۳۱ مرداد ۱۳۹۶

چتری از پلاسما بر سر فضانوردان

چتری از پلاسما بر سر فضانوردان

ناسا برای فرستادن فضانوردان به مریخ نگران است، چرا که قرار گرفتن در معرض بادهای پرانرژی خورشیدی، کُشنده است. اما گروهی تحقیقاتی در آزمایشگاه آپلتون رادرفورد (RAL)، در انگلستان، به یک راه حل رسیده‌اند. آنها نشان داده‌اند که آهن‌ربایی به اندازه انگشت شست دست، قادر است جریانی از ذرات باردار همچون باد خورشیدی را منحرف کند.

هسته زمین همچون دیگی چرخان از مواد مذاب است که سبب تولید مگنتوسفر (مغناطیس‌کُره) شده است. مگنتوسفر زندگی را بر روی زمین ممکن ساخته است. در حقیقت، مگنتوسفر میدانی مغناطیسی است که دور زمین را پوشانده و باد خورشیدی را منحرف می‌کند. بدون این محافظ، برخی از ذراتی که از خورشید ساطع می‌شوند از میان بدن ما گذشته و سیستم سلولی ما را در هم می‌شکنند.

اما در فواصل دور از زمین (به عنوان مثال برای سرنشینانی که به سمت مریخ سفر می‌کنند)، لایه محافظ را از دست می‌دهیم. باد خورشیدی می‌تواند جریاناتی از پرتو، ۱۰۰۰ برابر قدرتمندتر از بمب‌های اتمی ‌هیروشیما و ناکازاکی ایجاد کند. از این‌رو دانشمندان همواره به دنبال یافتن یک محافظ مناسب برای فضانوردان بوده‌اند.

در سال ۱۹۶۰ “ورنر فون براون،” تصمیم گرفت یک محافظ مغناطیسی برای فضاپیما طراحی کند. او سرانجام نظر خود را تغییر داد، زیرا تصور می‌کرد که برای ساختن این محافظ به یک آهن‌ربای بزرگ احتیاج دارد و ساخت این آهن‌ربا غیرعملی و نشدنی است. اما او اشتباه می‌کرد.

ما در ابتدا تصور می‌کردیم که در منظومه شمسی فقط اجرامی ‌به اندازه کافی بزرگ که دارای هسته آهنی مذاب و چرخان هستند، مگنتوسفر دارند. اما بعدها به این نتیجه رسیدیم که منظومه شمسی ما شامل محافظ‌های مغناطیسی کوچک اما به طور شگفت‌آوری قدرتمند است.

به نظر می‌رسد که بر روی ماه، محدوده‌هایی شامل میدان مغناطیسی وجود دارد. در سال ۱۹۹۸ “کاوشگر ماه” ناسا بر روی یکی از این مناطق پرواز کرد. در فاصله ۱۸ کیلومتری بالای سطح ماه، ابزار حساس نشان داد که کاوشگر از میان منطقه‌ای از خطوط میدان مغناطیسی در حال گذر است. در حقیقت این کاوشگر، به یک مینی مگنتوسفر وارد شده بود که ذرات باد خورشیدی نمی‌توانست در آن نفوذ کند. احتمالا این میدان زمانی به وجود آمد که گرمای ناشی از یک سیارک برخوردی، سطح ماه را ذوب کرد و به این ترتیب پلاسما (ابری از گاز داغ و یونیده) به وجود آمد. پلاسما شامل میدان مغناطیسی است بنابراین زمانی که سطح ماه دوباره سفت و جامد می‌شود، اثرات مغناطیسی پلاسما بر روی سنگ‌های ماه ثبت می‌شود. کاوشگر ماه پی برد که پهنای این میدان چند صد کیلومتر است و تا ده‌ها کیلومتر به فضا امتداد دارد و گسترش یافته است.

ماه تنها مکانی نیست که محافظ مغناطیسی دارد. در بخش‌هایی از مریخ نیز بسته‌هایی از میدان مغناطیسی وجود دارند که باقی‌‌مانده از دورانی است که مریخ به اندازه‌ای داغ بود که توانست مگنتوسفر خود را تولید کند. در مریخ نیز همچون ماه، اثراتی از میدان مغناطیسی بر روی سنگ‌ها حک شده است.

هیجان‌انگیزتر از این موضوع، مربوط به کشفی است که فضاپیمای “گالیله” ناسا در سال ۱۹۹۰ میلادی انجام داد. این فضاپیما در مسیر خود به سمت مشتری، با دو سیارک “آیدا” و “گاسپرا” که به ترتیب دارای پهنای ۳۰ و ۲۰ کیلومتر بودند، ملاقات کرد. برخلاف انتظار، مشاهده شد که هر دو جرم شامل میدان‌های مغناطیسی ضعیفی هستند. شاید سیاره یا قمری بزرگ که درونی مذاب داشته و دارای میدان مغناطیسی بوده، در اثر یک برخورد درهم شکسته و تکه‌تکه شده و این دو سیارک را به وجود آورده باشد.

گالیله در اطراف هر دو سیارک مناطق محافظی شبیه به مگنتوسفر زمین را تشخیص داد. اما این مناطق در فاصله بسیار دورتری (نسبت به آن‌چه انتظار می‌رفت) از سطح سیارک بودند.

حال به بررسی جزئیات می‌پردازیم. هنگامی‌که یک ذره باردار با میدان مغناطیسی برخورد می‌کند، ابتدا یک نیروی عمود بر خطوط میدان را تجربه می‌کند. ذره به سمت جلو حرکت می‌کند اما نه به طور مستقیم و در طول خطوط میدان. در حقیقت، این ذره به طور مارپیچ با شعاع “لارمور” به دور خطوط میدان حرکت می‌کند.

شعاع لارمور به قدرت میدان، جرم و بار ذره و سرعت حرکت ذره بستگی دارد. در منطقه‌ای که باد خورشیدی، میدان مغناطیسی زمین را ملاقات می‌کند، یک ذره باد خورشیدی (یک پروتون) دارای شعاع لارموری بین ۲۰ تا چند صد کیلومتر است. بنابر این مگنتوسفری با پهنای ۲۰ تا چند صد کیلومتر قادر است ذراتی را که در حال ضربه زدن به سطح زمین هستند، متوقف کند.

اما اجرامی ‌به کوچکی آیدا و گاسپرا نمی‌توانند مگنتوسفری به این اندازه تولید کنند. باد خورشیدی، پلاسمایی است که از ذرات باردار ساخته شده و دارای میدان مغناطیسی است. زمانی که میدان ناشی از باد خورشیدی به مینی مگنتوسفر سنگ‌ها می‌رسد، دو میدان با یکدیگر برخورد کرده و نیرویی را به یکدیگر وارد می‌کنند. در این زمان، میدان ناشی از باد خورشیدی جهتش را به حداقل تضاد با میدان مینی مگنتوسفر تغییر می‌دهد.

جرم پروتون‌هایی که دارای بار مثبت هستند تقریبا ۲ هزار برابر جرم الکترون‌های با بار منفی است. بنابراین الکترون‌ها آسان‌تر منحرف می‌شوند، پس الکترون‌ها در سطح حباب مغناطیسی می‌مانند، در حالی‌که ذرات باردار مثبت بیشتر در آن نفوذ می‌کنند.

این جدایی بارهای مثبت و منفی، میدان‌های الکتریکی شدیدی را که بیش از یک میلیون برابر قوی‌تر از میدان‌های مغناطیسی تولید شده توسط همین ذرات هستند، به وجود می‌آورند. ذرات بعدی باد خورشیدی با برخورد به این میدان‌های الکتریکی، به شدت منحرف می‌شوند. نتیجه این فرایند، ایجاد حفاظی قدرتمندتر ازحفاظ تولید شده توسط میدان مغناطیسی است.

“بامفورد” و گروهش در این رابطه آزمایشی را طراحی کردند. آنها آهن‌ربایی به قطر ۵/۲ سانتی‌متر را در یک لوله بلند استوانه‌ای شکل از خلا آویزان کردند. سپس پلاسما را با سرعت فراصوت به سمت آن دمیدند. شعاع لارمور ذرات در حدود ۱۲۰ میلی‌متر بود. آنها باید درست به آهن‌ربا برخورد می‌کردند. اما این‌طور نشد. هیچ‌یک از ذرات به آهن‌ربا نرسیدند. بررسی‌ها نشان داد که خطوط میدان مغناطیسی در اطراف آهن‌ربا متمرکز شده و یک مینی مگنتوسفر را ایجاد کرده است. همچنین، ذرات باردار توسط یک حباب محافظ تابان از پلاسما تا ۲۵ میلی‌متر خارج از آهن‌ربا و در طول آن گسترده شده بودند.

این آزمایش توانست چشم‌انداز ما را برای پروازهای فضایی تغییر دهد. پیش از این، ناسا به بررسی دو روش برای مقابله با پرتوهای مضر که مانع اکتشافات فضایی می‌شوند، می‌پرداخت. یک روش، یافتن دارویی است که بتوان احتمال مبتلا شدن فضانوردان را به بیماری‌هایی همچون سرطان کاهش داد یا حتی آسیب‌های وارد شده به دی.ان.ای را بهبود بخشید. روش دیگر، حمل محافظ‌های سنگینی ساخته شده از فلز یا تانکرهایی از آب است که تاثیر جو زمین را تقلید کنند؛ به این ترتیب که ذرات بدون بار یا با انرژی بالا را جذب کنند.

اما امروزه ناسا انتخاب سومی ‌نیزدارد: فضاپیمایی بسازد که مگنتوسفر محافظ را که توسط یک آهن‌ربای الکتریکی تولید شده است، حمل کند.

این ایده خوب مطابق با نظر “اندرو کوتز” از آزمایشگاه علمی‌ـ فضایی “مولارد” انگلستان است. او می‌گوید حمل مگنتوسفر  با فضاپیما شدنی است؛ با این حال، مشکلاتی به همراه خواهد داشت. انرژی همواره یک منبع کمیاب در فضاپیماست. وی اضافه می‌کند ما هنوز نمی‌دانیم که مینی مگنتوسفر می‌تواند ذراتی با انرژی بالاتر را منحرف کند یا خیر. او می‌گوید: “من فکر می‌کنم ذرات پرانرژی، از میان آن به سختی به طور مستقیم جلو می‌روند.”

“تیتو مندونکا” از موسسه سوپریور تکنیکو در لندن، می‌گوید: “ما به خوبی می‌دانیم که مگنتوسفر زمین به خوبی از ما در برابر باد خورشیدی محافظت می‌کند. اما پاسخ به این سوال که مینی مگنتوسفر تا چه حد خاصیت حفاظتی دارد هنوز بسیار زود است.” او می‌گوید مگنتوسفر ذرات خنثی از قبیل فوتون‌های پرانرژی را منحرف نمی‌کند.

بامفورد به خوبی از این مسائل آگاه است. اما او می‌داند که یک مینی مگنتوسفر که دارای گستردگی چندصدمتر است، می‌تواند در ترکیب با محافظ‌های قوی استفاده شود تا پرتو‌های پرانرژی و خنثی را که سبب سوختگی فضانوردان می‌شود، متوقف کند. او می‌گوید: “اگر شما در یک روز بارانی بیرون بروید، می‌توانید یک کت بپوشید. همچنین شما می‌توانید یک چتر هم به همراه خود ببرید. این چتر همان مینی مگنتوسفر است. در حقیقت مینی مگنتوسفر چتری از پلاسماست که توسط میدان‌های مغناطیسی در بالا نگه داشته شده است. حتی اگر مینی مگنتوسفر تنها ۵۰ درصد از ذرات خورشیدی را مسدود کند، در حقیقت توانسته نقش یک محافظ با جرم بزرگ را برای حفاظت از ما ایفا کند و این به فضانورد اجازه می‌دهد که سوخت کمتری را حمل کند.”

بامفورد در حال گفت‌وگو با سازمان فضایی اروپا و ناسا در ارتباط با این موضوع است. او می‌گوید آنها می‌خواهند با ما در مورد این موضوع کار کنند تا راه حلی برای بزرگ‌ترین مشکلشان برای فضانوردان بیابند.

آیا ما می‌توانیم محافظی بسازیم که در مقابل طوفان‌های خورشیدی که ذراتی با انرژی میلیون‌ها یا حتی میلیارد‌ها الکترون ولت را به بیرون پرتاب می‌کنند، مقاومت کند؟

آزمایش‌هایی که توسط بامفورد و گروهش صورت گرفته، به همراه مدل‌های رایانه‌ای آنها، نشان می‌دهند که میدان الکتریکی می‌تواند بیشتر یون‌های پرانرژی را منحرف کند. اما سوال اصلی این است که چه مقدار پرانرژی‌تر؟

بامفورد می‌گوید: “ما هنوز نمی‌توانیم روی هر یک از آنها عدد بگذاریم. این چیزی است که ما هم اکنون به طور دقیق به آن می‌پردازیم.” ما می‌توانیم خوش‌بین باشیم که آنها این اعداد را با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و آزمایش‌های دقیق‌تر به دست می‌آورند.


مجبه دانشمند بهمن هشتاد و نه

درباره نویسنده

مُصْطَفی اسدی (1415 ه.ق) هستم ، دانشجوی مهندسی برق . موضوعات مذهبی ، اعتقادی ، فکری ، ادبی بویژه شعر ، فیزیکی ، تکنولوژی ، سایبری ، رسانه‌ای و فرهنگی را دنبال می کنم. به نوشتن ، خواندن ، تحقیق ، یاد گرفتن ، یاد دادن ، برنامه نویسی و طراحی علاقه دارم . برای تفریح می نویسم ، مطالعه میکنم ، تحقیق میکنم ، یاد میگیرم و تلاش می کنم یاد بدم ، چند خط کد می نویسم و اگر مجالش باشه طراحی میکنم.

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *