03 بهمن 1401 ساعت 23:32
محققین دانشگاه فلوریدا طرحی از یک موشک هسته‌ای جدید را به ناسا ارائه داده‌اند که می‌تواند مدت زمان سفر زمین به مریخ را به 45 روز کاهش دهد!
ما در دوره تجدید سفرهای فضایی زندگی می‌کنیم. دوره‌ای که در آن چندین آژانس فضایی مختلف با جدیت درصدد فرستادن مجدد انسان‌ها به ماه و سایر کرات منظومه شمسی هستند. این ماجراجویی فضایی توسط آمریکا و چین رهبری می‌شود و احتمالا توسط کشورهای دیگری نیز پشتیبانی خواهد شد.
این دسته ماموریت‌های فضایی که نیازمند سفر به ناحیه بالاتر از مدار پایین زمین (LEO) و سیستم زمین-ماه است، به تکنولوژی‌های جدیدی در حوزه تامین سلامت افراد، سیستم‌های محافظت در برابر اشعه و پیشرانه‌ها نیازمند است.
پیشرانه های هسته‌ای؛ آینده علم هوافضا!
زمانی که بحث فناوری‌های مدرن پیشرانه‌ها مطرح باشد، پیشرانه‌های هسته‌ای حرارتی (NTP) و هسته‌ای الکتریکی (NEP) تکنولوژی‌هایی بسیار امیدوارکننده برای آینده به شمار می‌روند.
در دوران رقابت فضایی آمریکا و شوروی، ناسا و آژانس فضایی شوروی زمان و انرژی زیادی را صرف مطالعه و توسعه پیشرانه‌های هسته‌ای کردند. با این حال، ناسا چند سال پیش بار دیگر برنامه هسته‌ای خود را با هدف تولید یک پیشرانه هسته‌ای دو مده (bimodal) مجدد به جریان انداخت. این موشک هسته‌ای دو بخشی که از یک عنصر هسته‌ای حرارتی و یک عنصر هسته‌ای الکتریکی بهره می‌برد، از لحاظ تئوری قادر به سفر به مریخ ظرف تنها صد روز خواهد بود!
به‌تازگی بخش طرح‌های مفهومی پیشرفته ناسا (NIAC) ایده اولیه یک موتور هسته‌ای را برای فاز اول توسعه در سال 2023 انتخاب کرده است. این نسل جدید از موتورهای دو مده قادر است مدت زمان سفر به مریخ را به تنها 45 روز کاهش دهد!
طرح انتخاب شده توسط ناسا از سوی پروفسور رایان گوس از دانشگاه فلوریدا ارائه شده است. این طرح یکی از چهارده طرحی است که توسط NAIC برای فاز اول توسعه انتخاب شده است. از جمله دیگر طرح‌های انتخاب شده هم می‌توان به حسگرهای جدید با حساسیت بسیار بالا، ابزارآلات جدید و روش‌های تولید خلاقانه اشاره کرد.
مکانیزم عملکرد موشک های هسته‌ای بر چه اساسی است؟
موشک های هسته‌ای عموما بر اساس دو فرآیند مختلف کار می‌کنند که تکنولوژی‌های مورد استفاده در هریک به‌طور کامل تست شده و صحت آن‌ها تایید شده‌اند.
پیشرانه‌های هسته‌ای-حرارتی (NTP)
دسته اول پیشرانه‌های هسته‌ای، نمونه‌های هسته‌ای-حرارتی هستند. در این دسته پیشرانه‌ها یک رآکتور هسته‌ای وظیفه گرم کردن هیدروژن مایع (LH2) را بر عهده داشته و آن را به گاز هیدروژن یونیزه‌شده (پلاسما) تبدیل می‌کند. این گاز هیدروژن سپس با جریان پیدا کردن درون نازل‌ها باعث ایجاد پیشرانش می‌شود.
تلاش‌های متعددی برای توسعه موشک‌ها بر اساس این فناوری انجام شده است که از جمله آن‌ها می‌توان به پروژه Rover که در سال 1955 به‌طور مشترک توسط نیروی هوایی آمریکا و سازمان انرژی اتمی این کشور به انجام رسیده اشاره کرد.
در سال 1959، ناسا جایگزین نیروی هوایی آمریکا در این طرح شد و فاز جدیدی از توسعه موشک های NTP با هدف ساخت پیشرانه‌های موشک آغاز شد. این طرح در نهایت منجر به ساخت موتوری هسته‌ای برای استفاده در موشک‌ها (NERVA) شد که یک رآکتور با هسته جامد بود و با موفقیت تست شد.
با نزدیک شدن به دوره اوج‌گیری پروژه آپولو در سال 1973، بودجه پروژه پیشرانه هسته‌ای به تدریج کاهش پیدا کرد و این پروژه سرانجام بدون انجام هیچ‌گونه تست فضایی و موشکی متوقف شد!
از سوی دیگر، شوروی نیز در بازه سال‌های 1965 تا 1980 پیشرانه NTP خود را توسعه داده و حتی پیش از متوقف کردن آن، یک پرواز آزمایشی موفق نیز داشت!
پیشرانه هسته‌ای-الکتریکی (NEP)
از سوی دیگر، پیشرانه‌های هسته‌ای الکتریکی نیز فرآیند دیگری برای موشک های هسته‌ای به شمار می‌روند که در آن‌ها رآکتور مسئول تولید الکتریسیته یک شتاب‌دهنده مبتنی بر اثر هال (موتور یونی) است. این شتاب‌دهنده با تولید میدان الکترومغناطیسی، یک گاز نجیب مانند زنون را یونیزه کرده و شتاب می‌دهد تا از این طریق، پیشرانش فراهم شود.
از جمله تلاش‌های مهم برای توسعه موشک‌های مبتنی بر این تکنولوژی می‌توان به پروژه پرومتئوس بین سال‌های 2003 تا 2005 اشاره کرد.
مشکلات پیشرانه‌های NTP و NEP چیست؟
هر دو سیستم NTP و NEP مزایای فراوانی در مقایسه با موتورهای شیمیایی قدیمی دارند. نرخ تکانه خاص بالاتر، مصرف سوخت بهینه‌تر و چگالی بی‌نهایت انرژی از جمله مهم‌ترین مزایا به شمار می‌رود.
پیشرانه‌های هسته‌ای-الکتریکی قادر به ارائه پیش‌رانشی ثابت به مدت تقریبا سه ساعت هستند. با این وجود، سطح پیشرانش آن‌ها در مقایسه با موشک‌های معمولی و پیشرانه‌های هسته‌ای-حرارتی پایین‌تر است.
به گفته پروفسور گوس نیاز به منبع انرژی الکتریکی باعث اتلاف حرارت بیشتر در فضا می‌شود. نرخ تبدیل انرژی حرارتی در فضا در حالت ایده‌آل حدود 30 تا 40 درصد است.
از طرف دیگر علیرغم اینکه موشک‌های هسته‌ای – حرارتی NERVA گزینه‌هایی مناسب برای انتقال انسان‌ها به مریخ و بالاتر به شمار می‌روند، اما این دسته پیشرانه‌ها نیز در تامین نسبت جرم اولیه و پایانی در برخی ماموریت‌ها دچار مشکل می‌شوند.
طرح پیشنهادی پیشرانه‌های دو مده چه مزایایی دارد؟
با توجه به مزایا و معایب هر دو دسته پیشرانه‌های موشکی، ناسا طرح‌های دو مده که دربرگیرنده هر دو سیستم NEP و NTP باشد را ترجیح می‌دهد. در همین راستا، طرح ارائه شده توسط پروفسور گوس، سیستمی دو مده است و بر پایه رآکتورهای هسته جامد NERVA بنا شده. پیشرانه ارائه شده توسط گوس و گروهش قادر است تکانه خاص 900 ثانیه، یعنی تقریبا دو برابر راکت‌های شیمیایی کنونی را ارائه کند.
علاوه بر این، چرخه پیشنهاد شده توسط او از سوپرشارژرهای امواج فشاری (روتورهای موجی) هم استفاده می‌کند. این تکنولوژی بیشتر در موتورهای احتراق داخلی به کار رفته و از امواج فشاری تولید شده توسط واکنش‌ها برای فشرده کردن هوای ورودی استفاده می‌کند.
اگر این روتورهای موجی با موتورهای NTP همراه شوند، قادرند با استفاده از فشار ایجاد شده در اثر گرم کردن سوخت هیدروژن مایع در رآکتور، جرم عکس‌العمل را بیش از پیش کاهش دهند.
به ادعای پروفسور گوس، این سیستم قادر به ارائه سطح پیش‌رانشی هم‌تراز با طرح‌های هسته‌ای حرارتی مبتنی بر NERVA خواهد بود؛ اما میزان تکانه خاصی در بازه 1400 تا 2000 ثانیه را تولید خواهد کرد.
او همچنین معتقد است که در صورت استفاده از روتورهای موجی با پیشرانه‌های NEP امکان ارتقای میزان پیشرانش به سطوح بالاتر هم وجود دارد! گوس در این خصوص گفت:
اگر در پیشرانه پیشنهادی ما از چرخه هسته‌ای الکتریکی استفاده شود، می‌توان با افزودن حداقل مقدار جرم خشک، میزان تکانه خاص را تا محدوده 1400 الی 4000 ثانیه هم ارتقا داد! این سیستم دو مده قادر است انتقال سریع در ماموریت‌های فضایی (سفر به مریخ در 45 روز) را میسر کرده و در اکتشافات کلیدی در منظومه شمسی به کار رود.
سفر به مریخ بر اساس تکنولوژی‌های کنونی طراحی و ساخت پیشرانه نزدیک به سه سال به طول می‌انجامد. این ماموریت‌ها همچنین هر 26 ماه یک‌بار، یعنی زمانی که زمین و مریخ در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به هم قرار دارند، آغاز می‌شود و مدت زمان تردد بین آن‌ها چیزی بین شش تا نه ماه است.
اگر زمان انتقال بین زمین و مریخ به 45 روز (شش و نیم هفته) کاهش پیدا کند، مدت زمان کل سفر به مریخ به‌جای چند سال، تنها چند ماه خواهد بود. سفر کوتاه مدت‌تر به مریخ باعث کاهش خطرات همیشگی سفرهای فضایی مانند قرار گرفتن در معرض تشعشعات فضایی، مدت زمان سپری‌شده در میکرو جاذبه و آسیب‌های سلامتی ناشی از آن‌ها اشاره کرد.
در کنار طرح ارائه شده برای این پیشرانه، طرح‌های دیگری برای رآکتورها نیز وجود دارند که قادر به تولید سطح ثابتی از انرژی برای ماموریت‌های فضایی هستند. این دسته رآکتورها برای ماموریت‌هایی که در آن‌ها دسترسی مناسب به انرژی خورشیدی یا باد وجود ندارد، بسیار مناسب هستند.
از جمله نمونه‌های این طرح‌ها می‌توان به رآکتور Kilopower ناسا بر پایه فناوری استرلینگ و رآکتوری ترکیبی شکافت/گداخت اشاره کرد که هر دو توسط NAIC برای فاز نخست توسعه در سال 2023 انتخاب شده‌اند.
ماحصل این پروژه‌های جذاب و تکنولوژیک، بدون شک سفر سریع‌تر و بی‌دردسرتر به ماه، مریخ و سایر کرات منظومه شمسی خواهد بود.