انرژی هستهای، گزینه جدید «ناسا» در تامین انرژی پروازهای فضایی/نسل جدید پیشرانه‌ها
به گزارش جهان صنعت نیوز: چیزی که فضانوردان مشتاق به دنبال توسعه آن هستند تا زندگی در فضا را ممکن سازد. با این‌حال، با گذشت بیش از ۶۰ سال از عصر فضایی، شکافت هستهای برای پروازهای فضایی هنوز یک رویا است. اما دانشمندان قصد دارند به این رویا جامه عمل بپوشانند. درحالی که ناسا برنامه «آرتمیس» را برای ساختن یک ایستگاه در سطح کره ماه پیش می‌برد، همکاری نادری در زمینه فناوری، بودجه و امور سیاسی در آستانه ساخت رآکتور هستهای فضایی است. در سال ۲۰۲۰، کاخ سفید به ناسا مهلتی ۱۰ساله داد تا یک سیستم انرژی هستهای با توان ۱۰ کیلووات را به سطح ماه برساند. این پروژه اکنون اولویت اصلی اداره ماموریت فناوری فضایی این آژانس است. در ژوئیه ۲۰۲۱، دانشمندان هزینه این پروژه را در حدود ۱۱۰ میلیون دلار اختصاص داده‌اند. این پروژه در مرحله اولیه شامل پیشبرد توسعه یک موشک هستهای جدید است که بتوان به کمک آن محموله‌های گوناگون و انسان‌ها را به سفرهای بین‌سیاره‌ای برد. دلیل این ضرب‌الاجل کاخ سفید ساده است: بدون انرژی هستهای، رسیدن به هدف ناسا مبنی بر ایجاد پایگاه فضایی در سطح ماه تا پایان دهه- اگر نگوییم غیرممکن- بسیار دشوار است.
در کمال تعجب، برای ساخت یک رآکتور هستهای با هدف به کارگیری در پروازهای فضایی، نیازی به پیشرفت اساسی در فناوری نیست. در عوض، دشواری در این پروژه از آنجا ظاهر می‌شود که باید شبکه‌ای پیچیده از مقررات وضع شود تا بتوان تجهیزات هستهای را به خوبی مدیریت کرد. در صورتی که ناسا موفق به طرح‌ریزی مناسب برای این پروژه شود، نه تنها می‌تواند از آن برای پروازهای با مقصد ماه کمک بگیرد، بلکه در آینده اعماق فضا نیز به دست «ناسا» کشف خواهند شد. درحالت ایده‌آل، می‌توان از قدرت اتم نه تنها برای انجام ماموریت‌های ارسال انسان به ماه و یا ارسال روبات به مریخ استفاده کرد، بلکه می‌توان به کشف دیگر نقاط منظومه شمسی نیز فکر کرد. «مایکل هوتس» مدیر تحقیقات هستهای در مرکز پرواز فضایی «مارشال» ناسا می‌گوید: «هدف این است که مطمئن شویم آن عملکردی از رآکتور هستهای که در ماه قابل استفاده است، در سطح مریخ نیز به کار برده خواهد شد.» او توضیح می‌دهد که شکاف هستهای یک فرآیند بسیار ساده است.
«هوتس» می‌گوید: «سیستم شکاف هستهای که در رآکتور رخ می‌دهد بسیار متفاوت از عملکرد ژنراتورهای ترموالکتریک رادیو ازوتوپی (RTG) مریخ‌‌نورد ناسا یا ماموریت‌هایی مانند «وویجر» که اکنون در فضای بین ستاره‌ای قرار دارند، است. RTGها تنها قادر هستند گرمای آزادشده از عنصر «پلوتونیوم» را به الکتریسیته تبدیل کنند. اما آنچه رآکتور انجام می‌دهد بسیار متفاوت و قدرتمندتر است. رآکتور هستهای انرژی آزادشده در شکاف اورانیوم را جدا و آن را به نیرو یا برق تبدیل می‌کند. هرچند که رآکتور هستهای فضایی ساختاری یکسان با همتای خود در سطح زمین دارد، اما مهندسی این سیستم و مدیریت آن در فضا کار پیچیده و دشواری است.»
پیشرفتی شگرف در زمینه به‌کارگیری انرژی هستهای
«ناسا» هنوز نگران برنامه‌هایی است که در زمینه مطالعه مریخ دارد. این سازمان از زمان اولین دوره ریاست‌جمهوری «جورج دبلیوبوش» تاکنون به صورت پیوسته در تلاش بوده تا اطلاعات شگرفی از مریخ جمع‌آوری کند. «ناسا» در سال ۲۰۲۰ از آکادمی‌های ملی علوم، مهندسی و پزشکی درخواست کرد تا چالش‌های فنی، مزایا و خطرات ارسال محموله‌های هستهای به مریخ در سال ۲۰۳۳ را به تصویر بکشند و در مورد آنها مطالعه کنند. از نظر منطقی، کلیت این ماموریت با اهداف دانشمندان فضایی در دهه ۱۹۵۰ چندان تغییری نکرده است. سه سال پیش از آنکه پرواز «یوری گاگارین» آغاز شود، کمیته ملی مشاوره هوانوردی شروع به مطالعه رسمی در زمینه پیشرانه‌های هستهای کرد تا بتواند انسان را به سطح مریخ بفرستد. در این تحقیقات لازم دانسته شد که مدت سفر ۴۲۰ روز باشد که ۴۰ روز از آن در سطح مریخ گذرانده شود. طرح‌های بلندپروازانه‌تر دیگر شامل اقامت طولانیمدت بر مریخ بودند. با فرض اینکه بدن انسان بتواند با این سفر همگام شود اما همچنان سوال‌های اساسی در مورد چنین پروازهایی وجود دارد. پیش از این «والری پولیاکوف» فضانورد موفق شده بود رکورد طولانی‌ترین اقامت مداوم در فضا را بشکند. او به کمک یک رژیم سخت توانست ۴۳۷ روز را در ایستگاه فضایی شوروی بگذراند. «پولیاکوف» هنگام بازگشت به زمین گفت: «ما می‌توانیم به مریخ پرواز کنیم.» هدف فعلی «ناسا» در ماموریت مریخ، یک سفر رفت و برگشت دو ساله است. نیروی هستهای در به ثمر رساندن این ماموریت عاملی حیاتی است. نیروی هستهای قادر است تا تعداد پروازها را برای خدمه و روبات‌ها افزایش دهد و همچنین میزان سوخت مصرفی را نیز تا حد بسیاری کم کند. سوخت همواره مساله‌ای مهم در پروازهای فضایی است. ایستگاه بین‌المللی فضایی که به سختی و توسط چندین پرواز مختلف سرهم شده است، تقریبا ۴۲۰ تن وزن دارد. حالا اگر به ساختن یک ایستگاه در مریخ فکر کنیم، درمی‌یابیم که سفرهای رفت و برگشت به سطح این سیاره بسیار بسیار پرهزینه خواهند بود.
تنوع پیشرانه‌های هستهای
«ناسا» درحال حاضر نه یک، بلکه دو نوع متفاوت از موشک‌های اتمی را مطالعه می‌کند: «پیشرانه حرارتی هستهای و پیشرانه الکتریکی هستهای.» هریک از این دو می‌تواند با انرژی هستهای فعالیت خود را آغاز کند. پیشرانه حرارتی هستهای که در مقیاس‌های بین‌سیاره‌ای کاربرد دارد، در اصل نقش یک مرحله انتقال نیرو را ایفا می‌کند. نیروی محرکه هستهای مانند نیروگاه هستهای روی زمین عمل می‌کند. در نیروگاه هستهای از واکنش شکافت برای تولید برق استفاده می‌شود. الکتریسیته تولید شده می‌تواند نیروی لازم برای انجام پروازهای فضایی را تامین کند. در هر روش، چالش‌هایی وجود دارد. بزرگ‌ترین چالش پیشرانه حرارتی هستهای این است که راکتور در دمای بسیار بالا کار می‌کند تا بتواند انرژی هستهای لازم را برای پرواز تامین کند. همین امر سبب نگرانی فضانوردان و مهندسان است. همچنین این راکتور به یک پیشرانه برودتی بسیار عظیم نیاز دارد که چالش‌های دیگری در زمینه مهندسی ایجاد می‌کند. «هوتس» عقیده دارد هرچند که این سیستم بسیار پیچیده و بزرگ است، اما تنها چند ساعت به کارگیری آن برای تولید نیروی لازم، کافی است. پس از آن فضاپیما تمام سرعت مورد نیاز خود را برای سفر به مریخ یا بازگشت به خانه خواهد داشت. از سوی دیگر، نیروی محرکه الکتریکی هستهای در دماهای پایین‌تر کار می‌کند اما باید به‌طور مداوم برای مدت طولانی کار کند. فعالیت طولانیمدت چالش‌های دیگری را برای مهندسان ایجاد می‌کند. تاحدودی به دلیل سادگی نسبی، پیشرانه حرارتی هستهای مورد علاقه مهندسان در این پروژه فضایی است. علاقه مهندسان به این سیستم سبب شد تا بودجه ۱۱۰ میلیون دلاری در کنگره ۲۰۲۱ به پرواز خدمه به سیاره سرخ در سال ۲۰۳۹ اختصاص داده شود. پیشرانه الکتریکی هستهای نیز برای مدتی مورد توجه «ناسا» بوده است. در سال ۲۰۰۳ دانشمندان تلاش کردند تا از این سیستم در پروژه‌ای به نام «پرومته» استفاده کنند. این پروژه مرتبط با ساخت راکتورهای زیردریایی برای نیروی دریایی ایالات‌متحده و وزارت انرژی بود. پس از آن مجددا دانشمندان بر استفاده از پیشرانه الکتریکی در پروازهای فضایی تمرکز کردند. به کمک این پیشرانه می‌توان فواصل بسیار دورتری از منظومه شمسی را کاوش کرد. دانشمندان در آن زمان و با استفاده از تجربه‌های به دست آمده از پروژه «پرومته» موفق شدند راکتوری با دویست هزار وات نیرو تولید کنند. با این‌حال، «ناسا» به دلیل نگرانی در زمینه تامین بودجه‌های لازم برای این سیستم، آن را پس از دوسال کنار گذاشت. «شانون براگ سیتون» دانشمند هستهای و مهندس آزمایشگاه ملی «آیداهو» می‌گوید: «از لحاظ تاریخی، اگر مدت زمان سه یا چهار سال صرف ساخت و توسعه یک سیستم پیشران هستهای بکنیم و سپس متوقف شویم و یک دهه بعد مجددا به آن بازگردیم، باید دانش بسیار زیادی را کسب کنیم.
این واقعیت که ما در سال‌های اخیر نگاهی عمیق به این دو سیستم داشته‌ایم بدین معنا نیست که اکنون برای به‌کارگیری آنها آماده‌ایم. ما مجددا باید برای جمع‌آوری دانش و اطلاعات جدید تلاش کنیم.» هدف «ناسا» برای پرواز در سال ۲۰۳۹ به مریخ در یک ماموریت سرنشین‌دار ممکن است به حدی دور به نظر برسد که بعضی گمان کنند نیاز به اقدام فوری نیست. اما «براگ» می‌گوید: «در چنین پروژه‌های بزرگی که مهلت مقررشده طولانی است، زمان یک پارامتر فریبنده است. پیش از آنکه در سال ۲۰۳۹ ماموریت «ناسا» در این مورد به سرانجام برسد، باید در سال ۲۰۳۳ آن را در مسیرهای کوتاه‌تر و بدون خدمه مورد آزمایش قرار داد. باید آماده باشیم تا اولین سیستم خود را برای احراز صلاحیت و کسب تاییدیه‌های لازم در سال ۲۰۳۳ تست کنیم. «براگ» در پایان گفت: «نمی‌توان یک سیستم هستهای را در یک یا دو سال توسعه داد. برای انجام چنین پروژه‌های بزرگ و نوآورانه‌ای به مدت زمانی طولانی نیاز است.»
مجوزهای لازم برای پرواز
دریافت مجوز برای پرتاب مواد هستهای به فضا به اندازه ساخت یک راکتور یا موشک هستهای چالش‌برانگیز است. این امر به ویژه در صورتی صادق است که سیستم شکافت متکی بر اورانیوم غنیشده باشد. تنها ۱% از اورانیوم طبیعی زمین به این صورت است که آن هم مورد توجه ویژه دانشمندان هستهای است. مهندسان فضاپیما در تلاش هستند تا بتوانند از این نوع اورانیوم بیشترین استفاده را در طراحی‌های خود بکنند، هرچه سوخت هستهای اورانیوم ۲۳۵ بیشتری داشته باشد، راکتور کوچک‌تر خواهد بود، اما دریافت مجوز برای به‌کارگیری آن نیز به مراتب سخت‌تر می‌شود. برای «ناسا»، حتی استفاده از یک محموله هستهای بدون اورانیوم بسیار غنیشده به عنوان منبع تامین‌کننده انرژی هستهای نیز موانع بزرگ خود در کسب مجوز را دارد. علاوه بر تمام ارگان‌هایی که باید مجوز استفاده از این سیستم را صادر کنند، کاخ سفید نیز باید مجوز رسمی برای پرتاب را بدهد. سختگیری‌ها در این زمینه می‌تواند چندین سال تلاش و ده‌ها میلیون دلار بودجه را به حالت تعلیق درآورد، پس باید راهی به غیر از استفاده از اورانیوم بسیار غنیشده پیدا کرد. از سوی دیگر، طرح‌های جدید برای راکتورهای پیشرفته با توان بالا وجود دارد که از مقادیر زیادی اورانیوم با غنای پایین استفاده می‌کنند.
«ناتان گرینر» سرگرد نیروی هوایی و یکی از مدیران این پروژه می‌گوید: «پس از حدود نیم قرن، راه‌اندازی یک راکتور هستهای عاملی حیاتی است. باید قدم‌های باقی‌مانده تا خط پایان را طی کنیم. باید به ساخت راکتورهای فضایی فکر کنیم و تنها محدود به راکتورهای زمینی نباشیم. شاید این سوال پیش بیاید که آیا فناوری لازم برای انجام چنین کاری را داریم؟ باید پاسخ بدهیم که در پیشبرد این هدف، مسیر را هموار خواهیم کرد.»
همکاری سازمان‌های مربوطه
مشخص است که DARPA به تنهایی نمی‌تواند جرقه انقلاب در پروازهای فضایی را رقم بزند. تولید نیروی محرکه هستهای تنها کار راکتور نیست بلکه سازمان‌ها و دولت نیز باید در این زمینه همکاری گسترده داشته باشند. حداقل وزارت انرژی باید اورانیوم با غنای پایین بیشتری تولید کند. از سوی دیگر، باید انبارهایی برای ایجاد و حفظ پیشرانه‌های برودتی با ایمنی بالا تولید کرد. «ناسا» نیز باید دست به ساخت موشکی بزند که با استفاده از این سیستم به سمت مریخ پرواز کند. این موارد تنها نیازهای بسیار کلی در این پروژه بزرگ هستند.
اگر بتوان در تمام زمینه‌ها به صورتی کارآمد و موفق عمل کرد، دانشمندان فضایی قادر خواهند بود تحولی عظیم در این صنعت در چندین دهه آینده ایجاد کنند. ارسال محموله‌های فضایی به کمک این سیستم، بسیار راحت و کم‌هزینه خواهد بود. البته پیش از آن باید از نبود خطرات محتمل برای خدمه اطمینان حاصل کرد. بدین ترتیب انسان می‌تواند با یک پرواز که سوخت آن به صورت هستهای تامین می‌شود، به مریخ پا بگذارد. همچنین می‌توان ایستگاه‌های فضایی را با سرعت بیشتر و هزینه کمتر بر مدار زمین سوار کرد. در به سرانجام رسیدن چنین پروژه‌ای، نیاز به سطح بالای همکاری میان سازمان‌های مختلف احساس می‌شود.«پولیاکوف» در این باره عقیده دارد: «باید هر اتم را در اختیار یک ارگان قرار داد تا در نهایت، به تحقق هدف نزدیک شویم.»
لینک کوتاه :