ناسا چطور به تولید الکتریسیته در سیاره مریخ خواهد پرداخت؟

حضور انسان‌ها روی سیاره مریخ قرار است با پشت سر گذاشتن انبوهی از چالش‌های عظیم امکان‌پذیر شود و بسیاری از این چالش‌ها به تنها یک پیش‌نیاز اساسی وابسته هستند: برق. چه موضوع صحبت‌مان ساخت اکسیژن و به حرکت درآوردن وسایل نقلیه باشد و چه تامین حرارت و نور و برقراری ارتباط با زمین، ساکنین آتی مریخ به جریانی مداوم از الکتریسیته نیاز دارند تا در امان باقی بمانند و ماموریت را آن‌طور که از پیش برنامه‌ریزی شده پیش ببرند.

اما مشخصا هیچ شبکه برقی در مریخ نمی‌توان یافت و راهکارهای فعلی هم تنها برای مدتی کوتاه موانع را برطرف خواهند کرد. بنابراین سوال اینست که نخستین تاسیسات برق غیر زمینی ما چه شکل و شمایلی خواهد یافت؟ برای تهیه این مقاله خبرگزاری Digital Trends به صحبت با دو متخصصی پرداخته که در دو آژانس متفاوت روی پیشرفته‌ترین سیستم‌های تامین برق فضایی کار می‌کنند.

راکتورهای هسته‌ای در فضا

برنامه‌های سازمان فضایی ناسا برای آینده‌ی تولید برق، شامل استفاده از سیستم‌های کافش هسته‌ای می‌شود که در آن‌ها، اتم‌های اورانیوم را درون یک راکتور به دو بخش تقسیم می‌کنیم تا به تولید حرارت بپردازیم. در قیاس با سیستم‌های رادیوایزوتوپی که برای مثال به مریخ‌نورد استقامت ناسا قوت می‌رسانند، سیستم‌های کافش می‌توانند علاوه بر تولید انرژی برق بیشتر، در ابعادی جمع‌وجور ساخته شوند.

در سال ۲۰۱۸ میلادی، پروژه Kilopower ناسا آزمایش با یک سیستم کافش را به نمایش در آورد که قادر به تولید ۱ کیلووات برق است و از آن می‌توان برای قوت‌رسانی به راکتورهای فضایی آینده استفاده کرد در این آزمایش که تحت عنوان KRUSTY (مخفف Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY) شناخته می‌شود، شاهد استفاده از هسته اورانیوم-۲۳۵ بودیم که ناسا آن را «حدودا هم‌اندازه با یک رول دستمال کاغذی» توصیف می‌کند بودیم. این سیستم به تولید حرارت پرداخت که سپس از طریق مکانیسمی به نام موتور استرلینگ تبدیل به الکتریسیته می‌شد.

طی سال گذشته میلادی، ناسا در همراهی با وزارت انرژی آمریکا خواستار ایده‌پردازی برای سیستمی شد که به ۱۰ کیلووات ساعت دست پیدا می‌کند

یک سیستم تولید برق سطحی مبتنی بر کافش می‌تواند بسیار کوچک و کم‌وزن باشد و در عین حال برای حداقل ۱۰ سال به تولید برق خواهد پرداخت. این باعث می‌شود مفهوم مد نظر ناسا برای ماموریت‌های آتی در ماه و سپس در مریخ کاملا ایده‌آل باشد.

طی سال گذشته میلادی، ناسا در همراهی با وزارت انرژی آمریکا خواستار ایده‌پردازی برای سیستمی شد که به ۱۰ کیلووات ساعت دست پیدا می‌کند. ۴ یا ۵ عدد از چنین سیستم‌هایی می‌توانند یک زیستگاه مریخی را همراه با تمام تجهیزاتش به کار بیندازند - مانند دستگاه‌های تولید اکسیژن برای سوخت موشک و همینطور برطرف‌سازی نیازهای کلی سه یا چهار فضانورد حاضر در سیاره سرخ که انتظار می‌رود همگی نیازمند حدودا ۴۰ کیلووات انرژی باشند.

دایان هرناندز لوگو مدیر پروژه Kilopwer بود و حالا مدیریت پروژه برق کافشی ناسا را برعهده گرفته است. او در مصاحبه خود با Digital Trends می‌گوید که سازمان فضایی مورد اشاره قصد دارد طی دهه آتی، برای نخستین بار به آزمایش این سیستم روی کره ماه بپردازد.

او می‌گوید که ایده اینست که سیستم ابتدا روی ماه و به عنوان بخشی از برنامه آرتمیس ناسا تست شود. «پروژه ما به دنبال توسعه یک سیستم ۱۰ کیلوواتی است و نخستین آزمایش روی کره ماه به انجام خواهد رسید. به این ترتیب می‌توانیم درکی بهتر از کارکرد سیستم داشته باشیم.» بعد از این، می‌توان تمام تغییرات لازم را در طراحی به وجود آورد و به شکلی بهتر برای ماموریت‌های بعدی که در مریخ انجام می‌شوند آماده بود.

ناسا به این خاطر برای نخستین آزمایش‌ها در کره ماه برنامه‌ریزی کرده که می‌خواهد واحد تولید برق داخل فرودگر قمری‌اش باقی بماند

ناسا به این خاطر برای نخستین آزمایش‌ها در کره ماه برنامه‌ریزی کرده که می‌خواهد واحد تولید برق داخل فرودگر قمری‌اش باقی بماند. باقی نگه داشتن واحد تولید برق درون فرودگر «باعث می‌شود پیش بردن عملیات‌های سیستم راحت‌تر باشد و گام‌های اضافه برای خارج کردن آن برداشته نمی‌شوند». تیم هرناندز لوگو دقیقا دارد روی این کار می‌کند.

اما آن‌ها در عین حال امیدوارند که شاهد ایده‌های تازه از سوی فعالان این حوزه باشند و ببینند که چه راهکارهای تازه‌ای را می‌توان به کار بست. او می‌گوید: «در حال حاضر، درون گروه ما، ایده اینست که سیستم را درون فرودگر باقی نگه داریم. اما ابداعات بسیار زیادی در جهان انجام می‌شود و این بار ما به دنبال ابداعاتی از سوی فعالان صنعتی می‌گردیم تا ببینیم دیگر چه گزینه‌هایی پیش رویمان است.»

در یکی از پژوهش‌های داخلی ناسا تخمین زده شد که هر واحد ۱۰ کیلوواتی می‌تواند شش متر ارتفاع و ۲ متر عرض داشته باشد، اما جزییات دقیق‌تر بستگی به طراحی نهایی این واحدها خواهند داشت. یک تصویر مفهومی که از سوی ناسا ارائه شده و آن را بالاتر می‌بینید، اتصال چهار واحد مختلف به یکدیگر را روی سطح مریخ نشان می‌دهد تا انرژی مورد نیاز زیستگاه از طریق آن‌ها تامین شود. بنابراین می‌توانید تصور کنید که یک تاسیسات تولید برق مریخی چه شکل و شمایلی به خود خواهد گرفت.

امنیت انرژی هسته‌ای

هنگام استفاده از انرژی هسته‌ای روی کره زمین، یکی از فاکتورهایی که همواره باعث نگرانی مردم می‌شود مربوط به امنیت است و همین موضوع راجع به ماموریت‌های فضایی هم مصداق دارد. عناصر رادیواکتیوه مورد استفاده در راکتورهای هسته‌ای برق -مانند اورانیومی که در نمایش Kilopower مورد استفاده قرار گرفت- تشعشعاتی دارند که جان انسان‌ها را به خطر می‌اندازند و حتی باعث اختلال در عملکرد تجهیزات الکترونیکی نزدیک به خود می‌شوند.

برای در امان نگه داشتن انسان‌ها و لوازم الکترونیکی، سیستم‌های کافش برق با لایه‌ای قطور از فلز پوشانده می‌شوند که تشعشعات را درون خود نگه می‌دارند

برای در امان نگه داشتن انسان‌ها و لوازم الکترونیکی، سیستم‌های کافش برق با لایه‌ای قطور از فلز پوشانده می‌شوند که تشعشعات را درون خود نگه می‌دارند. هرگونه سیستم تولید برق جدیدی که برای ماموریت مریخ مورد استفاده قرار گیرد، باید پیشتر آزمایش‌هایی گسترده و شدید را روی زمین پشت سر گذاشته باشد تا اطمینان حاصل گردد که حتی در بدترین شرایط ممکن نیز امن باقی می‌ماند. از جمله این آزمایش‌ها می‌توان به تست عملیاتی، تست مکش و تست لرزش اشاره کرد.

هرناندز لوگو به این اشاره می‌کند که ناسا در گذشته بیش از ۲۰ ماموریت داشته که در آن از گستره وسیعی از سیستم‌های برق هسته‌ای استفاده شده «بنابراین ناسا تخصص و پیش‌زمینه لازم برای ارسال سیستم‌های انرژی هسته‌ای را هم به ماه و هم به مریخ دارد».

بعد هم نوبت به نگرانی راجع به استفاده از اورانیوم شدیدا غنی شده در سیستم‌های برقی می‌رسد که از آن در نمایش Kilopower بهره گرفته شد. این ماده را می‌توان برای ساخت تسلیحات اتمی نیز به کار گرفت و بنابراین برخی رهبران سیاسی نگران شده‌اند که استفاده از آن در پروژه‌های فضایی ممکن به افزایش موارد استفاده در زمین نیز منجر شود.

سیستم‌های کافش آتی ممکن است در عوض به استفاده از اورانیوم کمتر غنی شده‌ای بپردازند که معمولا در راکتورهای انرژی زمینی استفاده می‌شوند

برای برطرف‌سازی این نگرانی‌ها، سیستم‌های کافش آتی ممکن است در عوض به استفاده از اورانیوم کمتر غنی شده‌ای بپردازند که معمولا در راکتورهای انرژی زمینی استفاده می‌شوند و در سطح استفاده تسلیحاتی نیستند. هرناندز لوگو در یک ایمیل می‌نویسد که: «طراحی اورانیوم با غنای کم از منظر کاهش قانون‌گذاری‌ها و سازگاری با قوانین هسته‌ای فضایی جذاب‌تر است. البته اگر ماموریت نیازهای خاصی داشته باشد، همچنان احتمال استفاده از اورانیومی با غنای بیشتر وجود دارد».

بنابر آخرین دستورالعمل قوانین فضایی که در ماه دسامبر سال گذشته میلادی از سوی کاخ سفید منتشر شد، تنها در صورتی امکان استفاده از اورانیوم با غنای بالا وجود دارد که بدنه‌های دولتی مختلف چراغ سبز نشان داده باشند و این تنها را برای به پایان رساندن یک ماموریت باشد.

انرژی خورشیدی

اما انرژی هسته‌ای تنها گزینه‌ی ناسا برای تولید برق نیست: یکی از رایج‌ترین گزینه‌ها برای تولید برق در ماموریت‌های فضایی کنونی، استفاده از انرژی خورشیدی است. آژانس فضایی اروپا (ESA) اساسا برای تمام ماموریت‌های خود از انرژی خورشیدی استفاده می‌کند و مریخ‌نورد بعدی‌اش که «Rosalind Franklin» نام دارد هم از خورشید قوت خواهد گرفت.

لئوپولد سامرر، مدیر تیم مفاهیم پیشرفته در ESA که به پژوهش روی تکنولوژی‌های نوظهور برای ماموریت‌های فضایی می‌پردازد به Digital Trends می‌گوید که انرژی خورشیدی یک مزیت بزرگ نسبت به انرژی هسته‌ای دارد و آن، بی‌نیاز بودن از تدابی امنیتی اضافه است. او ضمنا به این موضوع اشاره می‌کند که استفاده روزافزون از تکنولوژی‌های مرتبط با انرژی خورشیدی بدین معنا بوده که به دستاوردهای بیشتری در این حوزه رسیدیم و قادر به استفاده از همان دستاوردها در ماموریت‌های فضایی هستیم: «تکنولوژی‌های مرتبط با انرژی خورشیدی سریعا به تکامل می‌رسند و استفاده و دسترسی آسان و همینطور بلوغ بیشتر و کاملا تجدیدپذیر بودن را باغ خود به ارمغان می‌آورند».

«در فضا، بهینگی حتی از روی زمین هم مهم‌تر است و ما دائما در حال به پیش راندن آنچه از لحاظ فنی امکان‌پذیر است هستیم»

این نرخ سریع توسعه بدان معناست که مهندسان به طراحی پنل‌هایی مشغول شده‌اند که در ازای همان مقدار از نور خورشیدی، الکتریسیته هرچه بیشتر تولید می‌کنند و سامرر انتظار دارد سیستم‌های خورشیدی آینده فقط بهینه و بهینه‌تر شوند.

او می‌گوید: «در فضا، بهینگی حتی از روی زمین هم مهم‌تر است و ما دائما در حال به پیش راندن آنچه از لحاظ فنی امکان‌پذیر است هستیم». افزایش نسبتا اندکی بهینگی در سلول‌های خورشیدی می‌تواند تفاوتی بزرگ از منظر هزینه کل سیستم‌های خورشیدی به وجود آورد، خصوصا برای دستگاه‌ها کوچک‌تر مانند ماهواره‌ها.

اما مثل تمام تکنولوژی‌ها، انرژی خورشیدی هم محدودیت‌های خاص خود را دارد. «نقطه ضعف اینست که انرژی خورشیدی بر منبعی خارجی -یعنی خورشید- متکی است و این خود مشکلاتی به همراه می‌آورد». در بسیاری از شرایط‌های مختلف، انرژی به دست آمده از خورشید شکلی متناوب دارد. در سیاره‌ای که سیکل شب و روز دارد، باتری‌ها می‌توانند در طول روز به ذخیره‌سازی انرژی اضافه بپردازند و در شب به تجهیزات قوت برسانند. اما همین فضای ذخیره‌سازی انرژی اضافه باعث می‌شود طراحی سیستم‌های برق شکلی بزرگ‌تر به خود بگیرد و پیچیدگی توسعه نیز بیشتر می‌شود.

نور خورشید بر مریخ

اما وقتی نوبت به مریخ به صورت خاص می‌رسد، استفاده از انرژی خورشیدی چالش‌های خود را نیز دارد. با توجه به اینکه فاصله مریخ از خورشید، از فاصله زمین تا خورشیدی کمتر است، نور کمتری به سطح سیاره سرخ می‌رسد. این یعنی فضانوردانی که به مریخ می‌روند حدودا به نصف تابش‌های خورشیدی روی زمین دسترسی خواهند داشت.

البته این بدان معنا نیست که استفاده از انرژی خورشیدی روی مریخ غیرممکن خواهد بود، بلکه صرفا بدین معناست که فضانوردان و مدیران ماموریت‌ها باید حسابی مراقب میزان انرژی مصرفی خود باشند. نسل قبلی مریخ‌نوردهای ناسا، Spirit و Opportunity از انرژی خورشیدی استفاده کردند و مدارگردهای کنونی مانند Mars Express و Mars Orbiter Mission هم انرژی خود را از خورشید تامین می‌کنند.

مریخ سیستم آب‌وهوایی پیچیده‌ای دارد که گاهی منجر به شکل‌گیری طوفان‌های خاکی عظیم در سطح تمام سیاره می‌شود

اما اینجاست که یک مشکل مهم در مریخ ظهور می‌کند: طوفان‌های خاکی. مریخ سیستم آب‌وهوایی پیچیده‌ای دارد که گاهی منجر به شکل‌گیری طوفان‌های خاکی عظیم در سطح تمام سیاره می‌شود. این طوفان‌ها نور خورشید را به صورت موقت بلوکه می‌کنند و تقریبا هرآن‌چه در این سیاره یافت می‌شود را با لایه‌ای از غبار می‌پوشانند - از جمله پنل‌های خورشیدی. همین اتفاق بود که باعث شد مریخ‌نورد Opportunity علی‌رغم عمر بسیار طولانی‌اش بالاخره از کار بیفتد. یک طوفان خاکی بزرگ در مریخ بود که طی سال ۲۰۱۸ بالاخره به کار مریخ‌نورد خاتمه داد.

سامرر فکر می‌کند که با ترکیب کردن تاسیسات تولید انرژی سطحی و همینطور تاسیساتی که در مدار مریخ می‌گردند و انرژی را به صورت بی‌سیم مخابره می‌کنند، در نهایت قادر به تامین انرژی لازم برای زیستگاه انسان‌ها خواهیم بود. اما او در عین حال می‌گوید که با ترکیب انرژی خورشیدی با دیگر منابع انرژی نظیر هسته‌ای، می‌توانیم ارزش‌هایی تازه خلق کنیم. «همانطور که در آخرین مریخ‌نوردها مانند مریخ‌نورد استقامت که همین اواخر فرود آمد دیده‌ایم، گاهی از اوقات منابع کوچک انرژی هسته‌ای آنقدر مزیت‌های رقابتی بزرگی دارند که انتظار دارم آن‌ها نیز نقشی در ماموریت‌ها ایفا کنند.»

انتخاب منبع انرژی درست برای ماموریت

هرناندز لوگو تصدیق می‌کند که انواع مختلف سیستم‌های تامین انرژی، هرکدام ارزش‌های بالقوه خود را برای ماموریت مریخ دارند و از جمله آن‌ها می‌توان به انرژی خورشیدی، باتری‌ها و انرژی هسته‌ای اشاره کرد. «سیستم تامین انرژی قرار است بسته به هر ماموریت خاص تعیین شود». مرکز تحقیقاتی Glenn ناسا، جایی که هرناندز لوگو در آن مشغول به کار است، مرکزی برای توسعه سیستم‌های انرژی ناسا به حساب می‌آید و روی گستره وسیعی از گزینه‌های مختلف مانند باتری‌ها، سلول‌های خورشیدی، سیستم‌های رادیوایزوتوپ، سیستم‌های کافش و سلول‌های سوختی باز زایشی پژوهش می‌کند. نکته اینست که باید منبع انرژی درست را بسته به نیازهای ماموریت و همینطور منابع در دسترس انتخاب کرد.

سیستم‌های هسته‌ای، مزایای غیر قابل انکار برای ماموریت‌هایی دارند که شامل زیستگاه انسانی می‌شوند

سیستم‌های هسته‌ای، مزایای غیر قابل انکار برای ماموریت‌هایی دارند که شامل زیستگاه انسانی می‌شوند. نخست، وقتی می‌خواهید به طراحی یک سیستم تامین انرژی هم برای کره ماه و هم مریخ بپردازید -مانند کاری که ناسا می‌کند- لازم است با برهه‌های تاریکی دو هفته‌ای در ماه نیز سر و کله بزنید.

هرناندز لوگو می‌گوید: «وقتی شروع به فکر می‌کنید که چطور باید به طراحی معماری ماموریتی بپردازید که انرژی را به صورت مداوم در اختیارتان می‌گذارد، اینجاست که انرژی هسته‌ای وارد میدان می‌شود. به خاطر اینکه شما نیاز به سیستمی قابل اتکا دارید که در جریان عملیات‌های شبانه هم انرژی را مداوما تامین می‌کند.

برای مریخ هم دسترسی به جریان متناوب انرژی مهم است، خصوصا برای تامین امنیت فضانوردانی که در سیاره سرخ زندگی می‌کنند. به طور یقین نیاز به سیستمی برای تامین انرژی وجود دارد که در هر شرایط آب‌وهوایی به کار ادامه دهد و طی طوفان‌های خاکی هم از کار نیفتد. انرژی هسته‌ای می‌تواند این نیازها را برطرف سازد.