عصر جدیدی از اکتشافات فضایی در پشت موتورهای موشک همجوشی

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

ناسا و ایلان ماسک رویای مریخ را در سر می پرورانند و ماموریت های فضایی سرنشین دار به زودی به واقعیت تبدیل خواهند شد. احتمالا شگفت زده خواهید شد، اما موشک های مدرن کمی سریعتر از موشک های گذشته پرواز می کنند.

سفینه های فضایی سریع به دلایل مختلف راحت تر هستند و بهترین راه برای شتاب گرفتن از طریق موشک های هسته ای است. آنها مزایای زیادی نسبت به موشک های سوخت معمولی یا موشک های برقی مدرن با انرژی خورشیدی دارند، اما در 40 سال گذشته، ایالات متحده تنها 8 موشک با سوخت هسته ای را پرتاب کرده است.

با این حال، در سال گذشته، قوانین مربوط به سفرهای فضایی هسته ای تغییر کرد و کار روی نسل بعدی موشک ها شروع شده است.

چرا سرعت لازم است؟

در مرحله اول هر پرواز به فضا، یک وسیله پرتاب مورد نیاز است - کشتی را به مدار می برد. این موتورهای بزرگ با سوخت های قابل احتراق کار می کنند - و معمولاً وقتی صحبت از پرتاب موشک می شود، منظور آنهاست. آنها به این زودی به جایی نمی روند - همانطور که نیروی گرانش است.

اما وقتی کشتی وارد فضا می شود، همه چیز جالب تر می شود. برای غلبه بر گرانش زمین و رفتن به اعماق فضا، کشتی به شتاب بیشتری نیاز دارد. اینجاست که سیستم های هسته ای وارد عمل می شوند. اگر فضانوردان بخواهند چیزی فراتر از ماه یا حتی بیشتر از مریخ را کاوش کنند، باید عجله کنند. کیهان عظیم است و فواصل آن نسبتاً زیاد است.

دو دلیل وجود دارد که چرا موشک های سریع برای سفرهای فضایی طولانی مدت مناسب تر هستند: ایمنی و زمان.

در راه رسیدن به مریخ، فضانوردان با سطوح بسیار بالایی از تشعشعات مواجه می شوند که مملو از مشکلات سلامتی جدی از جمله سرطان و ناباروری است. محافظت در برابر تشعشع می تواند کمک کند، اما بسیار سنگین است و هر چه ماموریت طولانی تر باشد، محافظ قدرتمندتری مورد نیاز خواهد بود. بنابراین، بهترین راه برای کاهش دوز تابش این است که به سادگی سریعتر به مقصد خود برسید.

اما ایمنی خدمه تنها مزیت آن نیست. هر چه پروازهای دورتر را برنامه ریزی کنیم، زودتر به داده های مأموریت های بدون سرنشین نیاز داریم. 12 سال طول کشید تا وویجر 2 به نپتون رسید - و همانطور که در حال پرواز بود، تصاویری باورنکردنی گرفت. اگر وویجر موتور قدرتمندتری داشت، این عکس‌ها و داده‌ها خیلی زودتر در اخترشناسان ظاهر می‌شدند.

بنابراین سرعت یک مزیت است. اما چرا سیستم های هسته ای سریعتر هستند؟

سیستم های امروزی

پس از غلبه بر نیروی جاذبه، کشتی باید سه جنبه مهم را در نظر بگیرد.

رانش- کشتی چه شتابی دریافت خواهد کرد.

کارایی وزن- سیستم چه مقدار نیروی رانش می تواند برای یک مقدار معین سوخت ایجاد کند.

مصرف انرژی خاص- مقدار معینی از سوخت چقدر انرژی می دهد.

امروزه متداول ترین موتورهای شیمیایی راکت های متداول با سوخت سوخت و موشک های الکتریکی با انرژی خورشیدی هستند.

سیستم‌های رانش شیمیایی نیروی رانش زیادی را ارائه می‌کنند، اما کارآمدی خاصی ندارند و سوخت موشک انرژی زیادی ندارد. موشک زحل 5 که فضانوردان را به ماه می برد، 35 میلیون نیوتن نیرو در هنگام برخاستن و حمل 950000 گالن (4318787 لیتر) سوخت داشت. بیشتر آن برای رساندن موشک به مدار انجام شد، بنابراین محدودیت‌ها واضح است: هر کجا که بروید، به سوخت سنگین زیادی نیاز دارید.

سیستم های نیروی محرکه الکتریکی با استفاده از الکتریسیته از صفحات خورشیدی نیروی رانش تولید می کنند. متداول ترین راه برای دستیابی به این هدف، استفاده از میدان الکتریکی برای شتاب دادن یون ها است، به عنوان مثال، در یک رانشگر القایی هال. این دستگاه ها برای تامین انرژی ماهواره ها استفاده می شوند و بازده وزنی آن ها پنج برابر سیستم های شیمیایی است. اما در عین حال آنها نیروی رانش بسیار کمتری را - حدود 3 نیوتن - می دهند.این تنها برای شتاب گیری خودرو از 0 تا 100 کیلومتر در ساعت در حدود دو ساعت و نیم کافی است. خورشید اساسا منبع انرژی بی انتها است، اما هر چه کشتی از آن دورتر شود، مفیدتر است.

یکی از دلایل امیدبخش بودن موشک های هسته ای، شدت انرژی باورنکردنی آنهاست. سوخت اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای هسته ای دارای محتوای انرژی 4 میلیون برابر هیدرازین است که یک سوخت شیمیایی معمولی موشک است. و رساندن مقداری اورانیوم به فضا بسیار ساده تر از صدها هزار گالن سوخت است.

در مورد کشش و کارایی وزن چطور؟

دو گزینه هسته ای

برای سفرهای فضایی، مهندسان دو نوع اصلی از سیستم های هسته ای را توسعه داده اند.

اولی یک موتور حرارتی است. این سیستم ها بسیار قدرتمند و کارآمد هستند. آنها از یک راکتور شکافت هسته ای کوچک - مانند آنچه در زیردریایی های هسته ای وجود دارد - برای گرم کردن گاز (مانند هیدروژن) استفاده می کنند. سپس این گاز از طریق نازل موشک برای ایجاد نیروی رانش شتاب می گیرد. مهندسان ناسا محاسبه کرده اند که سفر به مریخ با استفاده از موتور حرارتی 20 تا 25 درصد سریعتر از موشک با موتور شیمیایی خواهد بود.

موتورهای فیوژن بیش از دو برابر موتورهای شیمیایی کارآمدتر هستند. این بدان معنی است که آنها دو برابر رانش را برای همان مقدار سوخت - تا 100000 نیوتن نیروی رانش ارائه می کنند. این برای شتاب دادن خودرو به سرعت 100 کیلومتر در ساعت در حدود یک ربع کافی است.

سیستم دوم یک موتور موشک هسته ای الکتریکی (NEPE) است. هیچ یک از اینها هنوز ایجاد نشده است، اما ایده این است که از یک راکتور شکافت قدرتمند برای تولید الکتریسیته استفاده شود، که سپس یک سیستم پیشرانه الکتریکی مانند موتور هال را تامین می کند. این بسیار موثر خواهد بود - تقریباً سه برابر کارآمدتر از یک موتور فیوژن. از آنجایی که قدرت یک راکتور هسته ای بسیار زیاد است، چندین موتور الکتریکی جداگانه می توانند به طور همزمان کار کنند و نیروی رانش جامد خواهد بود.

موتورهای موشک هسته ای شاید بهترین انتخاب برای ماموریت های بسیار دوربرد باشند: آنها به انرژی خورشیدی نیاز ندارند، بسیار کارآمد هستند و نیروی رانش نسبتا بالایی را ارائه می دهند. اما با وجود ماهیت امیدوارکننده، سیستم نیروی محرکه هسته‌ای هنوز مشکلات فنی زیادی دارد که باید قبل از راه‌اندازی حل شوند.

چرا هنوز موشک های هسته ای وجود ندارد؟

موتورهای هسته‌ای از دهه 1960 مورد مطالعه قرار گرفتند، اما هنوز به فضا پرواز نکرده‌اند.

بر اساس منشور دهه 1970، هر پروژه فضایی هسته ای به طور جداگانه در نظر گرفته می شد و بدون تأیید تعدادی از سازمان های دولتی و شخص رئیس جمهور نمی توانست جلوتر از این پیش برود. همراه با کمبود بودجه برای تحقیق در مورد سیستم های موشکی هسته ای، این امر مانع توسعه بیشتر راکتورهای هسته ای برای استفاده در فضا شده است.

اما همه چیز در آگوست 2019 زمانی که دولت ترامپ یک یادداشت ریاست جمهوری صادر کرد، تغییر کرد. دستورالعمل جدید در حالی که بر حداکثر ایمنی پرتاب‌های هسته‌ای تاکید می‌کند، همچنان به مأموریت‌های هسته‌ای با مقادیر کم مواد رادیواکتیو بدون تأیید پیچیده بین‌سازمانی اجازه می‌دهد. تایید یک آژانس حامی مانند ناسا مبنی بر اینکه ماموریت مطابق با توصیه های ایمنی است کافی است. ماموریت های هسته ای بزرگ همان رویه های قبلی را طی می کنند.

همراه با این تجدید نظر در قوانین، ناسا 100 میلیون دلار از بودجه سال 2019 برای توسعه موتورهای هسته ای دریافت کرد. آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی همچنین در حال توسعه یک موتور فضایی گرما هسته ای برای عملیات امنیت ملی فراتر از مدار زمین است.

پس از 60 سال رکود، ممکن است یک موشک هسته ای در عرض یک دهه به فضا برود. این دستاورد باورنکردنی دوران جدیدی از اکتشافات فضایی را آغاز خواهد کرد. انسان به مریخ خواهد رفت و آزمایش های علمی منجر به اکتشافات جدیدی در سراسر منظومه شمسی و فراتر از آن خواهد شد.