نيازش را با خود حمل کند، از اتم هاي گاز بسيار رقيق هيدروژن بين ستاره اي به عنوان سوخت استفاده مي کند. به طور دقيق تر بايد گفت که در سيستم پيشرانش باسارد، اتم هاي هيدروژن گاز ميان ستاره اي در حين حرکت فضاپيما توسط تله هاي مغناطيسي به دام مي افتند و پس از متراکم شدن در قلب موتور، دماي آنها به حدي افزايش مي يابد که دچار همجوشي هسته اي شده و گسيل ذرات پر انرژي حاصل از همين همجوشي است که فضاپيما را به جلو مي راند. بنابراين مي توان گفت که موتورهاي باسارد در واقع در ضمن حرکت فضا پيما در فضاي ميان ستاره اي مستمرا در حال سوخت گيري هستند. حال بر مي گرديم سراغ طرح موتور ماده تاريک جياليو طرح ليواساسا شبيه طرح موتور باسارد است ؛ با اين تفاوت که به جاي اتم هاي هيدروژن گاز ميان ستاره اي از ماده تاريک توزيع شده در فضاي درون کهکشان بهره مي گيرد. اما از آنجايي که جرم ماده تاريک موجود در فضاي ميان ستاره اي چندين برابر جرم گاز هيدروژن ميان ستاره اي است. بنابراين موتور ماده تاريک ليو مي تواند نيروي پيشرانش بسيار بيشتري را نسبت به موتور باسارد براي فضا پيماي ما فراهم کند.

ساز و کار موتور ماده تاريک
 

با توجه به آنکه ماهيت دقيق ماده تاريک هنوز براي ما مشخص نيست، سازوکار دقيق عملکرد قلب اين نوع موتور هم هنوز براي فيزيکدان ها روشن نيست. يکي از احتمالات مطرح شده در مورد ماهيت ماده تاريک آن است که اين ماده از ذراتي به نام نوترالينو (Netralino)تشکيل شده باشد. نوترالينوها ذرات عجيب و غريبي هستند. اين ذرات بار الکتريکي ندارند اما نکته جالب در مورد آنها اين است که هر ذره نوترالينو در واقع پاد ذره خودش هم هست. به همين دليل هم اگر دو ذره نوترالينو تحت شرايط مناسبي با همديگر برخورد کنند، همديگر را نابود کرده و انرژي حاصل از اين برهم کنش، مجر به آزاد شدن ذرات پرانري جديدي خواهد شد و همين ذرات پرانرژي هستند که نيروي پيشرانش موتور با سوخت ماده تاريک را تأمين مي کنند.
محسبات نشان مي دهند که با اين روش مي توان از يک کيلوگرم ماده تاريک بيش از 10ميليارد برابر انرژي حاصل از انفجار يک کيلوگرم ديناميت انرژي گرفت. در واقع مهم ترين چالش موجود برسر راه ساخت موتور ماده تاريک ليو، پيدا کردن راهي براي جارو کردن، جمع آوري و متمرکز کردن توده ذرات ماده تاريک و نتيجتا افزايش احتمال برهم کنش اين ذرات با همديگر در قلب موتور فضا پيماست. حل اين مسأله با توجه به شدت برهم کنش بسيار پايين ذرات ماده تاريک با همديگر شايد دشوارترين بخش کار باشد.
ميزان دقيق شتاب يک فضا پيما با چنين موتوري عملا به پارامترهايي نظير چگالي دقيق ماده تاريک موجود در محيط، ميزان سطح مؤثر جارو کننده و جمع آوري کننده ذرات ماده تاريک توسط موتور(سطحي که در محدوده آن ذرات ماده تاريک موجود در مسير به دام موتور مي افتند)و همين طور به جرم کل فضا پيما وابسته است. محاسبات ليونشان مي دهند که چنانچه چنين فضاپيمايي جرمي حدود يکصد تن داشته باشد و سطح جمع کننده مؤثر موتور آن نيز حدود100متر مربع باشد، با سوخت ماده تاريک موجود در مسير خود تنها ظرف چند روز به سرعتي نزديک به سرعت نور خواهد رسيد. بدين ترتيب سفر به ستاره آلفاي قنطورس با کمک يک موتور با سوخت ماده تاريک از يک سفر74هزار ساله به يک سفر چند ساله کاهش مي يابد.

موتور سياه چاله اي
 

براي رسيدن به ستاره ها چاره اي نداريم جز آنکه حداکثر استفاده را از سوخت موجود ببريم. متأسفانه راکت هاي شيميايي، بهره بسيار پاييني دارند چرا که تنها يک صد ميليونيم درصد از جرم سوخت خود را به انرژي تبديل مي کنند؛ اما از راکت هاي شيميايي که بگذريم حتي موتورهايي با سيستم پيشرانش همجوشي هسته اي هم کمتر از يک درصد از سوخت هسته اي خود را به انرژي تبديل مي کنند. در اين ميان، موشک هايي با سيستم پيشرانش پادماده از همه بهتر هستند چرا که صد در صد جرم سوخت خود را به انرژي تبديل مي کنند؛ اما متأسفانه اين نوع موشک ها هم دو مشکل اساسي دارند؛ اول آنکه توليد پادماده در اين راکت ها با بهره بسيار پاييني صورت مي گيرد و دوم اينکه نگهداري پادماده در فضا پيمايي که تماما از ماده ساخته شده کاري فوق العاده خطرناک است؛ چرا که با کوچک ترين اشتباهي، ذرات پادماده انباشته شده در سفينه با ذرات ماده تشکيل دهنده بدنه فضا پيما بر هم کنش کرده و در چشم برهم زدني کل سفينه فضايي در انفجاري مهيب نابود خواهد شد.
به همين دليل هم لوئيز کربن معتقد است که ساخت يک سفينه فضايي با سوخت پاماده ريسک بسيار بالايي خواهد داشت؛ اما کربن براي سفر به ستاره ها طرح جايگزيني را پيشنهاد کرده است. استفاده از تابش هاوکينگ يک سياه چاله کوچک
در دهه70ميلادي استفن هاوکينگ نشان داد که سياه چاله ها در واقع آن قدر ها هم سياه نيتسند چرا که آنها با گسيل ذرات زيراتمي پرانرژي، به تدريج تبخير شده و جرم خود را از دست مي دهند. کربن معتقد است که همين تابش گسيل شده از يک سياه چاله مي تواند نيروي پيشرانش لازم براي رساندن سفينه هاي فضايي به ساير ستاره ها را تأمين کند.
برمبناي معادلات توصيف کننده رفتار سياه چاله ها مي دانيم که ميزان تابش هاوکينگ سياه چاله هاي کوچک بسيار بيشتر از سياه چاله هاي بزرگ اختر فيزيکي است که از مرگ ستاره ها حاصل مي شوند. محاسبات کربن نشان مي دهند که سياه چاله کوچکي به جرم حدود يک ميليون تن، منبع انرژي ايده آلي براي سفينه فضايي ماست. چنين سياه چاله اي از يک سو تابش هاوکينگ به اندازه کافي شديدي از خود گسيل مي کند که براي تأمين نيروي پيشرانش يک سفينه کافي خواهد بود و از سوي ديگر اين تابش هاوکينگ آن قدر شديد نيست که ظرف مدت کوتاهي تمام شود؛ بلکه اين تابش طي حدود يکصد ستالي که سفينه فضايي ما در حال پيمودن سفر بين ستاره اي خود است با نرخ تقريبا ثابتي دوام مي آورد.

چگونه يک سياه چاله بسازيم؟
 

اما چنين سياه چاله کوچکي را از کجا گير بياوريم؟ هر چند آرتور سي کلارک در يکي از کتاب هاي خود به نام «زمين سلطنتي» امکان به دام اندختن يک ريز سياه چاله را در پهنه فضا مطرح کرده است اما کرين چنين ايده اي را چندان عملي نمي داند.
به جاي آن، کربن معتقد است که ما مي توانيم چنين ريز سياه چاله اي را براي خودمان بسازيم. براي سخت چنين سياه چاله اي کافي است مقدار عظيمي انرژي را در حجم بسيار کوچکي از فضا متمرکز کنيم. کربن طرح جالبي را براي اين کار پيشنهاد کرده است. در طرح کربن از يک ليزر فوق العاده قدرتمند تابش گاما براي تمرکز انرژي استفاده مي شود. انرژي فعال سازي اين ليزر توسط آرايه اي از صفحات خورشيدي به مساحت250کيلومتر مربع تدمين مي شود که در فاصله چند ميليون کيلومتري از خورشيد قرار گرفته و به مدت يک سال تمام در حال جمع آوري انرژي نور خوشيد هستند. اين سيستم ليزر پس از دوره يکساله شارژ شدن خود، آماده عمل خواهد شد و مي تواند تمامي انرژي اي را که طي يک سال مام در خازن هاي خود ذخيره کرده در يک لحظه به صورت يک پالس انرژي فوق العاده قدرتمند در حجم بسيار کوچکي از فضا متمرکز کند. سياه چاله اي که به کمک چنين ليزري حاصل خواهد شد، جرمي حدود يک ميليون تن خواهد داشت. جالب اينجاست که بدانيد ابعاد يک سياه چاله يک ميليون تني فقط چيزي حدود ابعاد هسته اتم است.
گام بعدي انتقال اين ريز سياه چاله به نقطه کانوني يک آينه سهموي است که به پشت سفينه فضايي ما متصل شده است. هر چند تابش هاوکينگ سياه چاله ها از ذرات ريز اتمي مختلفي تشکيل شده است اما بيشترين اين ذرات، فوتون هاي تابش گاما هستند. يان فوتون ها پس از برخود به سطح آينه سهموي موازي شده و به صورت يک دسته پرتوي موازي از عقب سفينه خارج مي شوند و با خروج خود، سفينه را به جلو هل مي دهند محاسبات کربن نشان مي دهند که نيروي پيشرانش حاصل از پرتوهاي هاوکينگ گسيل شده از يک سياه چاله يک ميليون تني مي تواند سرعت سفينه ما را ظرف مدت چندين دهه به نزديکي سرعت نور برساند. اين مدت زمان براي رسيدن به ستاره هاي دورتر مناسب است اما براي ستاره هاي نزديک تر (مثل آلفاي قنطورس) کمي طولاني است. بنابراين براي سفر به ستاره هاي همسايه خورشيد بهتر است از سياه چاله اي کوچک تر از يک ميليون تن استفاده کنيم که تابش هاوکينگ شديدتري داشته و نتيجتا مي تواند نيروي پيشرانش و شتاب بالاتري را براي سفينه ما تأمين کند.
اما استفاده از موتورهايي که مي توانند ما را به آستانه سرعت نور برسانند(موتورهايي مثل موتور ماده تاريک با موتور سياه چاله اي) يک مزيت فوق العاده ديگر هم دارد. هنگامي که شما در سفينه اي با سرعتي نزديک به سرعت نور نسبت به زمين در حال سفر هستيد، زمان براي شما بسيار کندتر از زمين مي گذرد و به عبارتي شما خيلي ديرتر از آدم هاي زميني پير مي شويد. همين مسأله نه تنها امکان سفر به ستاره ها بلکه حتي سفر به ساير کهکشان ها را هم برايتان ميسر خواهد کرد. در واقع محاسبات کربن نشان مي دهند که با در نظر گرفتن اين اتساع زمان نسبيتي، شما با کمک نيروي پيشرانش حاصل از تابش هاوکينگ يک سياه چاله يک ميليون تني حتي مي توانيد در مدت عمر خود به کهکشان آندرومدا که 2/5ميليون سال نوري از ما فاصله دارد برسيد.
اما اين مسأله يک سؤال جالب و شگفت انگيز ديگر را هم مطرح مي کند؛ آيا ممکن است تمدن هايي فوق پيشرفته درساير ستاره ها يا کهکشان ها هم اکنون به چنين فناوري هايي دست پيدا کرده باشند؟ کسي چه مي داند ، شايد آنها هم اکنون با سفينه هاي سياه چاله اي خود در حال پرسه زدن در اطراف ستاره آبا و اجدادي ما-يعني خورشيد- بوده و شايد به گهواره زميني ماهم سري زده باشند.

چگونه يک فضاپيماي بين ستاره اي بسازيم
 

سفر به ساير ستارگان تنها با موتورها و راکت هاي فوق پيشرفته ميسر خواهد بود. در اينجا طرح دو نمونه از چنين موتورهايي را مي بينيد

فضا پيماي بين ستاره اي با سوخت ماده تاريک
 

ماده تاريک وارد موتور مي شود
حداکثر سرعت : سرعت اين فضا پيما ظرف مدت چند روز به نزديکي سرعت نور مي رسد
وزن: يکصد تن
مزايا: نيازي به حمل سوخت ندارد
معايب: جزئيات ساختار موتور چنين سفينه اي هنوزبراي دانشمندان مشخص نيست چرا که هنوز روشي را براي افزايش احتمال برهم کنش ذرات ماده تاريک با همديگر نمي شناسيم.

قلب موتور
 

1ماده تاريک وارد موتور مي شود.
2در قلب موتور، احتمال برهم کنش ذرات ماده تاريک با همديگر افزايش مي يابد تا جائيکه اين ذرات با همديگر برهم کنش کرده و يکديگر را نابود مي کنند.
3ذرات پرانرژي حاصل از اين برهم کنش، نيروي پيشرانش سفينه را تأمين خواهند کرد.

فضا پيماي بين ستاره اي با موتور سياهچاله اي
 

حداکثر سرعت: سرعت اين فضاپيما ظرف مدت چند دهه به نزديکي سرعت نور مي رسد.
وزن: يک ميليون تن(با احتساب جرم سياهچاله
مزايا: دستيابي به فناوري هاي لازم براي ساخت چنين سفينه اي نسبت به سفينه قبلي ميسرتر است.
معايب: ساخت زير ساخت هاي سيستم ليزر سازنده سياهچاله ، کاري دشوار و زمان براست.
آينه سهموري در قلب موتور
1. سياهچاله کوچکي که توسط تمرکز انرژي پرتوهاي ليزر شکل مي گيرد به نقطه کانوني آينه سهموي متصل به عقب فضاپيما منتقل خواهد شد.
2. سياهچاله از خود تابش هاوکينگ گسيل مي کند.
3. اين تابش هاوکينگ توسط آينه سهموي منعکس و کانوني مي شود.
4. تابش هاوکينگ گسيل شده از سياهچاله، سفينه را به جلو پيش مي راند.
منبع: دانستنيها شماره 30



 



ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.