الملخص:
نجح العلماء لأول مرة في عرض هوائي راديوي يتكون من شعاع بلازما يتم توليده بالليزر. لا يتطلب هذا الجهاز القضبان المعدنية الشائعة أو الهياكل التلسكوبية الميكانيكية للهوائيات التقليدية. وبدلاً من ذلك، يستخدم الليزر لتأين الهواء لتشكيل قناة بلازما رفيعة، ثم يغذي إشارات الراديو عبر المجال الكهرومغناطيسي، مما يسمح له بإصدار موجات الراديو. ويقول الباحثون إنه من المتوقع استخدام هذه التكنولوجيا في الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وأنظمة الرادار ومعدات استكشاف الفضاء في المستقبل.
أجرى هذا البحث فريق بحث من جامعة ولاية كارولينا الشمالية في الولايات المتحدة، وتم نشر الورقة ذات الصلة في "IEEE Transactions on Microwaves" في 1 سبتمبر 2026. وقد أظهر الباحثون تقنية تسمى هوائي خيوط البلازمون المستحث بالليزر وأكدوا تجريبيًا لأول مرة أن قناة البلازما المولدة بالليزر يمكن أن تعمل كهوائي حقيقي لبث إشارات الراديو.
يرتبط الحجم الفعلي للهوائي التقليدي ارتباطًا وثيقًا بتردد تشغيله. عادة، يؤثر طول الهوائي على ترددات الموجات الراديوية التي يمكنه إرسالها أو استقبالها بشكل فعال. إذا كان الجهاز يحتاج إلى التبديل بين نطاقات تردد مختلفة، فغالبًا ما يكون من الضروري استخدام هوائيات بأحجام مختلفة، أو ضبط طول الهوائي بمساعدة هيكل ميكانيكي. بالنسبة للمعدات مثل الأقمار الصناعية والطائرات التي لديها متطلبات صارمة فيما يتعلق بالوزن والحجم والتعقيد الهيكلي، فإن هذا التصميم قد يزيد من الصعوبة الهندسية.
تقدم هوائيات البلازما طريقة مختلفة. البلازما هي حالة غازية متأينة تتشكل بعد تعرضها لطاقة كافية. يحتوي على جسيمات مشحونة يمكنها التفاعل مع المجالات الكهرومغناطيسية. استخدم الباحثون ليزرًا بقوة محددة وقطر شعاع محدد لإضاءة الهواء، وتأيين جزيئات الهواء في مسار الليزر لتشكيل خيوط بلازما رفيعة. ومن خلال ضبط معلمات الليزر، يستطيع الباحثون التحكم في خصائص قناة البلازما، بما في ذلك طولها، وبالتالي تغيير ظروف تشغيل الهوائي.
ومع ذلك، فإن إنشاء قناة بلازما هو الخطوة الأولى فقط. كان على الفريق أيضًا معرفة كيفية تغذية إشارات الراديو إلى هذه القناة. ولأن الاتصال المباشر بالبلازما باستخدام أسلاك معدنية قد يغير بنيتها، فقد صمم الباحثون جهاز تغذية غير تلامسي.
يستخدم الجهاز حلقة معدنية كهيكل اقتران سعوي. يمر الليزر عبر الحلقة المعدنية، مما يؤدي إلى تكوين خيوط من البلازما داخل الحلقة. بعد أن يقوم مولد إشارة التردد الراديوي بإدخال إشارة إلى الحلقة المعدنية، تولد الحلقة المعدنية مجالًا كهرومغناطيسيًا مناظرًا وتنقل الطاقة إلى خيوط البلازما من خلال اقتران سعوي، مما يؤدي إلى إشعاع موجات الراديو. لا تتطلب العملية برمتها أن تكون الأجزاء المعدنية على اتصال مباشر بالبلازما.
في التجربة، سمح الباحثون لهوائي البلازما بإصدار إشارات راديوية بتردد 30 ميجاهرتز ووضعوا هوائي استقبال قريبًا للقياس. تظهر النتائج التجريبية أنه بالمقارنة مع حالة التحكم حيث يتم حجب الليزر وعدم تكوين هوائي بلازما، بعد تمكين خيوط البلازما، تتم زيادة قوة الإشارة المقاسة عند الطرف المستقبل إلى حوالي 2.5 مرة، وهو ما يمثل زيادة بنسبة 150% تقريبًا. وهذا يوفر دليلاً تجريبيًا على أن خيوط البلازما المولدة بالليزر يمكن أن تكون بمثابة هوائيات.
يعتقد الباحثون أن إحدى الميزات الأكثر جاذبية لهذا الهوائي هي القدرة على ضبط الطول المادي للهوائي عن طريق تغيير معلمات الليزر. ومن الناحية النظرية، يعني هذا أن الجهاز يمكنه تغيير تردد التشغيل حسب الحاجة دون الحاجة إلى الاعتماد على أجهزة تلسكوبية ميكانيكية معقدة. يمكن أن تؤدي هذه المرونة إلى مساحة تصميم جديدة للأنظمة التي تحتاج إلى تغطية نطاقات ترددات راديوية متعددة.
هناك ميزة محتملة أخرى وهي أنه يمكن التحكم في اتجاه الهوائي بواسطة شعاع الليزر. وأشار فريق البحث إلى أنه طالما تم تغيير اتجاه انتشار الليزر، يمكن تغيير اتجاه خيوط البلازما. يمكن استخدام هذه الطريقة في المستقبل لضبط اتجاه المسح الراداري، أو لتركيز إشارات الاتصال في اتجاهات أكثر ملاءمة لتحسين أداء الإشارة في اتجاهات محددة.
تعد الأقمار الصناعية ومعدات استكشاف الفضاء مجالات تطبيقية ذات أهمية خاصة للباحثين. غالبًا ما تحتاج هوائيات الأقمار الصناعية التقليدية إلى مراعاة آلية النشر والوزن الهيكلي والمساحة المتاحة، بينما من المتوقع أن تقلل الهوائيات المولدة بالليزر من بعض متطلبات الهيكل الميكانيكي. قد يكون هذا التصميم القابل للتعديل مفيدًا أيضًا للمعدات الفضائية التي تحتاج إلى التبديل بين نطاقات تردد متعددة.
ومع ذلك، فإن هذا لا يعني أنه يمكن بالفعل استخدام هذه التكنولوجيا بشكل مباشر في اتصالات الفضاء السحيق. وأشار فريق البحث إلى أنه في بيئة المدار الأرضي المنخفض، لا يزال هناك غلاف جوي رقيق بما يكفي لتكوين البلازما، لذلك من الممكن استخدام الليزر لتوليد خيوط البلازما. ومع ذلك، في بيئة يكون فيها الغلاف الجوي رقيقًا للغاية أو حتى قريبًا من الفراغ، فإن كيفية توليد وصيانة قنوات البلازما المناسبة ستصبح مشكلة يجب حلها.
لا يدعي الباحثون أيضًا أن الهوائي يتمتع بقدرات اتصال كاملة في الاتجاهين. وما تم إثباته حتى الآن هو إرسال الإشارات الراديوية، ولم يتم التحقق تجريبيًا حتى الآن من إمكانية عملها كهوائي استقبال. كما تتطلب كفاءة الانبعاث وكسب الإشارة واستقرار العمل والأداء في البيئات المعقدة مزيدًا من الدراسة.
وقال بول فرانزون، المؤلف المشارك للورقة البحثية، والأستاذ بجامعة ولاية كارولينا الشمالية، إن هذه التقنية توفر طريقة جديدة لتخصيص شكل الهوائي دون الحاجة إلى آلية نشر ميكانيكية معقدة. ويعتقد فريق البحث أن النتائج الحالية ليست سوى خطوة أولى في التطور التكنولوجي، ولكنها تثبت أن خيوط البلازما المستحثة بالليزر يمكن أن تعمل حقًا كهوائيات، وسيركز العمل اللاحق على تحسين الأداء واستكشاف التطبيقات العملية.
بشكل عام، لا تكمن أهمية هذا البحث في ابتكار جهاز جديد يمكن أن يحل محل جميع الهوائيات التقليدية، بل في التحقق لأول مرة من جدوى استخدام الليزر لتصنيع هوائيات في الهواء بشكل مؤقت. إذا كان من الممكن حل مشكلات مثل استهلاك الطاقة وكسب الإشارة والاستقرار والقدرة على التكيف البيئي الفعلي في المستقبل، فمن المتوقع أن تصبح هوائيات شعاع البلازما خيارًا جديدًا للأقمار الصناعية والرادارات وأنظمة الاتصالات الأخرى التي تتطلب تعديلًا مرنًا لأشكال الهوائي.
التعليقات