מפרש שמש

מפרש שמש הוא משטח רחב מחזיר אור שמנצל את לחץ קרינת השמש כדי להניע רכבי חלל. לחץ קרינת השמש על שטח בגודל קילומטר רבוע במרחק השווה למרחק הארץ מן השמש הוא כ-9 ניוטון, דהיינו כמשקל של 900 גרם על כדור הארץ. זהו לחץ שקיים כל עוד המפרש פונה אל השמש ובחלל הוא משמעותי, ואיננו צורך משאב כלשהו.

מפרש שמש בגודל של 20x20 מטר בניסוי במעבדות נאס"א

הדמיה של הגשושית היפנית איקרוס בחלל. באיקרוס נעשה לראשונה שימוש במפרש שמש

את הרעיון למפרש שמש הציג מהנדס הרקטות הסובייטי פרידריך זנדר בשנת 1920.

מקור הקרינה

יש שני מקורות אפשריים לקרינה המניעה את המפרש:

• קרינת כוכב - צורה זו מתאימה לגשושיות המשייטות במערכת השמש, כיוון שאור השמש מספק מספיק אנרגיה במרחק ממנה.
• קרינה ממקור מלאכותי - למשל קרינת מיקרו או לייזר (מכונה גם Starwisp ). בצורה זו התכנון הוא לשדר לעבר הגשושית פעימת לייזר חד פעמית, בעוצמה מספיק גדולה, אשר תספק לגשושית את המהירות הנדרשת. תכנון זה מתאים למשימות שיעדן אל מחוץ למערכת השמש.

מבנה

מפרש השמש הוא משטח גדול, והוא מחזיר קרינה. כאשר פוגעת בו קרינה הוא נהדף ממנה והלאה. כאשר ייקשר המפרש אל עצם כלשהו, ינוע העצם איתו יחד. גשושית המונעת באמצעות מפרש שמש קרויה מפרשית שמש.

יעילותו של מפרש שמש היא פונקציה של יכולת החזרת הקרינה שלו. ככל שתוחזר ממנו קרינה רבה יותר (כלומר פחות קרינה תיבלע בו), כך הדחף שיספק המפרש יגדל.

מפרש אור חייב לקיים דרישות אחדות:

• שטח פנים גדול מאוד (היות שעצמת הקרינה אינה גבוהה ואף פוחתת ככל שמתרחקים מהכוכב).
• עליו להיות חזק מאד.
• עליו להיות דק ובעל צפיפות נמוכה מאד על מנת שיוכל לשאת מטען.
• אם המפרש משוגר מכוכב לכת הוא חייב להיות ניתן לקיפול כדי שאפשר יהיה לאכסן אותו בראשו של טיל ולפרוש אותו בהגיעו לחלל.

למפרש המוזן ממקור מלאכותי יש יתרונות אחדים:

• שטח פנים קטן בהרבה, היות שהקרינה ניתנת למיקוד ולפיכך עצמתה אינה משתנה עם ההתרחקות מהמקור.
• דרושה יכולת החזרה רק לקרינה בעלת אורך גל של המקור.

עם זאת, למפרש המונע על ידי קרינת כוכב יתרון בולט. הוא מאפשר חיסכון ניכר בעלויות משום שהוא איננו זקוק לדלק לשם תנועתו. כל האנרגיה הדרושה להנעתו בחלל מגיעה מהכוכב.

לשיטת הנעה גשושית זו שני חסרונות בולטים:

• יכולת התמרון של המפרש מוגבלת בגלל שהדחף שלו תלוי בכיוון היחסי בין קרינת השמש למפרש, בדומה למפרש רוח בים. לפיכך יש לצייד את הגשושית במנגנון שיאפשר לה לשנות את כיוון המפרש, או את תגובת המפרש לקרינה (כמו שנעשה באיקרוס וב-lightsail2).
• גודלו של המפרש וחוסר יכולת התמרון מגבירים את ההסתברות להתנגשות בעצמים כגון אסטרואידים, התנגשות שבהכרח קטלנית עבור המפרש.

חומרים

בין החומרים שהוצעו לבניית מפרשי אור הוא איירוגרפיט, חומר מוצק שצפיפותו היא נמוכה מן האוויר.

גשושיות מפרש שמש ששוגרו

• בראשית המאה ה-21 הגיעה הטכנולוגיה לרמה המאפשרת ייצור מפרש שמש. ניסויים אחדים במפרשי שמש נעשו במסלול ארץ נמוך (LEO - Low Earth Orbit).
• הגשושית קוסמוס 1 ששוגרה ב-21 ביוני 2005 הייתה הניסוי הראשון במפרש שמש שתוכנן להניע מאסה של 100 ק"ג במסלול בגובה 800 ק"מ. אך בעקבות תקלה בשיגור אבד הקשר עם הגשושית.
• מפרש שמש שוגר ב-21 בפברואר 2006 על גבי משגר לוויינים מדגם M5 של סוכנות החלל היפנית, אך לא נפרש בצורה שלמה.
• בשנת 2010 שיגרה יפן את הגשושית הניסיונית איקרוס לעבר כוכב הלכת נוגה, והיא הייתה הראשונה להשתמש במפרש שמש כמערכת ההנעה המרכזית שלה במסע בין-פלנטרי. מפרש השמש של הגשושית יוצר מחומר שמשנה את בהירותו. אם משנים את הבהירות באזורים שונים במפרש, כך התנע הנמסרת שונה, ולכן המפרש יכול לשנות כיוון.
• בשנת 2015 נשלחה בהצלחה לחלל הגשושית LightSail מטעם האגודה הפלנטרית, שהכח המניע שלה היה לחץ הקרינה. ניסיון פתיחת המפרש הצליח, והגשושית אף שלחה תמונת סלפי.
• ב-25 ביוני 2019 הגשושית Lightsail 2 של האגודה הפלנטרית, שוגרה על גבי משגר פאלקון כבד כחלק ממשימת STP-2. הגשושית עצמה היא בגודל של כקופסת נעליים, ומפרשה בגודל של כזירת איגרוף לאחר פריסה. הגשושית מצוידת בגלגל תנע מה שמאפשר לה יכולת פנייה של 90 מעלות. הפנייה תגרום לכך שחלק מהמפרש יקבל פחות תנע, וכך למעשה יגדיל את גובה השיוט של הגשושית. אם וכאשר גובה השיוט אכן יעלה, אזי יוכח שמפרש השמש עובד ומנצל את לחץ הקרינה לתנועה והאצה. ב-31 ביולי פורסם כי נעשה שינוי במסלול (הגדלת האקצנטריות של המסלול), והמשימה הוגדרה כהצלחה.

תכנונים עתידיים

אחד הרעיונות השאפתניים ביותר שישתמשו בלחץ קרינה הוא כזה שמטרתו לשלוח גשושיות זעירות לכוכב אלפא קנטאורי. המהירות שתתקבל תהיה שווה לרבע ממהירות האור, תוך שימוש בלייזר, כך שצי הגשושיות יגיע לכוכב תוך כ-21 שנים. נכון ל 2017 כבר העריכו כי הטכנולוגיה לייצור גשושיות בגודל של בול דואר עם מפרש בגודל כמה מטרים רבועים מתקרבת לרמת המזעור הנדרשת, אולם נדרש פתרון לבעיה העיקרית של האטת הגשושיות בסוף המסע כדי לאפשר את חקירת היעד.

וריאציה של הרעיון בודקת אפשרות לשיגור גשושיות רבות במשקל גרם אחד, בעלת מפרש במשקל זהה בעלות של כ-100$ ליחידה שיחקרו עצמים במערכת השמש שלנו בדרכם לפרוקסימה סנטאורי. תותח הליזר יהיה בעל עצמה של כ-100 גיגה ואט ויאיץ את הגשושית לחמישית ממהירות האור על ידי הארה של המפרש שלה, שקוטרו מטרים בודדים במשך דקות ספורות.

בספרות המדע הבדיוני

מפרשי שמש הופיעו בספרי מדע בדיוני, שתורגמו לעברית:

• הגבירה שהשיטה את הנשמה , קורדוויינר סמית
• הרוח הנושבת מן השמש, ארתור סי. קלארק
• הקיסם בעינו של אלוהים, לארי ניבן

ראו גם

• מגח בוסארד
• מסע בין-כוכבי
• האם אומאומואה הוא מפרשית שמש?

קישורים חיצוניים

• גשושיות רכובות על אור מאת יורם אורעד
• הסברים על מפרשיות שמש ותמונות של מפרשיות שמש באתר "solar sails"
• אתר המציג הסברים על מפרשיות שמש
• טל ענבר, גליליאו, מפרשים סולאריים ישמשו לתעופת חלל, באתר ynet, 19 באוגוסט 2008
• ynet, צפו: "מפרש אור" נפתח בחלל, באתר ynet, 25 ביולי 2019