ناسا چطور بی‌نقص‌ترین سیستم پیشران را برای ارسال فضانوردان به مریخ می‌سازد؟

با ماموریت‌های اخیری که در سیاره مریخ انجام شدند، مانند ارسال مریخ‌نورد استقامت ناسا، کاوشگر امارات متحده عربی و همینطور فضاپیمای تیان‌ون-۱ چین، حق دارید که فکر کنید رسیدن به سیاره سرخ کاری آسان است. اما ارسال یک مریخ‌نورد یا کاوشگر به مریخ تفاوت‌های زیادی با ارسال زیرساخت‌ها و تکنولوژی‌های مورد نیاز برای فراهم آوردن امکان حیات انسان‌ها در این سیاره دارد. پیشران‌های شیمیایی شاید ما را به منظومه شمسی برده باشند، اما برای فاز بعدی اکتشاف انسان در فضا، نیازمند تکنولوژی‌های پیشرانش جدیدی نسبت به آن‌چه طی ۵۰ سال اخیر استفاده کرده‌ایم هستیم.

برای دریافت جزییات کامل راجع به اینکه پیشرانه مورد نیاز برای سفر فضانوردان به مریخ چه شکل و شمایلی خواهد داشت، وب‌سایت Digital Trends به گفتگو با کریم احمد، دستیار پروفسور در واحد مهندسی هوافضا و مکانیک دانشگاه فلوریدای مرکزی و همینطور متخصصی در حوزه سیستم‌های پیشران موشک پیشرفته پرداخته است.

سیستم‌های پیشران شیمیایی امروز

برای ارسال یک موشک فراتر از اتمسفر زمین و به فضای بیرون، نیازمند انبوهی از نیروی پیشرانه هستید. شما نه‌تنها باید با اصطکاک اتمسفر زمین، بلکه با نیروی قدرتمند گرانش نیز مقابله کنید که اشیا را به سمت زمین می‌کشد.

از دهه ۱۹۵۰ به بعد، ما از قاعده‌ای بنیادین برای قوت‌رسانی به موشک‌ها استفاده کرده‌ایم که پیشرانه شیمیایی نام دارد. اساسا شما پیشرانه (که ترکیبی از سوخت و اکسیدایز است) را برمی‌افروزید که به تولید حرارت منجر می‌شود. حرارت باعث می‌شود مواد داخل موشک منبسط شوند و از بیرون موشک بیرون آیند. این دفع پیشران منجر به شکل‌گیری رانش می‌شود و موشک با نیرویی فراوان به سمت بالا حرکت می‌کند. و این نیرو آنقدر قدرتمند است که اثر جاذبه را خنثی کرده و امکان فرار موشک به فضای بیرون سیاره‌ی ما را فراهم می‌سازد.

از دهه ۱۹۵۰ به بعد، ما از قاعده‌ای بنیادین برای قوت‌رسانی به موشک‌ها استفاده کرده‌ایم که پیشرانه شیمیایی نام دارد

پیشرانه‌ شیمیایی اساسا حرارت را با سرعت بالاتری به سوخت می‌افزاید. به محض اینکه به حرارتی واقعا زیاد دست پیدا می‌کنید، پیشرانه با سرعت فراوان منبسط می‌شود، سرعت بسیار فراوان. اما این لزوما بهینه‌ترین گزینه در دسترس سازمان‌های فضایی نیست.

احمد می‌گوید: «برای مثال به یک اتومبیل پریوس در قیاس با کوروت فکر کنید. اگر بخواهید خیلی سریع از نقطه الف به نقطه ب بروید، به سختی می‌توان جایگزینی برای پیشرانه شمیایی یافت.» اما اگر بخواهید به بهینگی هرچه بیشتر دست پیدا کنید، سیستم‌های پیشران دیگر وارد میدان می‌شوند. «اگر بخواهید با سرعتی معقول اما با بهینگی بالا از نقطه الف به نقطه ب بروید، در آن صورت پیشرانه‌های شمیایی احتمالا بهترین ابزاری که در اختیار دارید نباشند».

بهبود سیستم‌های رانشگر شیمیایی

قواعد بنیادین پیشرانه‌های شیمیایی شاید طی چند دهه اخیر مثل همیشه باقی مانده باشد، اما این بدان معنا نیست که شاهد ایجاد بهبودهایی در این تکنولوژی نبوده‌ایم - برای مثال تحقیقات فراوانی روی انوع دیگر سوخت صورت گرفته است.

بهینگی انواع سوخت‌ها به تراکم انرژی‌ها بستگی دارد: یعنی میزان انرژی قابل ذخیره‌سازی در مقدار مشخصی از سوخت. به همین خاطر استفاده از چیزی مانند هیدروژن به عنوان سوخت دشوار می‌شود، زیرا علی‌رغم آزاد شدن انبوهی از انرژی در واکنش‌های شیمیایی‌اش، هیدروژن بسیار سبک است و تراکم پایین دارد. ذخیره‌سازی انبوهی از هیدروژن در فضایی کوچک دشوار است، بنابراین نمی‌توان آن را سوختی آنقدرها بهینه به حساب آورد.

موشک‌های کنونی از سوخت‌های مبتنی بر کروزین استفاده می‌کنند که اساسا همان سوخت جت است، اما داشمندان اکنون روی سوخت‌های متکی بر گازهای طبیعی یا متان تمرکز کرده‌اند

موشک‌های کنونی معمولا از سوخت‌های مبتنی بر کروزین استفاده می‌کنند که اساسا همان سوخت جت است. اما داشمندان اکنون روی سوخت‌های متکی بر گازهای طبیعی یا متان تمرکز کرده‌اند. این سوخت لزوما به اندازه قبل موثر نخواهد بود، اما بسیار ارزان‌تر تمام می‌شود. زیرا گاز طبیعی به وفور یافت می‌شود و همین حالا تکنولوژی لازم برای جمع‌آوری آن را در اختیار داریم.

اگر اسپیس اکس بتواند از گاز طبیعی برای به پرواز درآوردن فالکون ۹ خود استفاده کند، حسابی در هزینه‌هایش صرفه‌جویی خواهد شد و در نتیجه اکتشاف فضا سرعت می‌گیرد. احمد به عنوان مثال می‌گوید: «اگر بتوانیم هزینه‌های رسیدن به مدار بیرونی را کاهش دهیم، فضا برایمان دسترس‌پذیرتر خواهد بود».

محققان به همین شکل مشغول بهبود دادن خود موتورها نیز هستند. تیم احمد یکی از چند گروهی است که روی سیستمی به نام موتور انفجاری و گردان موشک کار می‌کند و این تکنولوژی می‌تواند نسبت به موتورهای سنتی، در ازای سوختی کمتر، قوت بیشتر ایجاد کند.

با کنترل دقیق میزان هیدروژن و اکسیژنی که به خورد موتور داده می‌شود، فشار را می‌توان به شکلی بهینه‌تر تولید کرد. این می‌تواند به کاهش ابعاد موتور موشک منجر شود، زیرا نیازی به کمپرسوری بسیار قدرتمند نخواهد بود و موتور سوخت را به شکلی بهینه‌تر مصرف می‌کند. این تکنولوژی به‌زودی شکلی کارآمد به خود خواهد گرفت: احمد می‌گوید که نیروی هوایی آمریکا برای تست چنین موتوری تا سال ۲۰۲۵ میلادی برنامه‌ریزی کرده است.

چرا پیشرانه شیمیایی راه به جایی نمی‌برد

برای بیرون رفتن از کره خاکی، پیشران شیمیایی ضروری به حساب می‌آید. احمد می‌گوید: «از سطح زمین که به موضوع نگاه می‌کنیم، پیشران شیمیایی شکلی حیاتی به خود می‌گیرد، زیرا نیاز به انبوهی از توان برای بلند کردن تمام وزن موشک از روی زمین و رساندن آن به ارتفاعات دارید. نیاز دارید که بر نیروی گرانش فائق آیید.»

او اسپیس اکس را مثال می‌زند. وقتی کمپانی زیر نظر ایلان ماسک یک موشک به فضا می‌فرستد، چرا از سیستم الکتریسیته‌ای شبیه به تسلا استفاده نمی‌کند؟ هر دو کمپانی به ایلان ماسک تعلق دارند و او قطعا قادر به اشتراک‌گذاری تکنولوژی‌ها میان آن‌هاست. اما یک سیستم پیشران الکتریکی نمی‌تواند مقدار رانش مورد نیاز برای بلند شدن موشک از روی زمین را تولید کند.

به محض اینکه موشک بر گرانش زمین فائق می‌آید و به فضا می‌رسد، مثل این ماند که وارد حالت کروز کنترل شده باشید

بنابراین باید به استفاده از پیشران ‌های شیمیایی برای ارسال‌ موشک‌ها به فضا در آینده نزدیک ادامه دهیم. اما وقتی موشک به مدار زمین می‌رسد، شرایط تغییر می‌کند. به محض اینکه بر گرانش زمین فائق می‌آید و به فضا می‌رسد، مثل این ماند که وارد حالت کروز کنترل شده باشید. کنترل یک فضاپیما در فضا نیازمند رانش نسبتا اندک است، زیرا لازم نیست با اصطکاک یا گرانشی که موشک را به پایین می‌کشد سر و کله بزنید. حتی می‌توانید به کمک نیروهای گرانشی سیاره‌ها و قمرهای نزدیک فضاپیما را به حرکت درآورید.

بنابراین با یک سیستم پیشران متفاوت می‌توان به سراغ عملیات‌هایی به مراتب بهینه‌تر رفت.

گزینه‌ای بهینه‌تر: رانشگر الکتریکی

وقتی موشک به مدار زمین می‌رسد، معمولا نیاز به تغییر خط سیر وجود دارد - تغییراتی کوچک در شتاب به وجود می‌آیند تا از حرکت موشک در مسیر صحیح اطمینان حاصل شود. چنین کاری نیازمند سیستم رانش خواهد بود. احمد توضیح می‌دهد که: «شما به هزاران نیوتون انرژی نیاز خواهید داشت تا صرفا موشک به پرواز درآید، تا از وضعیت شتاب صفر خارج و بلند شود و همراه با محموله‌ای که در اختیار دارد بر نیروهای گرانشی فائق آید. به همین خاطر است که نیاز به یک سیستم موشک بسیار بزرگ دارید. اما در مدار بیرون زمین، نیروهای گرانشی دیگر تاثیری روی شما نمی‌گذارند».

و راه‌های زیادی برای تولید نیرو مورد نیاز برای تنظیم مسیر حرکت یک فضاپیما وجود دارد. «رانش، رانش است.» احمد توضیح می‌دهد: «شما در حال تزریق جرم هستید. شما دارید جرم را پرتاب می‌کنید و در نتیجه شما را در جهت عکس به حرکت در می‌آورد. موضوع راجع به میزان جرم و سرعت پرتاب آن جرم است».

سیستم‌های پیشران الکترونیکی می‌توانند اساسا هر ماده‌ای را یونیزه کنند، بنابراین با هرآنچه در دسترس باشد سازگاری دارند

یکی از تکنولوژی‌هایی که معمولا در ماهواره‌های کوچک استفاده می‌شود، پیشرانه الکتریکی است. این ماهواره‌ها از انرژی الکتریکی (که معمولا با استفاده از پنل‌های خورشیدی به دست می‌آید) برای یونیزه کردن پیشران گاز استفاده می‌کنند. این گاز یونیزه شده از پشت ماهواره و با استفاده از یک میدان مغناطیسی یا الکترونیکی خارج می‌شود، رانش ایجاد می‌کند و فضاپیما را به حرکت درمی‌آورد.

این سیستمی شدیدا بهینه است که می‌تواند ۹۰ درصد سوخت کمتر نسبت به پیشران شیمیایی مصرف کند.

احمد می‌گوید: «هنگام استفاده از پیشران الکتریکی جرم شما بسیار کوچک است و نیازمند شتاب فراوان نیستید تا رانش به دست آید». و سیستم‌های پیشران الکترونیکی می‌توانند اساسا هر ماده‌ای را یونیزه کنند، بنابراین با هرآنچه در دسترس باشد سازگاری دارند.

پیشرانه هسته‌ای

مردم معمولا حس خوبی نسبت به استفاده از انرژی هسته‌ای در فضا ندارند. و مشخصا هنگام استفاده از انرژی هسته‌ای نگرانی‌های امنیتی فراوانی وجود دارد که باید به آن‌ها رسیدگی کرد، خصوصا در ماموریت‌هایی که خدمه دارند. اما پیشران هسته‌ای احتمالا همان برگ برنده‌ای باشد که سر زدن به سیارات دوردست را برایمان امکان‌پذیر می‌کند.

احمد می‌گوید: «انرژی هسته‌ای شدیدا بهینه است». یک سیستم پیشران هسته‌ای به کمک راکتوری به کار می‌افتد که به تولید حرارت می‌پردازد و از آن حرارت برای گرما دادن استفاده می‌شود تا رانش به دست آید. این راکتور نسبت به هر پیشرانه شیمیایی دیگری به مراتب بهینه‌تر عمل می‌کند.

«در یک سیستم شیمیایی، شما سوخت را می‌سوزانید و به بیرون می‌دمید، به این ترتیب دیگر به آن دسترسی ندارید، شما انرژی را آزاد کرده‌اید و به طور کامل از دست رفته است»

و این رویکردی پایدار است که مزیتی بزرگ به حساب می‌آید. «در یک سیستم شیمیایی، شما سوخت را می‌سوزانید و به بیرون می‌دمید. به این ترتیب دیگر به آن دسترسی ندارید. شما انرژی را آزاد کرده‌اید و به طور کامل از دست رفته است. برای مقایسه، در سیستم مبتنی بر انرژی هسته‌ای، اورانیوم و پلوتونیومی که استفاده می‌کنید همان‌جا باقی می‌ماند و جایی نمی‌رود. این انرژی درون هسته راکتور پایدار است».

اگرچه این واکنش پایدار است، اما حرارت تولید شده همچنان باید به سمت جرم هدایت شود. دلتان نمی‌خواهد که اورانیوم و پلوتونیوم مورد استفاده در این واکنش را به بیرون بدمید. نکته نویدبخش اینست که ماده‌ای که حرارت می‌گیرد می‌تواند هر گاز یا ماده جامدی باشد. البته گاز به خاطر واکنش بهترش به حرارت، انتخابی ایده‌آل‌تر است.

در فضا گازی برای استفاده وجود ندارد و بنابراین باید ماده مورد نیاز را با خودتان حمل کنید. اما در سیاره‌ای که اتمسفر دارد، مانند مریخ، می‌توان در تئوری به وفور به گازهایی مانند کربن‌ دی‌اکسید به عنوان سوخت پیشران دسترسی پیدا کرد.

ناسا اکنون مشغول بررسی سیستم‌های پیشران هسته‌ای است، به صورت خاص برای ماموریت مریخ. هدف ناسا اینست که مدت زمان سفر خدمه میان زمین و مریخ را کاهش داده و آن را به دو سال که بهینه‌تر است نزدیک کند. سیستم‌های پیشران هسته‌ای می‌توانند مدت زمان ماموریت را کوتاه‌تر کرده و انعطاف‌پذیری و بهینگی هرچه بیشتر را برای طراحان ماموریت به ارمغان آورند. اما هنوز تصمیم قاطع راجع به استفاده از این سیستم اتخاذ نشده. ناسا در بیانیه‌ای گفته: «هنوز برای تصمیم‌گیری راجع به اینکه چه سیستم پیشرانی فضانوردان را به مریخ می‌برد زود است، زیرا هنوز نیامند پیشرفت‌های فراوان برای هر رویکرد هستیم».

موضوع راجع به این یا آن نیست، راجع به همه گزینه‌هاست

نوع بشر هنوز در مراحل نخست برنامه‌ریزی ماموریت ارسال فضانوردان به مریخ به سر می‌برد. ناسا هنوز باید پیش‌نیازهای عملی را در کنار فاکتورهایی مانند هزینه در نظر بگیرد و با این داده، برای گام‌های بعدی خود برنامه‌ریزی کند.

احمد فکر نمی‌کند که یک سیستم پیشران بتواند به شکلی محسوس قدرتمندتر و بهتر از سایر گزینه‌ها ظاهر شود. در عوض او ترکیبی از سیستم‌های مختلف را متصور شده که بسته به نیازهای ماموریت در مراحل گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرند.

«به نظرم هر سه سیستم مورد نیاز خواهند بود، شما هیچ سیستم پیشران بی‌نقصی نخواهید یافت که با تمام نیازهای ماموریت سازگاری داشته باشد»

او توضیح می‌دهد: «به نظرم هر سه سیستم مورد نیاز خواهند بود. شما هیچ سیستم پیشران بی‌نقصی نخواهید یافت که با تمام نیازهای ماموریت سازگاری داشته باشد.» اگرچه استفاده از پیشران شیمیایی برای هر ماموریت امکان‌پذیر است، اما همواره گزینه مناسب نیست. احمد برای درک بهتر موضوع می‌گوید مثل این می‌ماند که برای رسیدن به خانه بغلی، از فِراری استفاده کنید و به جای قدم زدن صرف، سوخت بسوزانید.

برای ماموریت‌های مریخ «شما نیازمند استفاده از پیشران هسته‌ای، نیازمند استفاده از پیشران الکتریکی و نیازمند استفاده از پیشران شیمیایی خواهید بود.» برای مثال، ممکن است از سیستم پیشران الکتریکی برای ارسال محموله به زیستگاه بهره بگیرید، از پیشران هسته‌ای برای راه‌اندازی یک سیستم رله کارآمد میان زمین و مریخ استفاده کنید و سپس با سیستم پیشران شیمیایی، فضانوردان را به فضا ارسال خواهید کرد.

آیا برای سفر به مریخ آماده‌ایم؟

برنامه‌ریزی برای ماموریت ارسال خدمه به مریخ پیچیدگی‌های فراوان دارد. اما وقتی صحبت از سیستم‌های پیشران می‌شود، ما همین حالا برای ارسال آن‌ها به مریخ به تکنولوژی لازم دسترسی داریم.

احمد می‌گوید: «موتورهای موشک سنتی و دهه ۵۰ شما را به مریخ خواهند رساند.» فاکتور محدودکننده در واقع چیزی ملال‌آورتر است. «سوال این است که چنین کاری چقدر هزینه روی دست شما خواهد گذاشت».

اگر بخواهیم ساده بگوییم، ارسال موشک‌ها به مریخ با استفاده از سیستم‌های پیشران شیمیایی بسیار بسیار هزینه‌بر است. و گرچه هم اشتیاق عمومی و هم اشتیاق آکادمیک برای گشت‌وگذار هرچه بیشتر در مریخ وجود دارد، مقدار پول در دسترس برای چنین ماموریت‌هایی نامحدود نیست. در نتیجه، نیاز به توسعه و استفاده از تکنولوژی‌هایی مانند سیستم‌های پیشران هسته‌ای یا الکتریکی داریم تا این اکتشاف‌ها شکلی مقرون به صرفه‌تر به خود بگیرند.