مانور بیگ بنگ ناسا؛ فرصتی تازه برای ادامه حیات وویجرها

تصویر دو کاوشگر فرسوده و صدساله که هنوز با زمین نجوا می‌کنند، بیشتر شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد. با این حال، وویجر ۲ به‌تازگی یک عملیات جسورانه و بسیار دقیق را با موفقیت پشت سر گذاشت؛ عملیاتی که مهندسان به آن لقب «بیگ بنگ» داده‌اند و نتیجه‌اش می‌تواند چند سال فعالیت بیشتر برای این کاوشگرهای افسانه‌ای ناسا باشد.

انرژی، دشمن خاموش مأموریت‌های طولانی‌مدت فضایی است. وویجر ۱ و وویجر ۲ از مولدهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپی استفاده می‌کنند؛ سامانه‌هایی که گرمای حاصل از واپاشی پلوتونیوم-۲۳۸ را به برق و گرما تبدیل می‌کنند. این واپاشی بی‌وقفه و قابل پیش‌بینی است. هر مولد سالانه حدود چهار وات توان کمتری تولید می‌کند. عددی کوچک، اما با پیامدهایی بزرگ. خاموش کردن یک ابزار اشتباه در زمان نامناسب، یا گرم نگه نداشتن یک خط سوخت، می‌تواند فضاپیمایی را که دهه‌ها از خطرهای فضای عمیق جان سالم به در برده، تقریبا در یک لحظه به سکوت بکشاند.

پس چگونه می‌توان یک کاوشگر را زنده نگه داشت، وقتی قلب آن آرام‌آرام توان خود را از دست می‌دهد؟ مهندسان آزمایشگاه پیشرانش جت این مسئله را مانند یک جراحی دقیق بررسی کردند. آن‌ها هر وات، هر گرم‌کن، هر ضبط‌کننده و هر بخش پیشرانه را نقشه‌برداری کردند و پیش از صدور هر فرمان، فقط یک پرسش را مطرح کردند: آیا این کار اکنون به مأموریت کمک می‌کند؟

مانور بیگ بنگ واقعا چه کاری انجام داد

بیگ بنگ انفجار نبود. یک هماهنگی دقیق بود. سه قطعه خاموش شدند و سه قطعه دیگر در توالی زمانی فشرده روشن شدند. موارد خاموش‌شده شامل یک ضبط‌کننده نوار قدیمی بود که دیگر برای فعالیت‌های علمی روزمره لازم نبود، به‌همراه دو گرم‌کن. در مقابل، دو گرم‌کن متفاوت و یک دستگاه مرتبط با پیشرانه فعال شدند. نتیجه نهایی، کاهش مصرف سالانه توان به میزان حدود ۱۰ وات بود، آن هم بدون آنکه دمای سامانه‌های حیاتی به محدوده خطرناک برسد.

ده وات ممکن است ناچیز به نظر برسد. برای یک گوشی هوشمند امروزی تقریبا هیچ است. اما برای کاوشگری که دهه‌ها عمر دارد و حتی در بهترین حالت فقط چند صد وات توان تولید می‌کند، افت تدریجی یک دهه‌ای می‌تواند همین ۱۰ وات را به تفاوت میان ادامه دریافت داده‌های تله‌متری و سکوت دائمی تبدیل کند. نکته مهم این بود که این طرح هیچ بخش حیاتی را در معرض خطر حرارتی غیرقابل‌قبول قرار نداد. یخ زدن یک خط سوخت، کنترل وضعیت فضاپیما را ناممکن می‌کند و عملیات علمی را پایان می‌دهد. تهدید واقعی همین بود.

مهندسان پیش از اجرای کامل مانور، دو تمرین شبیه‌سازی‌شده انجام دادند. در ماه‌های مه و ژوئن، وویجر ۲ یک آزمون توان و یک آزمون حرارتی را پشت سر گذاشت تا مدل‌ها تأیید شوند و اطمینان حاصل شود که فرمان‌ها روی سخت‌افزار واقعی پروازی همان‌گونه رفتار می‌کنند که پیش‌بینی شده بود. سپس در ماه ژوئیه، توالی زمان‌بندی‌شده اجرا شد و تا میانه ماه به پایان رسید. به گفته مدیران مأموریت، همه‌چیز به‌نرمی پیش رفت.

چرا این موضوع برای علم میان‌ستاره‌ای اهمیت دارد

هر دو کاوشگر وویجر در سال ۱۹۷۷ پرتاب شدند و در اواخر دهه ۱۹۷۰ و دهه ۱۹۸۰ گذرهای تاریخی از کنار سیاره‌ها را رقم زدند. وویجر ۲ همچنان تنها فضاپیمایی است که از کنار اورانوس و نپتون عبور کرده است. امروز این کاوشگرها در محیط میان‌ستاره‌ای به سر می‌برند و با ابزارهایی که در اصل برای مشاهده سیاره‌ها طراحی شده بودند، ذرات باردار، میدان‌های مغناطیسی و پلاسمای رقیق فراتر از خورسپهر را بررسی می‌کنند. آن‌ها در واقع کاوشگرهای سیاره‌ای بازتعریف‌شده‌ای هستند که فضای میان ستارگان را اندازه‌گیری می‌کنند.

حفظ فعالیت این ابزارها، داده‌های علمی منحصربه‌فردی به همراه دارد. لبه‌های بیرونی حباب نفوذ خورشید، محیطی پویا است. اندازه‌گیری پرتوهای کیهانی، چگالی پلاسما و جهت‌گیری میدان مغناطیسی، روایت روشن‌تری از چگونگی تعامل خورشید با کهکشان ارائه می‌دهد. هر ماه یا سال اضافی از داده‌ها، این تصویر را دقیق‌تر می‌کند. افزایش دو ساله عمر عملیاتی وویجر می‌تواند مأموریت را در مسیر رسیدن به نقاط عطفی نگه دارد که زمانی غیرقابل تصور به نظر می‌رسیدند؛ از جمله رصدهای منظم در فاصله‌هایی نزدیک به یک روز نوری سفر نور از زمین.

مدیران مأموریت در انتظارات خود واقع‌بین هستند. برخی حسگرها طی سال‌های گذشته برای صرفه‌جویی در انرژی خاموش شده‌اند. رایانه‌های نصب‌شده روی وویجر در دورانی طراحی شدند که کارت‌های پانچ هنوز ابزاری در محاسبات بودند، و مهندسان امروز برای برخی خوانش‌های حرارتی، به تله‌متری یا حسگرهای مدرن دسترسی ندارند؛ زیرا خطر یخ‌زدگی در دهه ۱۹۷۰ اساسا یکی از دغدغه‌های طراحی نبود.

این فاصله میان فرض‌های طراحی اولیه و واقعیت‌های امروز، تیم مأموریت را ناچار به ابتکار کرده است. فرمان‌ها و رویه‌هایی که در مأموریت‌های جدیدتر عادی به نظر می‌رسند، برای وویجر به شبیه‌سازی اختصاصی، بررسی موشکافانه و در بسیاری موارد آزمون زنده نیاز دارند. مفهوم بیگ بنگ از دل همین بازنگری طاقت‌فرسا بیرون آمد: مجموعه‌ای هماهنگ از تغییرات که هرکدام بر اساس این معیار سنجیده شدند که آیا بازده علمی بلندمدت را افزایش می‌دهند، بدون آنکه سخت‌افزار حیاتی را به خطر بیندازند.

اجرا، ریسک و پاداش

زمان‌بندی اهمیت زیادی دارد. آماده‌سازی‌های بیگ بنگ زمانی انجام شد که آنتن زمینی اصلی وویجر ۲ به‌طور موقت برای تعمیر و نگهداری در دسترس نبود. این بازه گزینه‌ها را محدود می‌کرد، اما در عین حال به مهندسان انگیزه داد تا آزمون‌ها را نهایی کنند و عملیات را در حالی اجرا کنند که تیم هنوز می‌توانست به ارتباطات پشتیبان تکیه کند. کریم بدرالدین، مدیر مأموریت و مهندس سامانه‌ها در آزمایشگاه پیشرانش جت، این عملیات را صریح توصیف کرد: «این مهم‌ترین کاری است که طی دهه‌ها روی وویجرها انجام داده‌ایم.»

هیچ جایی برای خطا وجود نداشت. توالی نادرست می‌توانست فضاپیما را وارد وضعیت‌های حرارتی یا توانی کند که دیگر امکان بازگشت از آن‌ها نباشد. با این حال، آزمون‌ها داده‌هایی برگرداندند که با مدل‌ها و فرضیات تیم همخوانی داشت و همین موضوع به آن‌ها اطمینان داد که ادامه دهند. اکنون همین توالی روی وویجر ۱ نیز در حال اعمال است. نتایج اولیه آن امیدبخش بوده است؛ طبق به‌روزرسانی‌های مأموریت، آزمون‌های اخیر توان نتایجی «عالی» داشته‌اند.

برآورد می‌شود این اقدام برای هر فضاپیما حدود دو سال عملیات کارآمد اضافی به همراه داشته باشد. با توجه به عمر مأموریت و یکتایی اندازه‌گیری‌ها، این بازه بسیار ارزشمند است. موضوع فقط احساسات و نوستالژی نیست. دانشمندان به رکوردهای پیوسته بیشتری از شار ذرات میان‌ستاره‌ای و شرایط مغناطیسی دست خواهند یافت؛ داده‌هایی که در آینده قابل پیش‌بینی از جای دیگری قابل گردآوری نیستند.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارکز، اخترفیزیک‌دان و مشاور عملیات مأموریت، می‌گوید: «افزایش عمر وویجر کمتر به تغییرات قهرمانانه سخت‌افزاری مربوط است و بیشتر به مدیریت هوشمند منابع برمی‌گردد. شما بودجه توان را همان‌طور مدیریت می‌کنید که یک کوهنورد آب خود را در یک مسیر طولانی مدیریت می‌کند: با دقت سهمیه‌بندی می‌کنید، از هدررفت جلوگیری می‌کنید و ابزارهایی را در اولویت می‌گذارید که شما را زنده نگه می‌دارند و در مسیر درست پیش می‌برند.» او اضافه می‌کند که نبوغ طرح بیگ بنگ در ایجاد توازن میان نیازهای حرارتی و محدودیت‌های الکتریکی است تا کاوشگرها بتوانند بسیار فراتر از انتظار همچنان داده ارسال کنند.

پیامدهای گسترده‌تر و چشم‌انداز آینده

مانور بیگ بنگ یک مطالعه موردی برای هر مأموریت طولانی‌مدت فضایی است. این مانور نشان می‌دهد تیم‌های مأموریت، با پیشروی بیشتر بشر در منظومه شمسی و فراتر از آن، به‌طور فزاینده‌ای با چه نوع بده‌بستان‌هایی روبه‌رو خواهند شد. با افزایش عمر فضاپیماها و محدود ماندن بودجه‌ها، تغییرات عملیاتی هدفمند احتمالا به روالی رایج تبدیل می‌شوند تا علم بیشتری از سکوی‌های موجود استخراج شود.

در همین حال، وویجرها همچنان رکوردهای فاصله را جابه‌جا می‌کنند. تیم مأموریت امیدوار است هر دو فضاپیما هنگام رسیدن به پنجاهمین سال حضور خود در فضا همچنان فعال باشند؛ نقطه عطفی که در تاریخ پروازهای فضایی بشر بی‌مانند خواهد بود. انتظار می‌رود وویجر ۱ در ماه نوامبر به فاصله شعاعی حدود یک روز نوری از زمین برسد؛ یادآوری تأمل‌برانگیزی از اینکه ساخته‌های دست بشر تا چه اندازه دور شده‌اند و با چه پهنای باند رو به کاهشی ارتباط برقرار می‌کنند.

جمع‌بندی

مانور بیگ بنگ یک قمار عمل‌گرایانه بود: بازآرایی جراحی‌گونه سامانه‌ها برای خریدن زمان، از راه کاهش چند وات از مصرف سالانه توان، بدون قربانی کردن حفاظت حرارتی ضروری. مزایا روشن است. چند سال بیشتر تله‌متری و فعالیت ابزارها یعنی داده‌های تازه درباره مرز میان حباب خورشیدی ما و فضای میان‌ستاره‌ای. این مانور همچنین درسی نرم‌تر را برجسته می‌کند. مأموریت‌های فضایی به‌آرامی بازنشسته نمی‌شوند. باید آن‌ها را تشویق کرد، دوباره اندیشید و گاهی با هدایت تیم‌هایی روی زمین به نقش‌های تازه رساند؛ تیم‌هایی که سکوت را سرنوشت قطعی نمی‌دانند.

بدرالدین گفت: «مردم وویجرها را دوست دارند. آن‌ها هر کاری لازم باشد انجام می‌دهند تا زنده نگه‌شان دارند.» این علاقه عملی، با پشتوانه مهندسی دقیق، بار دیگر صدای انسان را به کاوشگرهایی پیوند داده است که فراتر از مرزهای شناخته‌شده سفر می‌کنند.