חללית שמשוגרת במימון המונים תנסה להוכיח את ההיתכנות של הנעת לויינים בלי דלק – בעזרת קרני השמש בלבד
אם לא יהיו תקלות או דחיות של הרגע האחרון, תשוגר השבוע משימת חלל מסקרנת: ספינת המפרש הראשונה שתטוס במסלול סביב כדור הארץ ותעניק, אם המשימה תצליח, כמובן, אישור נוסף לטכנולוגיה שנראית כמעט דמיונית - טיסה בחלל בעזרת מפרש המנצל את רוח השמש.
שם החללית, LightSail2, הוא משחק מילים שאפשר לפרשו גם כ"מפרש אור", גם כ"מפרש קל" וגם כ"כהפלגה באמצעות אור". וכולם נכונים. ייחוד נוסף של החללית הוא המקור התקציבי שלה: היא פותחה, נבנתה ומשוגרת במימון המונים, כמיזם של האגודה הפלנטרית (Planetary Society) – ארגון בינלאומי ללא מטרות רווח, הפועל לקידום מיזמים שונים בחקר החלל, ומאגד יותר מ-60 אלף חברים.
מפרש בשטח של 32 מטרים רבועים, ובעובי של פחות משערת אדם. החללית LightSail2 | הדמיה: האגודה הפלנטרית
כל ההתחלות קשות
הרעיון של טיסת חלל בעזרת מפרש שמש נולד לפני כמאה שנה, הרבה לפני שעצמים מעשה ידי אדם הגיעו לראשונה לחלל. העיקרון העומד בבסיסו הוא פשוט: השמש פולטת חלקיקי אור (פוטונים), שאמנם אין להם מסה, אבל יש להם אנרגיה, המתבטאת בתנע קווי. לכן, כשהם פוגעים בחלקיקים אחרים הם מפעילים עליהם לחץ. מדובר בלחץ קטן מאוד – על כדור הארץ הוא זניח בהשוואה לכוחות אחרים שפועלים על גופים – אבל אם פורשים בחלל מפרש מספיק גדול, אפשר "לאסוף" מספיק לחץ כדי להעניק דחף משמעותי למפרש ולחללית המחוברת אליו. ככל שהמפרש מחזיר יותר אור, כך הוא קולט שיעור גדול יותר מהאנרגיה של קרינת השמש ומייצר יותר דחף.
טכנולוגיה שאכן מאפשרת שימוש במפרשים כאלה הבשילה רק בשנים האחרונות. המפרש צריך להיות גדול וחזק מאוד, אבל גם קל מאוד. גם החללית עצמה צריכה להיות קטנה וקלה, מה שדורש טכנולוגיות מיזעור. פרישת המפרש בחלל גם היא אינה עניין פשוט – בהעדר רוח או כבידה, צריך לייצר מנגנון מכני שיפתח את המפרש ויחזיק אותו מתוח.
כבר ב-1993 נעשה ניסוי מעניין במפרש שמש, כשמפרש ברוחב 20 מטרים נפרש מחוץ לתחנת החלל מיר. עם זאת, לא נמדד שום דחף שפעל על התחנה, ככל הנראה משום שהמפרש היה הרבה יותר מדי קטן ביחס לגודל התחנה. ניסוי ראשון בחללית מפרש עצמאית נעשה ב-2005, בשיתוף פעולה בין האגודה הפלנטרית, חברה פרטית והאקדמיה הרוסית למדעים. ואולם, כשל בטיל השיגור הרוסי גרם לכך שהחללית והמפרש כלל לא הגיעו למסלול סביב כדור הארץ.
ההצלחה הראשונה בתחום מפרשי השמש נזקפת לזכות סוכנות החלל היפנית. לאחר כמה ניסויים מקדימים לפרישת מפרש בחלל, היא שיגרה במאי 2010 את החללית איקרוס (IKAROS, ראשי תיבות באנגלית של Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun – חללית עפיפון בין-פלנטרית המואצת באמצעות קרינת השמש). החללית שמשקלה כ-300 ק"ג מצוידת במפרש דקיק בשטח של 196 מטר רבוע (14*14 מ'), ובעזרת קרינת השמש לבדה היא השלימה מסע לכוכב הלכת נגה במשך שבעה חודשים. היא חלפה במרחק של 80 אלף קילומטרים ממנו, ובהמשך נכנסה למסלול סביב השמש, והקשר עמה נותק. המפרש של איקרוס צויד גם באזורים השיכולים לשנות את צבעם, וכך את ההחזר של אור השמש, מה שאיפשר לה לשנות כיוון בלי להזיז את המפרש עצמו: שינוי הצבע גרם לכך שכל חלק החזיר עוצמה אחרת של קרינה, ולכן סיפק דחף שונה מעט.
ב-2015 שיגרה האגודה הפלנטרית את חללית LightSail הראשונה. החללית עמדה ביעד העיקרי – הוכחה של פתיחת המפרש באמצעות ארבעה מוטות טלסקופים הנפרשים באמצעות מנוע. ואולם, החללית הוצבה במסלול נמוך סביב כדור הארץ, כך שהשפעת הגרר האטמוספרי על המפרש הייתה גדולה הרבה יותר מאשר זו של קרינת השמש, והיא נשרפה באטמוספרה שבוע וחצי בלבד לאחר שיגורה.
הצלחה ראשונה למפרש שמש חללי - מסע בין כוכבי לכת. הדמיה של החללית איקרוס בחלל | מקור: ויקיפדיה, Andrzej Mirecki
קופסת נעליים וזירת איגרוף
החללית המיועדת לשיגור ביום שלישי לפנות בוקר (שעון ישראל), כמעט זהה חיצונית ל-LightSail הראשונה. זהו לוויין קובייה שגודלו כקופסת נעליים, כ-30*10*10 סנטימטר, המצויד בכמה לוחות סולאריים קטנים להפקת אנרגיה, ובמפרש בשטח של כ-32 מטר רבוע (5.6*5.6 מ'), כלומר פחות או יותר בגודל של זירת איגרוף. המפרש עשוי מיילאר - חומר המורכב משכבות של פולימר פלסטי ומתכת קלה כמו אלומיניום, המצטיין בהיותו קל, חזק ומחזיר אור. עוביו של המפרש 4.5 מיקרון בלבד (4.5 אלפיות המילימטר) – דק יותר משערת אדם. בניגוד למפרש היפני אין בו אזורים משני צבע, וכדי לנווט החללית אמורה לשנות את זווית המפרש ביחס לשמש באמצעות מנוע באזורים שונים של מסלולה, כפי שסירת מפרש משנה את כיוונו ביחס לרוח כשהיא מבצעת פנייה.
החללית תשנה את זווית המפרש כדי לקבל תאוצה מהשמש רק כשהיא מתרחקת ממנה | הדמיה: האגודה הפלנטרית
החללית תשוגר כמטען משני על גבי טיל Falcon Heavy של חברת SpaceX. הטיל הכבד, שרק בשנה שעברה שוגר בפעם הראשונה, יישא כמטען עיקרי לוויינים צבאיים של חיל האוויר האמריקאי. למעשה, הלוויין הזעיר של האגודה הפלנטרית הוא נספח ללוויין מחקר שמשגר המכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. LightSail2 אמורה להתנתק מהלוויין הנושא אותה רק כשבוע לאחר השיגור, בגובה 720 קילומטר בערך, שם הגרר האטמוספרי קטן מספיק כדי לא להפריע לה. רק כשבוע לאחר מכן היא אמורה לפתוח את המפרש, ולהתחיל להקיף את כדור הארץ בעזרת התאוצה שהיא תקבל מהשמש. החללית אמורה לבצע שינויי מסלול שיוכיחו כי אכן היא מונעת בעזרת הדחף של אור השמש, ובסופו של דבר לכוון עצמה למסלול שיגרום לה להישרף באטמוספרה כחודשיים לאחר השיגור.
הדמייה של משימת Lightsail2 בסרטון של האגודה הפלנטרית:
לאט אבל רחוק
השיטה של איסוף אנרגיית השמש בעזרת מפרש מייצרת דחף חלש יחסית, ודאי בהשוואה למנוע רקטי, המייצר דחף רב בזמן קצר. אבל בניגוד למנוע רקטי, אור השמש פועל כל הזמן, וכשמודבר במשימה לטווח ארוך, החללית יכולה לפתח מהירות גבוהה אף יותר מחלליות בעלות מנוע כזה. LightSail2 צפויה להגדיל תוך חודש את מהירותה בכ-550 קמ"ש (בהשוואה למהירות ההתחלתית), ובמסע ארוך המהירות תגדל עוד יותר. במסעות ארוכים לעומק החלל, לחלליות כאלה יש יתרון מובהק – הן מגבירות את המהירות כל הזמן בלי צורך במקור אנרגיה חיצוני, כלומר בלי דלק.
אחת היוזמות המעניינות בתחום חלליות המפרש היא תכנית לשגר חלליות זעירות ממש, עם מפרש בקוטר כמה מטרים, לחקור מערכות שמש קרובות. את החלליות האלה ידחפו לא בעזרת אור השמש, אלא בעזרת לייזר חזק מאוד מכדור הארץ, שיקנה להן מהירות עצומה (כחמישית ממהירות האור). הבעיה בחלליות מפרש, ובמיוחד בחלליות לייזר כאלה, שאין אפשרות לעצור אותן, ודאי לא להחזירן, אם כי יש מדענים שכבר הציעו פתרון חלקי גם לבעיה הזו.
הצלחה של משימת LightSail2 תספק הוכחה נוספת להיתכנות של טכנולוגיית חלליות המפרש, ובוודאי תעניק רוח גבית – כלומר, קרינת שמש גבית – לכמה וכמה מיזמים שנמצאים בשלבי פיתוח.
איש הטלוויזיה ביל ניי, שהוא גם מנכ"ל האגודה הפלנטרית, מסביר המשימה ואת עקרון מפרש השמש (אנגלית):
