לחקור אסטרואידים בחלליות בלי דלק

מערכת השמש שלנו כוללת בין השאר כוכב אחד (השמש), שמונה כוכבי לכת, יותר ממאה ירחים וכן שביטים ואסטרואידים רבים. כמה רבים? על פי הערכות שונות יותר מ-150 מיליון אסטרואידים חגים סביב השמש במסלולים שונים, וגם זה רק כשסופרים את האסטרואידים הגדולים יחסית, שקוטרם מאה מטרים ומעלה. עד כה צפינו רק באחדים מהם מטווח קרוב, אך מספרם כה עצום והמגוון שלהם כה רב, עד שקשה להסיק מהמידע שנאסף מסקנות גורפות על הרכבם, תולדותיהם והמבנה שלהם.

כדי לאסוף מידע כזה יש לבחון מקרוב מספר רב של אסטרואידים, אך זו משימה מורכבת מאוד. רובם קטנים מדי לתצפית יעילה בטלסקופים. ואילו שיגור חללית כדי לצלם אסטרואיד ממרחק סביר היא משימה יקרה מאוד, גם אם החללית תצליח לפקוד כמה אסטרואידים במהלך משימתה.

הפתרון לבעיה עשוי להגיע מיוזמה פינית: שיגור צי של עשרות חלליות זעירות שכל אחת מהן תבקר בכמה אסטרואידים. על פי התחשיב שהציגו החוקרים בכינוס הפלנטרי האירופי בריגה בשבוע שעבר, העלות של משימה כזו תהיה כ-200 אלף אירו לכל ביקור באסטרואיד, ובסך הכול 60 מיליון אירו למשימה שתסרוק כ-300 אסטרואידים בתוך כשלוש שנים. המחיר הזה נמוך בשלושה סדרי גודל מהעלות של משימות דומות בחלליות רגילות.

הדמיה של שתי יחידות החללית. אורך החוט במציאות יהיה כ-20 ק"מ | מקור: השירות המטאורולוגי של פינלנד

חללית על חוט

הרעיון שפיתח הפיזיקאי פקה ינהונן (Janhunen) מבוסס על חללית שמשתמשות במפרש חלל אלקטרוני – טכנולוגיה חדשנית שעדיין לא נבחנה במציאות. טכנולוגיית מפרש השמש, לא המפרש האלקטרוני, שכבר נוסתה בהצלחה בהיקף מוגבל, מנצלת את רוח השמש – שטף של קרינה וחלקיקים שנפלטים מהשמש. החלקיקים פוגעים במפרש גדול, ודוחפים אותו ואת החללית המחוברת אליו. הדחף הזה אמנם זעיר, אבל אם היחס בין גודל המפרש לחללית גדול מספיק, די בו כדי להניע את החללית.

בעוד מפרש השמש משתמש בעיקר בפוטונים – חלקיקי אור – המפרש האלקטרוני מנצל פרוטונים, חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי. המפרש עצמו טעון גם הוא במטען חיובי, ופרוטונים הפוגעים בו גורמים לדחייה בין המטענים החיוביים, שדוחפת אותו בכיוון תנועתם.

כדי שהמערכת תפעל ביעילות צריכים לפגוע בה פרוטונים רבים, ולכן גם כאן צריך יחס גדול מאוד בין החללית עצמה למפרש. על פי ההצעה של ינהונן, המפרש יורכב מחוט חשמל אחד באורך של 20 קילומטר, שקצהו האחד מחובר לחללית, והאחר לגוף קטן שיסתובב סביב החללית וישמור על החוט מתוח. המשקל הכולל של המערכת יהיה חמישה קילוגרמים בלבד, משום שהיא אינה צריכה לשאת עמה דלק.

כך תעבוד החללית על חוט | תרגום של התרשים מהצעת המחקר שהוגשה לכינוס האירופי למדעים פלנטריים

במערכת בגודל כזה, רוח השמש תייצר תאוצה של מילימטר אחד לשנייה בריבוע (כלומר, בכל שנייה החללית תגביר את מהירותה במילימטר אחד לשנייה). לדברי החוקרים, תאוצה כזו תספיק כדי להביא את החלליות לחגורת האסטרואידים שבין מסלולי מאדים וצדק, ולשוב למסלול סביב כדור הארץ בתוך קצת יותר משלוש שנים.

החללית עצמה תצויד במערכת סולרית רגילה לייצור חשמל, שתאפשר לה לשמור על המתח בחוט המפרש. שינויי מתח נקודתיים יאפשרו לשלוט במהירותה בהתאם לצרכי המשימה, וגלגלי תמסורת פנימיים יאפשרו לשנות את כיוונה. כל חללית תצויד במצלמה טלסקופית קטנה, שתאפשר לה לתעד את האסטרואיד ברזולוציה טובה ממרחק של כאלף קילומטר, ובספקטרומטר זעיר שיוכל לזהות את ההרכב הכימי של פני השטח של האסטרואיד. בשל מגבלת גודל, החללית לא תצויד במשדר חזק, ולא תוכל להחזיר מידע בזמן אמת. היא תאחסן אותו בשבבי מחשב, ותשדר אותו לתחנות הקרקע רק בסיום המשימה, כשתחזור למסלול קרוב יחסית לכדור הארץ.

על פי התוכנית הזאת, אפשר לשגר צי של 50 חלליות זעירות כאלה למשימה שתאפשר לנו לבקר ביותר מ-300 אסטרואידים בשלוש שנים, בעלות נמוכה. גודלן הזעיר של החלליות גם יאפשר לשגר את כולן יחד, או כמטען נלווה במשימות חלל רבות. בזכות שיטת הטיסה הייחודית, לא משנה היכן ייפרדו החלליות מטיל השיגור, כל עוד זה יהיה מחוץ לתחומי השדה המגנטי של כדור הארץ, שמנטרל פגיעה של חלקיקים טעונים מרוח השמש – כלומר בגובה של כמה עשרות אלפי קילומטרים.

הגרסה האמריקאית - חוטים מרובים. הדמיה של המפרש האלקטרוני בפעולה | מקור: נאס"א

מבט לעתיד

כאמור, יעילותה של מערכת המפרש האלקטרוני עדיין לא הוכחה. בשנת 2013 שוגר לחלל הלוויין האסטוני הראשון, שהיה אמור לבחון גם אבטיפוס ראשוני של מפרש שמש אלקטרוני, עם חוט באורך של עשרה מטרים בלבד (במקום עשרים קילומטר). הניסוי נכשל לאחר שהגלגלת שהייתה אמורה לשחרר את חוט המפרש לא פעלה כמתוכנן. בחודש יוני השנה שיגרה פינלנד לוויין משלה שאמור בין השאר לבחון בעוד כמה חודשים מערכת דומה.

במקביל בוחנת נאס"א, סוכנות החלל האמריקאית, גירסה משוכללת של מערכת כזאת, לטיסה אל קצות מערכת השמש. המערכת מכונה HERTS ("מערכת אלקטרוסטטית לטיסה מהירה אל ההליופאוזה": Heliopause Electrostatic Rapid Transit System), והיא כוללת חללית גדולה יותר ומפרש המורכב מ-20-10 חוטי מתכת דקיקים המסתובבים סביבה. לפי ההערכות, חללית כזו תוכל להגיע לגבולות מערכת השמש תוך עשר שנים בלבד, במקום שלושים שנה ויותר שנדרשו לחלליות וויאג'ר.

חסרונה הגדול של שיטת המפרש האלקטרוני הוא האיטיות היחסית שלה ויכולת התמרון המוגבלת. היא מפצה על כך באפשרות לשלוח חלליות למשימות ממושכות, משום שהן אינן צורכות דלק ועלותן נמוכה. אם הטכנולוגיה הזו – בגירסת החוט היחיד או בגירסה המורכבת – תוכיח את עצמה, ייתכן מאוד שבשנים הבאות נראה חלליות זולות עם מפרש אלקטרוני יוצאות לתור לא רק אסטרואידים, אלא גם כוכבי לכת, ירחים וגרמי שמיים נוספים, ושופכות אור חדש על מסתרי מערכת השמש.