الأشرعة الضوئية المُحسّنة بالذكاء الاصطناعي تقرب السفر بين النجوم من الواقع

هل يمكن لمركبة فضائية أن تستفيد من الضوء كما يستفيد القارب الشراعي من الرياح؟ أتاحت التطورات في المواد وتصميم الأشرعة الضوئية بحث هذه الفكرة عملياً. وتستخدم دراسة حديثة الذكاء الاصطناعي لتحسين تلك الأشرعة واستكشاف إمكان توظيفها في الرحلات بين النجوم.

ما الأشرعة الضوئية؟ شرح طريقة الدفع بالضوء

عند تخيّل السفر إلى أعماق الفضاء، قد تتبادر إلى الذهن مركبة مزوّدة بمحركات صاروخية أو دافعات أيونية. وإلى جانب هذه التقنيات، تعود فكرة الأشرعة الضوئية إلى قرون مضت، لكنها تحظى اليوم باهتمام بحثي متجدد.

نوقشت فكرة استخدام الضوء لدفع مركبة فضائية منذ القرن السابع عشر، ومن بين من تناولها يوهانس كيبلر وغاليليو غاليلي.

وتشير روايات تاريخية إلى أن كيبلر استلهم الفكرة من ملاحظة امتداد ذيل المذنّب بعيداً عن الشمس، فتساءل عمّا إذا كان ضغط ضوء الشمس يستطيع دفع الأجسام عبر الفضاء.

أول شراع ضوئي يعمل في الفضاء: إنجاز عام 2019

لم يُشغَّل شراع ضوئي على مركبة فضائية بنجاح إلا في عام 2019. ففي محاولات سابقة لم ينفتح الشراع كما ينبغي. أما في هذه التجربة ففُتح واستُخدم لتغيير اتجاه المركبة في مدارها، في خطوة أثبتت عمل هذا النوع من الدفع خارج المختبر.

كيف تعمل الأشرعة الضوئية؟

تتخذ الأشرعة الضوئية أشكالاً مختلفة، لكنها تعتمد جميعاً على غشاء عاكس بالغ الرقة يدفعه ضغط الضوء. ويطمح بعض الباحثين إلى بلوغ سرعة تعادل خُمس سرعة الضوء. وإذا تحقق ذلك، فقد يختصر زمن إرسال المسابير إلى أنظمة نجمية أخرى مقارنة بوسائل الدفع التقليدية.

مبادرة Breakthrough Starshot: نحو ألفا قنطورس

من المبادرات الداعمة لهذه الفكرة مشروع Breakthrough Starshot الذي أسسه يوري ميلنر والفيزيائي ستيفن هوكينغ.
يتصور المشروع استخدام أشعة ليزر أرضية قوية لدفع أشرعة خفيفة وعاكسة تحمل مسابير صغيرة. ويمكن تزويد تلك المسابير بكاميرات وأجهزة قياس ومستشعرات لإرسال بيانات إلى الباحثين على الأرض.

التحديات التي تواجه الأشرعة الضوئية التقليدية

قد توسّع الأشرعة الضوئية إمكانات استكشاف الفضاء، لكن استخدامها لا يزال محدوداً بعقبات عدة. فتصنيعها مكلف ويتطلب تقنيات دقيقة لإنشاء بنى نانوية من مواد تتحمل ظروف الفضاء.

ومن المشكلات أيضاً صعوبة زيادة حجمها. فالأساليب الحالية تنتج بنى صغيرة جداً، ولا تتيح بعد الاستفادة بالمزايا نفسها في المركبات الكبيرة أو المأهولة.

وتحتاج الأشرعة إلى هندسة خاصة تشمل ثقوباً مجهرية لتقليل الكتلة. وكما هو الحال مع الشراع التقليدي، تساعد الكتلة الأقل على زيادة التسارع، إلا أن تعقيد البنية ومتطلبات الأداء الصارمة يصعّبان استخدامها في مشروعات أكبر.

تصنيع أشرعة ضوئية محسّنة بالذكاء الاصطناعي

طوّر باحثون من جامعة براون وجامعة دلفت للتكنولوجيا طريقة جديدة لتصنيع الأشرعة الضوئية بمساعدة الذكاء الاصطناعي. وتعرض الدراسة المعنونة «Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization»¹، والمنشورة في مجلة Nature Communications، طريقة لتصميم هذه الأشرعة وصنعها قد تدفع البحث في هذا المجال إلى الأمام.

 كيف تُصمَّم الأشرعة بمساعدة الذكاء الاصطناعي

ابتكر المهندسون تقنية حفر باستخدام الغاز لأغشية من طبقة واحدة من نتريد السيليكون، وهي بالغة الرقة وشديدة الانعكاس. وتزيل العملية المادة من أسفل الشراع بصورة مضبوطة حتى تصل إلى السمك والشكل المطلوبين.

صمّم الفريق عاكساً من بلورة فوتونية ذات شبكة خماسية، يجمع بين خفة الوزن والمتانة. ويبلغ طول ضلع الشراع نحو 60 مليمتراً، بينما لا يتجاوز سمكه نحو 200 نانومتر؛ أي إنه أرق بكثير من شعرة الإنسان. وصُممت بنيته لتحمل الضغط أثناء التشغيل.

جعل الباحثون الثقوب عند حافة الشراع أكبر بنحو 3% من الثقوب في وسطه. ووفقاً للفريق، نقل هذا التعديل طيف الانعكاس بمقدار 10 إلى 20 نانومتراً وزاد قدرة الشراع على عكس الضوء.

المصدر – Brown

البلورات الفوتونية ونيتريد السيليكون: مواد المستقبل

تهدف هذه التفاصيل الدقيقة إلى رفع انعكاسية الشراع؛ فكلما تحسن انعكاسه زادت قدرة ضغط الضوء على دفع المركبة. ولهذا استخدم الباحثون الذكاء الاصطناعي لتحسين هذه الخاصية.

استخدم باحثو جامعة براون وجامعة دلفت نموذجاً لتحسين البنية يعتمد على الشبكات العصبية لتصميم الشراع وصنعه. وجمعوا بين علوم المواد والهندسة الإنشائية والبصريات لإنتاج شراع أكبر وأكثر كفاءة من التصاميم السابقة التي تناولتها الدراسة.

استخدم الفريق نظام الذكاء الاصطناعي قبل تحليل العناصر المحددة. وبهذا بحث عن أوزان الشبكة العصبية وانحيازاتها لتحسين شكل البنية وحجمها ومواضع عناصرها.

يحوي الشراع ثقوباً نانوية كثيرة لزيادة الانعكاس وتقليل الكتلة. ويساعد توزيع الثقوب الأصغر من طول موجة الضوء على توجيهه لتوليد قوة دفع. ووفقاً للباحثين، قد تحسّن هذه الطريقة التسارع وتحمل تغيّر التردد الناتج عن تأثير دوبلر، مع خفض تكاليف التصنيع والإطلاق.

تصنيع أسرع بتكلفة أقل كثيراً

اختبر المهندسون الشراع المصنَّع بطرق عدة للتأكد من أدائه. وصنع الفريق عاكساً بأبعاد 60 × 60 مليمتراً وسُمك 200 نانومتر، يضم أكثر من مليار عنصر نانوي. ويقول الباحثون إن كلفة تصنيعه كانت أقل بنحو 9000 مرة من الطرق التقليدية، وأن العملية استغرقت نحو يوم واحد.

اختبار أداء الشراع الضوئي المُصمم بالذكاء الاصطناعي

أظهرت الاختبارات أن التصميم الجديد قد يقدم أداء أفضل بتكلفة أقل. كما يمكن توسيع نطاق عملية التصنيع، وقد تفيد مستقبلاً في خطط الرحلات بين النجوم. وتشير بيانات الفريق إلى أن البنية أصبحت أكثر متانة واستجابة للضوء الذي يدفعها.
وصُمم الشراع أيضاً لمنح مرونة أكبر في التحكم بالاتجاه؛ فبينما كانت الأشرعة السابقة تتحرك أساساً وفق اتجاه الضوء الساقط عليها، قد يتيح نمط الانعكاس الجديد قدرة أفضل على التوجيه.

من المختبر إلى التطبيق: استخدامات الأشرعة الضوئية

قد توفر الطريقة وسيلة أكثر موثوقية لإنتاج أشرعة نانوفوتونية رقيقة وخفيفة. ويذكر الفريق أنه يستطيع إكمال تصميمات خلال أقل من 24 ساعة، بعدما كانت طرق سابقة تستغرق سنوات.

دور الذكاء الاصطناعي في ثورة مواد الفضاء

تفتح الدراسة مجالاً لتطوير تصميم هذه المواد وتصنيعها واختبارها. وقد صنع الباحثون بهذه الطريقة أحد أكبر الأشرعة التي تناولتها دراستهم. ويمكن أن يساعد التحسين بالذكاء الاصطناعي في استكشاف أشكال أخرى مستقبلاً.
وتظل الكلفة عاملاً حاسماً؛ فإذا أمكن تكرار التخفيض المعلن على نطاق أوسع، فسيستطيع مزيد من الفرق البحثية تجربة الأشرعة الضوئية في مشروعاتها.

الباحثون المشاركون في تطوير الشراع

قاد الدراسة ميغيل أ. بيسا وريتشارد أ. نورتي، بمشاركة زملاء من جامعة براون وجامعة دلفت للتكنولوجيا، منهم لوكاس نوردر، وشونيو ين، وماتيس هـ. ي. دي يونغ، وفرانشيسكو ستالوني، وهانده أيدوغموس، وباولو م. سبيرنا. وتلقى المشروع تمويلاً من الاتحاد الأوروبي ومنحة I2 من معهد Limitless Space Institute.
ويأمل الفريق تحسين تصميم الشراع بمساعدة الذكاء الاصطناعي واستخدام المحاكاة لاختبار ترتيبات مختلفة للثقوب النانوية التي تزيد الانعكاس وتقلل الكتلة.

الأشرعة الضوئية والاتصالات بين النجوم

الاستكشاف الفضائي هو الاستخدام الرئيسي المتوقع لهذه الأجهزة. وقد تساعد طريقة التصنيع الجديدة في إنتاج أشرعة نانوفوتونية خفيفة قابلة للتصنيع بأحجام أكبر لمسابير بين النجوم تدفعها أشعة الليزر. وربما تُستخدم أيضاً في أجهزة أخرى تعمل بالضوء.

أنظمة الاتصالات المتقدمة

من الأفكار النظرية استخدام عدد كبير من الأقمار النانوية الصغيرة كنقاط ترحيل لنقل البيانات عبر مسافات بين النجوم. لكن شبكة كهذه تحتاج أجهزة تحصل على طاقتها وتتحمل بيئة الفضاء فترات طويلة، ولا تزال جدواها بحاجة إلى إثبات.

الاستثمار في الفوتونيات

يضم قطاعا الفوتونيات والتصنيع النانوي شركات تستثمر في البحث والتطوير. ومن بينها Applied Materials، المعروفة بتوفير المعدات والتقنيات لصناعة أشباه الموصلات.

Applied Materials Inc.

تأسست Applied Materials Inc (AMAT ) عام 1967 شركةً لتوريد المواد الكيميائية. وبعد نحو عقد وجّه مؤسسها مايكل أ. ماكنيلي نشاطها إلى خدمة صناعة أشباه الموصلات المتنامية. وقد تدعم تقنيات الشركة تصنيع البلورات الفوتونية ومواد أشباه الموصلات المتقدمة المستخدمة في مكونات المركبات الفضائية.

وسعت Applied Materials أعمالها ومنتجاتها عبر الاستحواذ على شركات منها Etec Systems وOpal Technologies وBaccini. وقد عززت هذه الصفقات وجودها في القطاع.

آخر الأخبار عن شركة Applied Materials Inc

ما هو التالي لتقنية الأشرعة الضوئية المُحسّنة بالذكاء الاصطناعي؟

قبل استخدام التقنية خارج المختبر، لا بد من معالجة تحديات أخرى. فعلى المهندسين تجربة مواد أخف والتأكد من تحملها الظروف القاسية في الفضاء.
كذلك لم تخضع هذه الأشرعة لاختبارات كافية في المدار. وقد تشمل الخطوة المقبلة إطلاق أجهزة صغيرة ومراقبة أدائها لمعرفة ما إذا كانت تفي بمتطلبات البعثات الطويلة.

الأشرعة الضوئية المُحسّنة بالذكاء الاصطناعي

إذا نجحت مراحل التطوير والاختبار التالية، فقد تساعد الأشرعة الضوئية المحسّنة بالذكاء الاصطناعي مسابير صغيرة على الوصول إلى أنظمة نجمية أخرى. أما شبكة الاتصالات بين النجوم فما زالت تصوراً بعيد المدى. وفي الوقت الحالي، تُظهر الدراسة تقدماً في تصميم أشرعة بالغة الرقة وصنعها.

تعرف على اختراقات أخرى في علم المواد هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, M. H. J., Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, P. M., Bessa, M. A., & Norte, R. A. (2025). مرايا البلورات الفوتونية الخماسية: أشرعة ضوئية قابلة للتوسع مع تسارع محسّن عبر تحسين الطوبولوجيا العصبية. Nature Communications, 16, Article 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}