מפרשיות ברוח השמש. על מסעות בין-כוכביים ואנרגיה חלופית

הברון מינכהאוזן סיפר לידידיו ("הרפתקת ים עשירית"), כיצד,
בעת ששט בספינת מפרש, התחוללה סופה שהרימה את הספינה ודחפה
והשיטה אותה עד לירח. מתברר שסיפורו זה של הגוזמאי הידוע, על
מפרשיות המשייטות בין הכוכבים בחלל, אינו כל כך בלתי אפשרי כפי
שהוא נשמע בשמיעה ראשונה. הרוח הנושבת מן השמש, מורכבת
מחלקיקים תת-אטומיים רבים. בעיקר פוטונים (חלקיקי אור) שהם חסרי
מאסה, ופחות פרוטונים, שהם, למעשה, גרעינים של מימן מיונן.
משטח ששטחו דונם אחד, שיוצב בחלל, בסביבות כדור-הארץ, כשהוא
ניצב לכיוונה של רוח השמש, יידחף על-ידה בעוצמה (לחץ) של חצי גרם.
עיקר לחצה של רוח השמש נובע דווקא מפגיעתם של הפוטונים
חסרי המאסה, ולא מפגיעתם של הפרוטונים. הסיבה לכך היא מספרם
הרב של הפוטונים, בהשוואה למספר הפרוטונים, וכן, אנרגיית התנועה
המעטה, יחסית, של הפרוטונים. למעשה, חישוב מפורט מראה, כי עוצמת
הלחץ של הפוטונים הכלולים ברוח השמש על משטח ידוע, גדולה פי 100,000
מעוצמת הלחץ של הפרוטונים הכלולים באותה רוח, על אותו משטח.

לחצה של רוח השמש תלוי במרחקו של המשטח, או המפרש, מן השמש.
ככל שיהיה קרוב יותר לשמש, הלחץ עליו יהיה גדול יותר. למשל, מפרש
ששטחו דונם אחד, שיוצב במרחק כפול ממרחקו של כדור-הארץ מהשמש,
יידחף בכוח של שמינית גרם. מפרש ששטחו דונם אחד, שיוצב במרחק השווה
למחצית מרחקו של כדור-הארץ מהשמש, יידחף בכוח של שני גרם.

אם המפרש יצופה בחומר מחזיר אור, כמו מראה, הפוטונים שיפגעו בו
יוחזרו לאחור, ולפי עקרון התנע, יעניקו בכך דחיפה נוספת למפרש. אם
יעילות ההחזרה תהיה מוחלטת, יתוסף כתוצאה ממנה לחץ של חצי גרם נוסף
לדונם, כך שכוח הדחף הכולל שיפעל על מפרש ששטחו דונם אחד, הניצב
לכיוונה של רוח השמש, יהיה גרם אחד. מכיוון שאי-אפשר להשיג יעילות
החזרה מוחלטת, הלחץ המרבי שאפשר להפיק במערכת כזאת הוא מעט פחות
מגרם אחד לדונם.

לחץ של מעט פחות מגרם אחד לדונם, אינו נראה, במבט ראשון, מבטיח
רבות כאשר מדובר בחציית מרחקים גדולים בחלל. במערכות תחבורה הפועלות
על-פני כדור-הארץ, לחץ כזה נחשב זניח לחלוטין. אבל בחלל, במקום
שפועלים בו כוחות (בעיקר כבידה) חלשים בהרבה מאלה שפועלים על הארץ,
לחץ של גרם אחד לדונם, יכול להשיג תוצאות מרשימות מאוד, אם יניחו לו
לפעול מספיק זמן.

לדוגמה :מפרשית חלל שתלכוד את רוח השמש ותשיג באמצעותה תאוצה
כמעט אפסית של שתי עשיריות מילימטר בשנייה (אחד חלקי 50,000 מהתאוצה הפועלת
על הארץ כתוצאה מהכבידה G), תצבור אחרי יום אחד (86,400 שניות) מהירות של
72 קילומטר בשעה. אחרי חודש, היא כבר תנוע במהירות של 2,000 קמ"ש, והיא
תמשיך להאיץ. אחרי חמישה חודשים, היא תנוע במהירות של 11,000 קמ"ש.
להשוואה, כדי להקנות לחללית רגילה מהירות כזאת, צריך לבנות טיל שיגור,
שהדלק יהווה קרוב לשמונים אחוז ממשקלו. והמפרשית, צריך לזכור, ממשיכה
להאיץ את מהירותה ללא הרף, וללא בזבוז של טיפת דלק אחת.

מכאן, שיעילותן של מפרשיות החלל עולה והולכת, ככל שמדובר
בטיסה למרחקים גדולים יותר. חוקרים ומהנדסים רבים, במכוני מחקר רבים
בעולם, הגיעו למסקנה כי מפרשית חלל היא הדרך הזולה והנוחה
להגיע למאדים.כמה מדענים ממעבדות ההנעה של אוניברסיטת קליפורניה
בפסאדנה, הציעו בשנות ה-70 לסוכנות החלל האמריקאית, נאס"א, לבנות מפרשית
חלל כזאת. בנאס"א התלהבו מהרעיון, אבל בסופו של דבר, הפרויקט לא
בוצע, מכיוון שמצדדיו לא הצליחו לארגן תמיכה פוליטית מספיקה
שבלעדיה אי-אפשר היה להשיג את המימון והמשאבים הדרושים לבניית
המפרשית.

מירוץ מפרשיות
ב"הרוח הנושבת מן השמש", סיפור מדע-בדיוני משנות ה-50, מתאר
ארתור סי קרלארק את עשירי הגלקסיה המתאספים מדי פעם ומתחרים ביניהם
בספורט היוקרתי והיקר שביקום: הטסת מפרשיות שמש. הבעלות על מפרשית
שמש נתפסת על-ידם כסמל סטטוס, ויכולת השליטה והניווט של מפרשית
כזאת, משמשת לא אחת אמצעי להרשמת יפהפיות מכוכבי-לכת זרים ומרוחקים.
המתחרים בונים את המפרשיות בעצמם, מה שמגביר את המתח והאמביציה
המעורבות בתחרות. בשעות ובימים הראשונים המפרשיות כמעט שלא נעות, עד
שהתאוצה מתגברת. אבל זה לא מפריע למתחרים להפגין את שליטתם במפרשיות
השמש, באמצעות ביצוע תימרונים שונים, שנועדו, בין היתר, לחסום את
התקדמותן של המפרשיות היריבות.

רוברט ל. פורוורד, ב"מעוף השפירית "מסרב לראות את מפרשיות השמש
כצעצועים לעשירים מפונקים בלבד. הוא מתאר מפרשית שמש ענקית
("השפירית"), הנושאת אלפי גברים ונשים, המבקשים להתיישב בכוכב-לכת
המצוי בקצה האחר של הגלקסיה. מפרשית השמש, אומר פורוורד, היא כלי
התחבורה היחיד שאנחנו יכולים להרשות לעצמנו, המסוגל לשאת מספר רב של
בני-אדם למרחקים בין-כוכביים. לפיכך, עתיד ההתיישבות וההתנחלות
האנושית בחלל, תלוי ביכולתנו לבנות ולהפעיל מפרשיות שמש גדולות.