لنز ۶ میلی‌متری دانشمندان رقیب ماهواره میلیارددلاری ناسا شد

محققان دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو با همکاری شرکت BAE Systems موفق به توسعه یک مولفه اپتیکی فوق‌پیشرفته به قطر تنها ۶ میلی‌متر شده‌اند که می‌تواند میدان‌های مغناطیسی خورشید را با دقتی هم‌تراز با ماهواره‌های بزرگ ناسا رصد کند.

به گزارش انگجت، این فناوری جدید که بر پایه متاسطح (Metasurface) ساخته شده است می‌تواند هزینه ماموریت‌های فضایی را به شکل چشمگیری کاهش داده و توانایی دانشمندان در پایش پدیده‌های خطرناک آب‌وهوای فضایی را افزایش دهد.

این پژوهش که نتایج آن ۱۰ ژوئن در نشریه Science Advances منتشر شده گامی مهم در تجاری‌سازی فناوری متاسطح‌ها به شمار می‌رود؛ فناوری‌ای که تاکنون عمدتا در سطح آزمایشگاهی و اثبات مفهوم باقی مانده بود.

فناوری متاسطح جایگزینی برای سامانه‌های اپتیکی پیچیده

متاسطح‌ها نسل جدیدی از فناوری‌های نانومقیاس هستند که از یک سطح تخت با ساختار‌های بسیار ریز در ابعاد نانومتری تشکیل شده‌اند. این ساختار‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند رفتار نور را کنترل و هدایت کنند؛ قابلیتی که لنز‌ها و آینه‌های متداول قادر به انجام آن نیستند.

این فناوری می‌تواند نور ورودی را به طور هم‌زمان به مسیر‌های مختلف تقسیم کرده و ویژگی‌هایی مانند قطبش نور را با دقت بالا اندازه‌گیری کند. قطبش به جهت نوسان امواج نور گفته می‌شود و یکی از ابزار‌های اصلی دانشمندان برای مطالعه میدان‌های مغناطیسی خورشید محسوب می‌شود.

نوآ روبین، استاد مهندسی دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو و نویسنده ارشد این پژوهش گفت: بیشتر تحقیقات دانشگاهی در حوزه متاسطح‌ها در مرحله اثبات مفهوم باقی مانده‌اند. ما توانستیم این فناوری را از آزمایشگاه خارج کرده و به مرحله کاربرد عملی برسانیم.

عبور موفق از آزمایش‌های سخت فضایی

برای ارزیابی قابلیت استفاده از این فناوری در فضا متخصصان شرکت BAE Systems نمونه ساخته‌شده را تحت آزمایش‌های شدید ارتعاشی و تغییرات دمایی بسیار سخت قرار دادند؛ شرایطی که تجهیزات فضایی در زمان پرتاب و فعالیت در مدار با آن مواجه می‌شوند.

نتایج نشان داد این مولفه کوچک تمامی آزمون‌ها را با موفقیت پشت سر گذاشته و به عنوان یک فناوری تاییدشده برای استفاده در فضا شناخته شده است.

روبین در این باره اظهار کرد: از احتمال به‌کارگیری این فناوری در فضا بسیار هیجان‌زده هستیم. این پروژه نمونه‌ای روشن از تبدیل تحقیقات بنیادی دانشگاهی به فناوری‌هایی با ظرفیت واقعی برای اکتشافات و علوم فضایی است.

رصد سریع‌تر و دقیق‌تر طوفان‌های خورشیدی

مطالعه میدان‌های مغناطیسی خورشید برای پیش‌بینی فوران‌های عظیم خورشیدی از جمله پرتاب جرم تاج خورشیدی (CME) اهمیت زیادی دارد. این پدیده‌ها می‌توانند حجم عظیمی از ذرات باردار را به سوی زمین ارسال کرده و باعث اختلال در ماهواره‌ها، شبکه‌های برق، سامانه‌های مخابراتی و تجهیزات الکترونیکی شوند.

در تلسکوپ‌های فضایی کنونی اندازه‌گیری قطبش نور خورشید نیازمند ثبت چندین تصویر متوالی است. در این روش، یک مؤلفه اپتیکی به صورت مکانیکی می‌چرخد و تصاویر مختلفی ثبت می‌شود که در نهایت با پردازش رایانه‌ای با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

این فرآیند علاوه بر زمان‌بر بودن نسبت به کوچک‌ترین لرزش‌ها نیز بسیار حساس است. حتی جابه‌جایی‌های بسیار جزئی در فضاپیما می‌تواند کیفیت داده‌های ثبت‌شده را کاهش دهد. به همین دلیل ناسا ناچار است از سامانه‌های تثبیت‌کننده بسیار پیچیده و گران‌قیمت استفاده کند.

روبین در این زمینه توضیح داد: در بسیاری از موارد هزینه این سامانه‌های تثبیت‌کننده از هزینه خود تلسکوپ بیشتر است.

ثبت هم‌زمان تمام اطلاعات در یک تصویر

فناوری جدید این محدودیت را برطرف کرده است. متاسطح ۶ میلی‌متری بدون نیاز به هیچ قطعه متحرکی نور خورشید را به چندین مسیر قطبشی مختلف تقسیم می‌کند و تمام اطلاعات مورد نیاز برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی را به طور هم‌زمان در یک تصویر ثبت می‌کند.

در نتیجه، به جای ثبت چندین تصویر پیاپی تمام داده‌ها در یک لحظه جمع‌آوری می‌شوند که هم سرعت اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد و هم خطا‌های ناشی از لرزش را کاهش می‌دهد.

لیزا لی، نویسنده اول این مطالعه گفت: با نرخ تصویربرداری بالاتر اکنون می‌توانیم پدیده‌هایی را مشاهده کنیم که سرعت آنها برای ابزار‌های قبلی بیش از حد زیاد بود.

رقابت موفق با رصدخانه خورشیدی ناسا

برای ارزیابی عملکرد این فناوری در شرایط واقعی پژوهشگران آن را در یک تلسکوپ اختصاصی نصب کرده و به رصدخانه خورشیدی دان (Dunn Solar Telescope) در ایالت نیومکزیکو آمریکا منتقل کردند.

در این آزمایش نور خورشید ابتدا به آینه‌ای در بالای یک برج ۱۳۶ فوتی برخورد کرد، سپس ۲۲۸ فوت در زیر زمین حرکت کرد و پس از بازتاب دوباره به سطح زمین رسید. در نهایت نور از میان متاسطح ۶ میلی‌متری عبور داده شد.

نتایج نشان داد این لنز کوچک توانسته میدان‌های مغناطیسی شدید موجود در لکه‌های خورشیدی فعال را با دقت بالا نقشه‌برداری کند. زمانی که داده‌های به‌دست‌آمده با مشاهدات رصدخانه فضایی Solar Dynamics Observatory ناسا مقایسه شد، نتایج تقریبا یکسان بودند.

به این ترتیب این مؤلفه کوچک عملکردی هم‌سطح با یک ماهواره بزرگ و پیشرفته فضایی از خود نشان داد.

پژوهشگران که طی پنج سال گذشته با حمایت مالی ناسا روی توسعه این فناوری کار کرده‌اند اکنون پیشنهاد رسمی یک ماموریت فضایی مبتنی بر این فناوری را ارائه کرده‌اند.

در صورت تایید این طرح متاسطح ۶ میلی‌متری می‌تواند در آینده نزدیک به فضا پرتاب شود و راه را برای ساخت نسل جدیدی از ابزار‌های فضایی کوچک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر هموار کند؛ فناوری‌ای که نشان می‌دهد گاهی بزرگ‌ترین پیشرفت‌های علمی در کوچک‌ترین ابعاد ممکن شکل می‌گیرند.