Solar Sail Interplanetary Transfer: Part I - Earth-Mars Rendezvous Using Evolutionary Neural Network

لطالما كان استكشاف الفضاء العميق لعبة تعتمد على الصواريخ الكيميائية، وهي محركات ضخمة تحرق الوقود لدفع المركبات الفضائية إلى الأمام، لتستمر بعدها في الانطلاق بالقصور الذاتي لبقية الرحلة. لكن نوعاً مختلفاً من الدفع قد ظهر، وهو نوع لا يتطلب أي وقود على الإطلاق. فبدلاً من حرق المادة الدافعة، تستخدم هذه المركبات الفضائية ضغط ضوء الشمس نفسه. تخيل مرآة عملاقة متلألئة تطفو في الفضاء؛ ومع اصطدام الفوتونات القادمة من الشمس بسطحها، فإنها تنقل كمية ضئيلة من الزخم، مما يدفع المركبة للأمام. هذا هو الشراع الشمسي. وبينما تم اختبار هذا المفهوم في السنوات الأخيرة من قبل مهمات من اليابان والولايات المتحدة ومنظمات أخرى، فإن تحويل هذا الدفع اللطيف والمستمر إلى مسار دقيق نحو كوكب آخر يظل تحدياً هائلاً. فالرياضيات المعنية معقدة للغاية، ومليئة بالالتواءات غير الخطية التي تجعل العثور على المسار المثالي أمراً صعباً على الحواسيب التقليدية. وإذا أخطأت المركبة الفضائية هدفها ولو بهامش صغير، فقد تنجرف بعيداً عن هدفها إلى الأبد.

ولحل هذه المعضلة، طور الباحثون رينوجانث فاراثاراجو، وأميرول فيقري عبد الله، ويوري رازومني طريقة جديدة لتخطيط هذه الرحلات. لقد جمعوا بين أداتين قويتين: خوارزمية تطورية، تحاكي عملية الانتقاء الطبيعي لاختبار الآلاف من الحلول الممكنة، وشبكة عصبية، وهي نوع من البرامج الحاسوبية المستوحاة من الدماغ البشري والتي يمكنها التعلم لاتخاذ القرارات. وفي دراستهم، سعوا لمعرفة ما إذا كان هذا النظام الهجين يمكنه توجيه شراع شمسي من الأرض إلى المريخ. لم يبنوا سفينة مادية؛ بل أنشأوا محاكاة رقمية مفصلة للنظام الشمسي. وفي هذه البيئة الافتراضية، كلفوا الحاسوب بإيجاد زوايا التوجيه الأفضل للشراع للوصول إلى المريخ، والوصول بالسرعة والموقع الصحيحين للقاء الكوكب. كان الهدف هو تقليل الوقت المستغرق للوصول إلى هناك مع ضمان عدم طيران المركبة الفضائية بعيداً جداً خلف الهدف أو تجاوز الهدف كثيراً.

اختبر الباحثون طريقتهم تحت ثلاث حالات مختلفة، تمثل أشرعة شمسية ذات مستويات أداء متفاوتة. استخدم السيناريو الأول شراعاً عالي الكفاءة، يمكنه توليد دفع قوي. في هذه الحالة، نجح الحاسوب في رسم مسار أوصل المركبة الفضائية إلى المريخ في أقل من 400 يوم. أما الاختبار الثاني فقد استخدم شراعاً بنصف أداء الشراع الأول. كان هذا الأمر أكثر صعوبة، حيث تطلب من الحاسوب العمل بجهد أكبر لإيجاد مسار، واستغرقت الرحلة ما يقرب من 600 يوم. وتضمن الاختبار الثالث والأكثر تحدياً شراعاً منخفض الأداء للغاية، وهو الذي ينتج جزءاً ضئيلاً فقط من دفع الشراع الأول. هنا، امتدت الرحلة إلى ما يقرب من 2,400 يوم. أظهرت هذه النتائج أن النظام يمكنه إيجاد حل حتى عندما تكون المركبة الفضائية ضعيفة جداً، ولكن ذلك يتطلب وقتاً أطول بكثير للوصل إلى الوجهة.