برکترو استارشات؛ داستان ظهور و افول بلندپروازانه‌ترین پروژه سفر میان‌ستاره‌ای

در طول برگزاری جلسات، دانشمندان و مهندسان گرد هم می‌آمدند تا بررسی کنند فناوری در چه وضعیتی است، چه مشکلاتی بدون راه حل باقی مانده، رفع آن‌ها چقدر ممکن است و ساخت وسیله‌ای پرتاب‌شدنی چه زمان‌بندی و هزینه‌ای می‌طلبد. سال‌های اولیه با هیجان ملموس همراه بود؛دانشمندان احساس می‌کردند بخشی از تیمی هستند که به پروژه‌ای جاه‌طلبانه اما انجام‌شدنی می‌پردازد. آن‌ها می‌دانستند بزرگ‌ترین چالش‌ها در زمینه‌های خاصی است: طراحی بادبان، عملکرد سیستم لیزر، ساختار سفینه و ایجاد یک سیستم ارتباطی که بتواند از فاصله‌ی چندین سال نوری به زمین سیگنال بفرستد. به عبارت دیگر، کل سیستم.

اگر نتوانید ثابت کنید که یک سفینه را به ستاره‌ای دیگر فرستاده‌اید، انجام این کار تقریباً فاقد ارزش است. برکترو استارشات نه‌تنها باید به پروکسیما قنطورس برسد، بلکه راهی برای ارسال سیگنالی قوی پیدا کند که روی زمین قابل شناسایی باشد. انجام این کار بسیار چالش‌برانگیز است؛ به ویژه به‌دلیل نیاز به نشانه‌گیری دقیق از فاصله‌ی چند سال نوری، در حالی که هم کاوشگر و هم زمین در حال حرکت هستند. علاوه بر این، هر دو کار باید با ابزارهای کوچک روی سفینه‌ای به اندازه‌ی درپوش خودکار انجام شود.

به گفته پک، میلنر در مورد اینکه آن سیگنال‌ها چه شکلی باید داشته باشند، ایده‌هایی داشت که غیرواقع‌بینانه یا دست‌کم با برخی پیشنهادهای دانشمندان در تضاد بودند. پک می‌گوید: «فکر می‌کنم یوری میلنر بسیار باهوش است و پیشینه‌ی فنی کافی برای پروژه را دارد.» اما او می‌خواست چیزهایی مانند ویدئو یا تصاویر 4K از آلفا قنطورس دریافت کند که با درنظرگرفتن فاصله‌ی پهناور فضاپیماها با زمین، اساساً امکان‌پذیر نیست.

طبق کتاب کلود فیپس، تیم چندین راه برای اجرایی‌شدن ارتباطات پیدا کرد. دانشمندان می‌توانستند آرایه‌ای عظیم از گیرنده‌های کوچک‌تر روی زمین بسازند تا سیگنال‌های ضعیف را دریافت کنند. آن‌ها همچنین می‌توانستند آنتن فرستنده‌ی سفینه‌ها را بزرگ‌تر کنند و ارتباطات را با طول موج نوری به جای رادیویی ارسال کنند تا داده‌ها سریع‌تر منتقل شوند. تیم تصمیم گرفت از خورشید به عنوان نشانه‌ای برای هدایت سیگنال به سمت زمین استفاده کند تا اطلاعات به بخش درست کیهان برسد. بااین‌حال، لانگ ارتباطات را مانع بزرگی می‌دانست که از سوی همه نادیده گرفته می‌شد؛ زیرا در تحقیقات اولیه به اندازه‌ی سایر موضوعات مورد توجه قرار نگرفت؛ ادعایی که زاکاری منچستر با آن موافق است.

به‌پیش‌راندن کاوشگرها به اندازه کافی دور و سریع تا بتوانند چیزی برای ارسال به زمین داشته باشند، مستلزم حل یک مشکل دیگر است: لیزرها یا همان‌طور که تیم استارشات آن‌ها را می‌نامید، «موتور فوتون».

اولین مشکلی که تیم متوجه شد، این بود که یک واحد لیزر باید به‌طور غیرعملی قدرتمند و فراتر از سطح فناوری موجود باشد. پژوهشگران می‌توانستند آرایه‌ای از لیزرهای کوچک‌تر بسازند که پرتوهایشان با هم ترکیب شوند و به قدرت ۱۰۰ گیگاوات برسند؛ اما سپس باید اطمینان حاصل می‌کردند که امواج نور مثل امواج صوتی که هم‌نوا هستند، با یکدیگر هماهنگ باشند. منچستر می‌گوید: «پیشرفت جدی در این زمینه انجام شد. آن‌ها توانستند با ده‌ها لیزر در آزمایشگاه این کار را انجام دهند که پیشرفتی بزرگ بود.»

اما آن پیشرفت برای برکترو استارشات کافی نبود. پروژه به لیزرهای بیشتری نیاز داشت و آن لیزرها باید خارج از آزمایشگاه کار می‌کردند تا به عمق فضا برسند؛ جایی که مشکل بعدی ظاهر می‌شد. منچستر می‌پرسد: «چگونه می‌توان این حجم پرتو را بدون ایجاد اختلال از جو خارج کرد؟» آشفتگی در لایه‌های فوقانی جو زمین موجب سوسوزدن پرتو می‌شود.

برای اصلاح آنی چنین نوساناتی، نیاز به تنظیمات مداوم بود. یک لیزر به نام «ستاره راهنما»، می‌توانست به‌طور دائم از جو بگذرد و دانشمندان از داده‌های مربوط به تغییر شکل آن برای اصلاح سایر لیزرها استفاده کنند. اما این اصلاح نیازمند میلیون‌ها تنظیم در ثانیه بود. در کتاب سال ۲۰۲۴، ووردن و همکارانش آن را بزرگ‌ترین مانع فنی احتمالی کل برنامه دانستند.

لیزرها مانع مالی هم ایجاد می‌کنند. طبق گفته‌ی لانگ، برای عملی‌شدن پروژه، هزینه تأمین انرژی آن‌ها باید از ۱۰۰ دلار به ازای هر وات به حدود ۰٫۰۱ تا ۰٫۰۵ دلار برسد. پک خوش‌بین است؛ زیرا شبیه به پیش‌بینی قانون مور درمورد اندازه‌ی ترانزیستورها، هزینه‌ی انرژی لیزر روی کاغذ باید با گذر زمان کاهش یابد. بااین‌حال، این کاهش قیمت فوری نیست. لانگ می‌گوید: «احتمالاً تاریخ پرتاب برخلاف انتظار حامی مالی در ۲۰ سال آینده ممکن است نیست و باید ۳۰ یا ۴۰ سال صبر کنیم.»

فارغ از هزینه‌ی لیزر، شکل لیزر یا زمان اجرای پروژه، مسئله‌ی سیاست‌گذاری مطرح است. لیزری که معادل چهار نیروگاه انرژی منتشر می‌کند، همان‌طور که در کنفرانس مدرسه عالی نیروی دریایی نشان داده شد، یک سلاح محسوب می‌شود. تنها راه‌حل این مشکل، همکاری و اعتماد بین‌المللی است که در حال حاضر در بالاترین سطح قرار ندارد.

وقتی موتور فوتون روشن و فعال شود، انرژی لیزر باید به بادبان نوری سفینه برسد و آن را با قدرت حدود ۱۰۰ گیگاوات به جلو براند. بادبان باید در برابر هجوم پرتوها مقاومت کند و شتابی معادل ۴۰هزار برابر گرانش زمین را تحمل کند؛ یعنی ۴۰هزار برابر کشش گرانشی‌شده حس‌شده هنگام سقوط از صخره.

موادی که بتوانند هم فشارهای ناشی از سرعت نزدیک به نور را تحمل کنند و هم ضربه‌ی شلیک لیزر را تاب بیاورند و درعین‌حال خاصیت بازتابندگی خود را حفظ کنند، معمولاً سنگین هستند. برکترو استارشات درنظر داشت که ماده‌ی مخصوص بادبان نوری، چهار متر قطر اما فقط یک گرم وزن داشته باشد. هدف مرحله اولیه‌ی پروژه شناسایی مواد و طراحی‌های بالقوه بود؛ فرآیندی که توسط هری آتواتر از موسسه فناوری کالیفرنیا هدایت می‌شد. طبق خلاصه‌ی کتاب ۲۰۲۴، ماده کاندیدای اصلی تیم او «نیترید سیلیسیم» بود و نتایج در سال ۲۰۲۲ منتشر شد. مهندسان توانستند آن را با ضخامت زیر میکرون، یعنی کمتر از یک‌دهم ضخامت پوشش سلفون، بسازند.

ویفرهای فوق‌العاده نازک ماده‌ی انتخابی را می‌توان به هم متصل کرد تا ساختاری بزرگ‌تر تشکیل دهند که عمدتاً بازتاب‌دهنده باشد و نور زیادی جذب نکند. مهندسان پروژه این مونتاژ را در مقیاس میلی‌متر انجام داده‌اند اما نه در مقیاس متر. آتواتر و تیمش همچنین یک شبیه‌سازی کامپیوتری برنامه‌ریزی کردند تا عملکرد طرح‌های مختلف بادبان نوری در پرواز میان‌ستاره‌ای بررسی شود.

گروهی دیگر در دانشگاه سیدنی روی روش‌هایی برای پایدار نگه‌داشتن بادبان فرضی کار کرد. آن پژوهشگران در سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۲ به جلسات پیوستند و یافته‌هایشان را به اشتراک گذاشتند؛ اما هیچ‌گاه از برکترو استارشات بودجه دریافت نکردند. مایکل ویتلند، فیزیکدان دانشگاه سیدنی، در مورد جاه‌طلبی پروژه می‌گوید: «کل ماجرا همیشه عجیب و غریب بود. هیچ‌وقت باورش نداشتم. اما فکر می‌کنم دیدگاه من درباره چنین پروژه‌هایی این است که اگر تحقیقات بنیادی انجام دهید تا مشکلی را در چارچوب یک طرح فوق‌العاده عجیب حل کنید، می‌توانید تحقیقات واقعاً مفید انجام دهید.»

و این همان کاری بود که تیم سیدنی انجام داد. آن‌ها می‌دانستند که بادبان در حین شتاب‌گرفتن توسط پرتو لیزر به‌طور دائم به اطراف هل داده می‌شود؛ درنتیجه باید راهی پیدا می‌کردند تا آن را به مرکز بازگردانند. ویتلند می‌گوید: «اما این کار باعث ایجاد نوسانات می‌شود.» جابه‌جایی لیزر می‌توانست این مسئله را جبران کند، اما همان‌طور که در اصلاح پرتوهای لیزر برای جلوگیری از «سوسوزدن» دیدیم، جابه‌جایی ‌آنی مجموعه‌ی لیزرها ممکن است اساساً غیرممکن باشد.

بادبان‌ها مسئله‌ای جدا از خود سفینه‌ها هستند که باید تا حد امکان کوچک و سبک باشند. برکترو استارشات این سفینه‌های کوچک را «نانوکرافت» می‌نامد. ایده‌ی پیشگام برای طراحی سفینه‌ها به منچستر تعلق داشت؛ همان دانشجوی فارغ‌التحصیلی که در آغاز برنامه مملو از شور و امید بود. ساخته‌های اولیه‌ی منچستر برای سفر به فراتر از منظومه شمسی یا حتی فراتر از مدار زمین طراحی نشده بودند. او به‌عنوان دانشجوی فارغ‌التحصیل در دانشگاه کرنل، تحت نظارت پک، درحوالی سال ۲۰۰۹ شروع به طراحی ماهواره‌هایی در اندازه تمبر پستی کرد و اسامی مختلفی مانند اسپریتس و چیپ‌ست روی آن‌ها گذاشت. او در سال ۲۰۱۱ پروژه را از طریق جمع‌سپاری مالی تأمین کرد و در سال ۲۰۱۴ حدود صد چیپ‌ست به فضا فرستاد؛ اما یک نقص فنی موجب شد آن‌ها نتوانند در مدار مستقر شوند و هنگام بازگشت از جو سوختند.

در سال ۲۰۱۹ منچستر توانست دوباره برای پرتاب اقدام کند و ۱۰۵ چیپ‌ست را به طور همزمان با موفقیت در فضا مستقر کرد. او نشان داد که این ماهواره‌ها می‌توانند در فضا با هم ارتباط برقرار و مانند یک گروه عمل کنند. بااین‌حال، نهاد تنظیم‌گر پرتاب‌ها تنها اجازه‌ی یک پرواز به او داد. او می‌گوید: «سپس کمیسیون فدرال ارتباطات (FCC) نتیجه گرفت که ما با زباله‌های فضایی جهان را نابود می‌کنیم»؛ درحالی‌که وقتی قرار باشد ماهواره‌ها بسیار فراتر از مدار زمین به اعماق فضا بروند، مشکلی ایجاد نخواهد شد.

البته برکترو استارشات هنوز فراتر از جایی نرفته است. بااین‌حال، تیم‌ها دریافتند که در هر چهار حوزه‌ی مشکل، طرح اولیه از نظر فنی هیچ مشکلی ندارد. آن‌ها همچنین به اندازه کافی تحقیق کردند تا بفهمند چه چیزهایی را نمی‌دانند و چه نوع توسعه فنی و بودجه‌ای لازم است تا ایده به سرانجام برسد.

پیشرفت پروژه احتمالاً به دلیل اینکه صد میلیون دلار هرگز فراهم نشد، کند شد. هرچند کمک‌های مالی استارشات عمومی نشدند، تجربه لووبین میزان هزینه‌ها را نشان می‌دهد. گروه او دو کمک مالی دریافت کرد: یکی ۱۱۶هزار دلار و دیگری حدود ۸۰هزار دلار. برخی از همکارانش در استرالیا نیز ۸۰هزار دلار دریافت کردند. لووبین می‌گوید: «ما در مجموع کمتر از ۲۰۰هزار دلار درطول ۸ سال دریافت کردیم.» این رقم بسیار کمتر از بودجه‌ای بود که ناسا برای پژوهش‌های میان‌ستاره‌ای لووبین اختصاص داده بود، هرچند رویکرد رسانه‌محور برکترو استارشات موجب شد نام آن بیشتر با پروژه‌ی سفر میان‌ستاره‌ای مرتبط شود.