יום רביעי, 31 באוגוסט 2011

שעונים אטומיים, לייזרים, ומפרשי שמש

עוד לפני ששכחנו שתכנית מעבורת החלל נסגרה סופית, ושלארה"ב אין כרגע יכולת לשגר בעצמה אסטרונאוטים לחלל, הכריז בשבוע שעבר משרד המדע האמריקאי על קבלת שלושה פרוייקטים חדשניים של סוכנות החלל הלאומית (נאס"א).
בהודעת הבית הלבן נכתב שהממשל מבין את הצורך בהמשכיות הטיסות המאויישות לחלל, אך כדי לעמוד באתגרים של המשימות העתידיות, יש צורך להשיג פריצות דרך טכנולוגיות. כל אחד משלושת הפרוייקטים ידגים בחלל יכולת מבצעית של טכנולוגיה חדישה ומהפכנית. התחומים בהם עוסקים הפרוייקטים הם תקשורת לטווחים ארוכים מאד, הגברת דיוק מדידת המיקום והכיוון של חלליות, והנעה ללא דלק.

שימוש בטכנולוגיות החדישות ייתן  דחיפה משמעותית לחקר החלל הן מבחינת השיפור המשמעותי בביצועים והן מבחינת הפחתת העלויות. מדובר בטכנולוגיות שכיום הן בחיתוליהן, ונאס"א תידרש להאיץ את הפיתוח שלהן ולבצע את ההדגמה המבצעית בחלל תוך 3 עד 4 שנים בלבד.

בתחום התקשורת:
בתקשורת אופטית, להבדיל מתקשורת רדיו שבה משתמשים היום, חללית שתבצע מדידות בכוכב לכת מרוחק תשדר קרן לייזר שבה מקודד המידע, ותחנת קליטה בכדור הארץ תקלוט את הקרן ותפענח את המידע שהיא נושאת. קצב העברת המידע בשיטה זו יגדל עד פי- 100 מאשר באמצעות שידור בתדרי רדיו. כתוצאה מכך ניתן יהיה להפעיל יותר מכשירי מדידה במשימות למרחקים גדולים, ולנצל טוב יותר את הזדמנויות השידור לכדור הארץ. נושא זה הוא קריטי למשימות מחקר מודרניות, שבהן נדרש לשדר תמונות בהפרדה גבוהה או תמונות שצולמו במספר אורכי גל. אין ספק שיכולת זאת תידרש גם למשימות מאויישות בעתיד. האתגר הוא לא רק ביצירת קרן לייזר חסכונית באנרגיה, אלא גם בשידורה על פני מיליוני הקילומטרים שבין כוכבי הלכת.
איור להמחשת תקשורת אופטית בין מאדים וכדוה"א
Courtesy AAO

בתחום הניווט:
יפותח שעון אטומי קל משקל המדוייק פי- 10 יותר מהשעונים הנוכחיים. שעונים מדוייקים נדרשים כדי להגיע לדיוק מיטבי של מערכות ניווט והנחיה, וזהו גורם מכריע במיוחד במשימות רובוטיות. לכל שעון יש "סחיפה", חוסר דיוק זעיר שמצטבר כעבור זמן עד שהשגיאה הופכת למשמעותית, ואז יש לטפל בה. הגברת הדיוק נדרשת לחלליות שנשלחו הרחק מאד מכדור הארץ וצריכות לשדר נתונים חזרה. הטכנולוגיה תסייע גם כדי לדעת במדוייק היכן נמצאת החללית, דבר שהיום דורש תקשורת דו-כיוונית עם תחנה על כדור הארץ. בנוסף אפשר יהיה לשדרג את מערך ה- GPS, המושתת על לווינים, ולהפוך אותו למדוייק ויעיל הרבה יותר.
Gps satellites 2 
gps satellites
לווין GPS

בתחום ההנעה:
יודגם מפרש סולרי גדול בהרבה מכל מפרש שנוסה בחלל עד כה. מפרש סולרי הוא יריעה דקיקה בעלת שטח גדול מאד שמחוברת לחללית. אור השמש דוחף את המפרש בחלל, וכך משיגים הנעה ללא צריכת דלק כלל. ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו למשל כדי להגיע לכוכבי לכת מרוחקים, או כדי להוציא ממסלולו לווין שהדלק שלו אזל. ניתן להשתמש בכוח השמש המופעל על המפרש אפילו כדי להציב לווינים במסלולים שאינם יציבים ללא טכנולוגיה זו. המפרש שיפותח במסגרת פרוייקט זה גודלו 38 מ"ר.
Credit: NASA

אמנם הייתי שמח לשמוע על תכנית להקמת בסיס ירח או טיסה מאויישת למאדים או ליעד אחר, אבל שני דברים חשובים נובעים מהתכנית הזו. ראשית, שנוכל לראות את התוצאות תוך זמן קצר, ושנית, שיש לכל אחת מהטכנולוגיות הללו פוטנציאל לשרת את האנושות בשימושים רבים הנגזרים מהייעוד המקורי שלהן.
בזמן שארה"ב חוזרת לשיגור אסטרונאוטים בשיטות המזכירות את תכנית אפולו מלפני 40 שנה, יפה לראות שבכל זאת נאס"א אינה קופאת על שמריה ואכן מתכננת קדימה.

14 תגובות:

  1. תוכל להסביר איך פועל שידור אופטי? בפרט, אם אני חללית במאדים, איך אני "פוגע" עם הלייזר במקלט שנמצא בכדור הארץ במקום קטנטן?

    השבמחק
  2. לא ברור לי מדוע רוחב הפס של שידור לייזר גדול פי 100 מזה של שידור רדיו רגיל. הרחב.

    לגבי שעונים - איך מסנרנים שעונים לדיוק מקסימלי? איך יודעים איזה שעון "צודק" ואיזה "נסחף"?

    לגבי מפרשי שמש, יש להם גם חסרונות- כמו חוסר היכולת לנוע לכיוון השמש, למשל.

    השבמחק
  3. נתי - שידור אופטי הוא הפקה של קרן לייזר מאופננת. הקרן היא למעשה קונוס של אור שמתרחב ככל שמתרחקים מהמקור. אני מניח שמהמרחק של מאדים רוחב אלומת הלייזר תהיה לפחות בקוטר של כדור הארץ כולו, כך שאפשר יהיה להציב מקלט בכל מקום על חצי הכדור שיפנה באותו רגע לכיוון מאדים.

    איתמר - רוחב הפס הגדול נובע מהאיכות הגבוהה של האות, כלומר ממספר קטן מאד של שגיאות יחסית לצורות תקשורת אחרות. לכן אפשר לצמצם את החזרות ומנגנוני תיקון השגיאות של פרוטוקולי התקשורת ובמקומם להרחיב את סט הנתונים המשודר.

    לגבי שעונים - שאלה מצוינת. אני אנסה לברר את התשובה ;-)

    מפרשי שמש - אתה צודק, אבל אפשר לדמיין את זה כמו ספינת מפרש - כשהרוח לא בכיוון הנכון, אפשר לקפל ולהפעיל הנעה חלופית. כרגע רוצים לפתח את הטכנולוגיה לכיוונים חדשניים. לדוגמה, החללית היפנית איקרוס הוכיחה יכולת תמרון באמצעות שינויי צבע של אזורים שונים על גבי מפרש השמש שלה.

    השבמחק
    תשובות
    1. תגובה מאוחרת מאד, אבל רק עכשיו אני קורא את הבלוג שלך, מתחילתו...

      1. רוחב הפס הגדול יותר נובע בעיקר מתדר הגל הנושא הגדול יותר. התדר באופטי גדול פי כמה מתדר אות הרדיו. ככל שהגל הנושא בתדר גבוה יותר, אפשרי להרכיב עליו אינפורמציה ברוחב סרט גבוה יותר.

      2. שעונים אטומיים מסוג חדש משווים זה לזה... בונים שניים, ובודקים עד כמה הם סוחפים זה ביחס לזה. זאת כמובן לאחר שהראו שהם מדויקים יותר ממה שקיים.

      מחק
  4. שני דברים:
    1. האם תוכל להרחיב בקשר לתוכנית היפנית ומפרשי שמש בכלל?
    2. בנוגע לסנכרון שעונים, במערכת GPS ניתן לסנכרן כל מקלט רק מידיעת המרחק מהמשדרים. אני מניח שניתן לדעת את מרחק החללית יחסית לשעונים שישמשו לסנכרון. השעונים האלו יכולים להיות כבדים מסורבלים מדוייקים ובקרבת כדור הארץ.
    (כל מה שאמרתי כאן הוא בהנחה שהשיטה שתשמש לפרוייקט דומה לשיטה שמשמשת ב GPS )

    השבמחק
  5. גאוני. זו בעצם צורת תקשורת שיותר קל לקלוט ככול שהמרחק גדל.

    השבמחק
  6. מומו, מפרש שמש היא שיטת הנעה המבוססת על התנע שמעביר האור לגוף המואר. גוף חופשי (בחלל) מושפע ממנו הרבה יותר מגופים "המחוברים" לקרקע. גוף קל משקל ובעל מימדים גדולים מושפע כמו מפרש ברוח. אני עשוי לכתוב עוד על הנושא, אבל בינתיים אפנה אותך לערך בויקיפדיה באנגלית: http://en.wikipedia.org/wiki/IKAROS

    נתי, שכחתי להדגיש את המחיר (כי אין ארוחות חינם): ככל שהאלומה מתרחבת, היא נעשית "דלילה" יותר, וצריך ציוד רגיש יותר כדי לקלוט אותה. זה בעצם האתגר, הרי גם היום אפשר להאיר עם לייזר בחלל, אבל אי אפשר יהיה לקלוט אותו ממרחק גדול כי הקרן תתפזר.

    השבמחק
  7. יואב, את הרעיון המקורי של מפרש שמש אני מכיר (עוד מסרט מלחמת הכוכבים) , מצאתי את הערך בויקי מעט דליל. השאלה העיקרית שמעניינת אותי היא האם ניתן להפליג "מול" הרוח הסולרית כשם שעושים במפרש המונע ברוח.
    בנוסף, עוד פרוט על הפרוייקט\המשימה היפנית גם יכול לעניין.

    השבמחק
  8. לא ניתן לנוע שלא עם רוח השמש, אבל זה עדיין מאפשר להאיץ מבלי לבזבז דלק, למשל.
    אני לא פנוי כרגע לכתוב על המשימה עצמה, אולי בעתיד, אבל בעמוד של ויקיפדיה (שהוא באמת לא גדול מאד) יש למטה קישורים לאתרים אחרים (אמנם חלקם ביפנית, אבל תרגום גוגל לאנגלית מאפשר להבין).

    השבמחק
  9. יופי של רשומה! נהניתי מאוד לקרוא אותה ואת התגובות. ועכשיו לשאלות:

    1. תקשורת רדיו מתפזרת הרבה יותר מקרן לייזר, והעוצמה שלה נמוכה בהרבה. איך בעצם ניתן להשתמש בה בשביל לתקשר על סקאלות של כל מערכת השמש? נשמע שיש כאן איזשהו הבדל רציני ברעיונות הבסיסיים של שני סוגי התקשורת...

    2. 38 מ"ר? זה לא נשמע גדול יותר מכל מה שנוסה עד היום... או שזו רק הצגת תכלית?

    השבמחק
  10. תודה עופר,
    השיטה צריכה להיות לייזר בעוצמה גבוהה ובמיקוד רב. זה בדיוק האתגר הטכנולוגי שעליו מדובר. לא מדובר על פריצת דרך מדעית, כי ברור שזה אפשרי מבחינה פיסיקלית, אלא על פריצת דרך טכנולוגית, כי הטכנולוגיה הקיימת לא מאפשרת לעשות זאת כרגע.
    אגב, משימה בשם LISA היתה אמורה להשתמש בלייזר לטווח ארוך בין חלליות כדי למדוד גלי גרוויטציה. במשימה הזו, שהוקפאה בינתיים מחוסר תקציב, דובר על לייזר לטווח של 5 מיליוני קילומטרים!

    לגבי המפרש, עד כה נוסו רק מפרשים קטנים של מטרים רבועים בודדים, ולמרות זאת זו עדיין תצוגת תכלית בלבד.

    השבמחק
  11. אני חושב שלא הבנת את השאלה הראשונה שלי - התכוונתי איך ניתן להשתמש בתקשורת רדיו בטווחים שבהם היא משמשת כיום, בהנתן שהיא מתפזרת הרבה יותר ובעוצמה נמוכה יותר.

    השבמחק
  12. עכשיו הבנתי. זה די פשוט - משתמשים באנטנה מאד גדולה.
    לדוגמה, כדי לקלוט את וויאג'ר 2 משתמשים באנטנה בקוטר 70 מטר ששוקלת 3500 טון!

    השבמחק
  13. יואב, קלעת בדיוק, קצת מזכיר הסרת שיער בלייזר והחכמים שבינינו יבינו על מה אני מדבר.

    השבמחק