تولید تشعشع کیهانی در آزمایشگاه، به کمک شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما

روشی جدید، این اجازه را به مهندسان می‌دهد تا وسایل الکترونیکی را تحت شرایط مشابه با «کمربندهای تشعشع وَن آلن» آزمایش کنند. دانشمندان تحت رهبری دانشگاه استراتکلاید، برای نخستین‌بار موفق به ساخت مجدد یکی از ویژگی‌های کلیدی فضای بیرونی در سیاره‌ی زمین شده‌اند. گروه بین‌المللی با استفاده از نوع ویژه‌ای از شتاب‌دهنده‌ی ذره، روشی را برای ایجاد نوع یکسانی از تشعشع ایجاد کرده است. این تشعشع تهدیدهایی را برای فضانوردان و سفینه‌های فضایی به همراه دارد. این روش از طریق برهم کنش لیزر و پلاسما راه را برای آزمایش ارزان‌تر و واقع گرایانه‌تر فناوری جدید باز می‌کند.

فضا رفتار سخت و ناخوشایندی با انسان و ماشین آلات دارد؛ لذا باید در مقابل تمامی خطرات آن چاره‌ای برای حفاظت و دفاع اندیشید. یکی از بدترین تهدیدات، «تشعشع» نام دارد؛ به ویژه در صورتی که توسط کمربندهای ون آلن ایجاد شده باشد. این دو کمربند واقع در بین هزار کیلومتری و شصت هزار کیلومتری بالای زمین در اثر میدان مغناطیسی قدرتمند زمین ایجاد شده‌اند و از ما در مقابل تشعشع‌های خورشیدی و کیهانی محافظت می‌کنند. چنین تشعشعاتى می‌تواند زمین را به محل غیرقابل سکونتی تبدیل سازد.

متاسفانه، این محافظت ارزان به‌دست نیامده و خود کمربندهای ون آلن از خطرات تشعشع به حساب می‌آید، زیرا فضاپیما را با تهدید مواجه می‌کند. برای مثال، مهندسان تمایل بالایی برای حفاظت وسایل الکترونیکی در مقابل خسارات ناشی از تشعشعات دارند و درصدد یافتن راه‌هایی برای آزمایش آن هستند. بنا به گزارش گروه دانشگاه استراتکلاید، بهترین راه برای انجام این کار، بردن وسیله به فضا و بررسی اتفاقات احتمالی است. اما این کار بسیار هزینه‌بر، ولی موثر و کارساز است. در عوض، گروه پژوهشی روش جدیدی را برای ایجاد دوباره‌ی تشعشعات فضایی الکترون‌ها، پروتون‌ها و یون‌های موجود در زمین یافته‌اند.

در حال حاضر، امکان ایجاد تشعشعات در آزمایشگاه با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذره، مثل شتاب‌دهنده‌ی خطی و سایکلوترون وجود دارد، ولی این دستگاه‌ها بسیار خوب از پس وظایف خود بر می‌آیند. این دستگاه‌ها چیزی به نام «جریان یونى، پروتونى و الکترونی تک انرژی» ایجاد می‌کنند؛ به این معنا که آن‌ها تابش‌های بسیار خالصی را تولید می‌کنند. اما آن چیزی که مهندسان فضا به دنبالش هستند که چیزی بسیار جالب توجه‌تر است؛ طوریکه تشعشع در نوار بلندی گسترش می‌یابد، شبیه آن چیزی که در کمربند تشعشعات دیده می‌شود. گروه پژوهشی استراتکلاید، برای حصول این هدف، از شتاب‌دهنده های لیزر پلاسما در دانشگاه هاینریش هاین دوسلدورف و موسسه‌ی لیزر مرکزی بریتانیا با همکاری آزمایشگاه ملی فیزیک استفاده کردند.

شتاب‌دهنده‌های لیزر پلاسما با استفاده از میدان‌های الکتریکی بسیار قدرتمند شکل گرفته در داخل امواج پلاسمایى کار می‌کنند تا ذرات باردار را به‌صورت پر انرژی در فواصل بسیار کوتاه شتاب‌دار نمایند. زمانی‌که پالسی لیزری به درون این پلاسما شلیک می‌شود، الکترون‌های مقابل آن‌را به‌صورت موج هُل می‌دهد. ماحصل این فرآیند، تولید تشعشع باند پهن نسبی است که آن‌را از کمربندهای ون آلن رونوشت می‌گیرد.

به گفته‌ی این گروه، سیستم هنوز در حال پشت سر گذاشتن آزمایش‌های برنامه‌ریزی شده برای بکارگیری در شتاب‌دهنده‌های پلاسمایى است. اگر نتایج حاصله رضایت‌بخش باشد، راه برای دسترسی بیشتر به آزمایش اجزا و توسعه‌ی راهکارهای نوین آزمایشی هموار خواهد شد. علاوه بر این، امکان کاوش و بررسی فضای خارج از منظومه‌ی شمسی پدید می‌آید. تحقیقات حاکی از آن است که شتاب دهنده‌های لیزر پلاسما ابزارهای مطمئنی برای آزمایش تشعشعات فضا هستند و باید در انتظار پیشرفت‌های چشم‌گیرتری در این فناوری باشیم. همچنین زمینه برای بررسی کمربندهای تشعشع سایر سیارات دارای میدان مغناطیسی مثل مشتری و زحل نیز فراهم خواهد آمد. این دو سیاره از میدان مغناطیسی بسیار قوی‌تری برخوردار هستند و الکترون‌های پر انرژی‌تری در قیاس با زمین تولید می‌کنند. این مقاله در مجله‌ی  Scientific Reports منتشر شد.