انرژی هسته ای، گزینه جدید ناسا در تامین انرژی پروازهای فضایی
دور از زمین، چه در خلا و یا چه در سیارات دیگر، امکان یافتن حیات وجود دارد. در پیشبرد زندگی بر روی سیاره‌ای جدید، ما نیاز به جریان ثابت و قوی الکتریسیته داریم تا کامپیوترها ...
در دیجیاتو ثبت‌نام کنید
جهت بهره‌مندی و دسترسی به امکانات ویژه و بخش‌های مختلف در دیجیاتو عضو ویژه دیجیاتو شوید.
عضویت در دیجیاتوتازههای تکنولوژی
ویدئوی مرتبط
دور از زمین، چه در خلا و یا چه در سیارات دیگر، امکان یافتن حیات وجود دارد. در پیشبرد زندگی بر روی سیاره‌ای جدید، ما نیاز به جریان ثابت و قوی الکتریسیته داریم تا کامپیوترها و موتورها را به کار بیندازیم. همچنین به نور و گرما، هوای قابل تنفس، آب آشامیدنی و غذا نیاز داریم. در این میان، نیاز دیگری که می‌تواند قوی‌ترین و مطمئن‌ترین راه برای بدست پایدار کردن حیات باشد، انرژی هسته ای است – چیزی که فضانوردان مشتاق به دنبال توسعه آن هستند تا زندگی در فضا را ممکن سازد. با این‌حال، با گذشت بیش از 60 سال از عصر فضایی، شکافت هسته‌ای برای پروازهای فضایی هنوز یک رویا است. اما دانشمندان قصد دارند به این رویا جامع عمل بپوشانند. درحالیکه ناسا برنامه «آرتمیس» را برای ساختن یک ایستگاه در سطح کره ماه – با هدف فرستادن انسان‌ها به سطح این کره – پیش می‌برد، همکاری نادری در زمینه فناوری، بودجه و امور سیاسی در آستانه ساخت رآکتور هسته‌ای فضایی است.
در سال 2020، کاخ سفید به ناسا مهلتی 10 ساله داد تا یک سیستم انرژی هسته ای با توان 10 کیلووات را به سطح ماه برساند. این پروژه اکنون اولویت اصلی اداره ماموریت فناوری فضایی این آژانس است. در ژوئیه 2021، دانشمندا هزینه این پروژه را در حدود 110 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 بین سیاره‌ای برد.
دلیل این ضرب‌العجل کاخ سفید ساده است: بدون انرژی هسته ای، 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 راکتور هسته ای 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 گردد تا بتوان تجهیزات هسته ای 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 ربات به مریخ استفاده کرد، بلکه می‌توان به کشف دیگر نقاط منظومه شمسی نیز فکر کرد.
«مایکل هوتس» مدیر تحقیقات هسته ای در مرکز پرواز فضایی «مارشال» ناسا می‌گوید: « هدف این است که مطمئن شویم آن عملکردی از راکتور هسته ای که در ماه قابل استفاده است، در سطح مریخ نیز به کار برده خواهد شد.»
او توضیح می‌دهد که شکاف هسته ای یک فرآیند بسیار ساده است. هوتس می‌گوید: « سیستم شکاف هسته ای که در راکتور رخ می‌دهد بسیار متفاوت از عملکرد ژنراتورهای ترموالکتریک رادیو ازوتوپی (RTG) مریخ نورد ناسا یا ماموریت‌هایی مانند «وویجر» که اکنون در فضای بین ستاره‌ای قرار دارند، است. RTGها تنها قادر هستند گرمای آزاد شده از عنصر «پلوتونیوم» را به الکتریسیته تبدیل کنند. اما آنچه راکتور انجام می‌دهد بسیار متفاوت و قدرتمندتر است. راکتور هسته ای انرژی آزاد شده در شکاف اورانیوم را جدا و آن را به نیرو یا برق تولید می‌کند. هرچند که راکتور هسته ای 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 شگرفت در زمینه به کارگیری انرژی هسته ای
ناسا هنوز نگران برنامه‌هایی است که در زمینه مطالعه مریخ دارد. این سازمان از زمان اولین دوره ریاست جمهوری «جورج دبلیو بوش» تا کنون به صورت پیوسته در تلاش بوده تا اطلاعات شگرفی از مریخ جمع‌آوری کند. ناسا در سال 2020 از آکادمی‌های ملی علوم، مهندسی و پزشکی درخواست کرد تا چالش‌های فنی، مزایا و خطرات ارسال محموله‌های هسته ای به مریخ در سال 2033 – پیش از انجام یک ماموریت انسانی – را به تصویر بکشند و در مورد آن‌ها مطالعه کنند.
از نظر منطقی، کلیت این ماموریت با اهداف دانشمندان فضایی در دهه 1950 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 هسته ای کرد تا بتواند انسان را به سطح مریخ بفرستد. در این تحقیقات لازم دانسته شد که مدت سفر 420 روز باشد که 40 روز از آن در سطح مریخ گذرانده شود. طرح‌های بلند پروازانه‌تر دیگر شامل اقامت طولانی مدت بر مریخ بودند – به عنوان مثال 500 روز – اما مسئله اینجاست که سوخت چنین ماموریتی چطور باید تامین شود؟
با فرض اینکه بدن انسان بتواند با این سفر همگام شود – همانطور که ده‌ها سال داده‌های مطالعه بر روی بدن انسان‌هایی که به ایستگاه فضایی می‌روند، نشان داده است بدن انسان قابلیت همگام سازی با شرایط را دارد – 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 437 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 هسته ای در به ثمر رساندن این ماموریت عاملی حیاتی است. نیروی هسته ای قادر است تا تعداد پروازها را برای خدمه و ربات‌ها افزایش دهد و همچنین میزان سوخت مصرفی را نیز تا حد بسیاری کم کند.
سوخت همواری مسئله‌ای مهم در پروازهای فضایی است. ایستگاه بین‌المللی فضایی که به سختی و توسط چندین پرواز مختلف سرهم شده است، تقریبا 420 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. برای مثال، پرواز قدرتمندترین موشک ناسا – سیستم پرتاب فضایی «SLS» - که قادر است تا 95 تن تجهیزات را به فضا ببرد، 2 میلیارد دلار هزینه دارد. دانشمندان تخمین میزنند که برای ساخت یک ایستگاه در سطح مریخ لازم است دو برابر پرتاب‌های انجام شده برای ساخت ایستگاه فضایی بین‌المللی، پرتاب انجام شود – تاحدود 500 تا 1000 تن تجهیزات به سطح سیاره سرخ برسد - که رقم آن بسیار سرسام‌آور است.
تنوع پیشرانه‌های هسته ای
ناسا درحال حاضر نه یک، بلکه دو نوع متفاوت از موشک‌های اتمی را مطالعه می‌کند: پیشرانه حرارتی هسته ای و پیشرانه الکتریکی هسته ای. هریک از این دو می‌توند با انرژی هسته ای فعالیت خود را آغاز کند.
پیشرانه حرارتی هسته‌ای که در مقیاس‌های بین سیاره‌ای کاربرد دارد، در اصل نقش یک مرحله انتقال نیرو را ایفا می‌کند – زیرا این قسمت از سیستم در محلی قرار می‌گیرد که سبب فشار دادن محموله پیش از پرتاب به سمت بالا می‌شود. نیروی محرکه هسته‌ای مانند نیروگاه هسته ای بر روی زمین عمل می‌کند. در نیروگاه هسته ای 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 – در حدود 2500 درجه سانتی‌گراد – کار می‌کند تا بتواند انرژی هسته ای 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 برای سفر به مریخ یا بازگشت به خانه را خواهد داشت.
از سوی دیگر، نیروی محرکه الکتریکی هسته‌ای در دماهای پایین‌تر کار می‌کند اما باید به‌طور مداوم برای مدت طولانی کار کند. فعالیت طولانی مدت چالش‌های دیگری را برای مهندسان ایجاد می‌کند.
پیشرانه حرارتی هسته ای
تاحدودی به دلیل سادگی نسبی، پیشرانه حرارتی هسته ای مورد علاقه مهندسان در این پروژه فضایی است. علاقه مهندسان به این سیستم سبب شد تا بودجه 110 میلیون دلاری در کنگره 2021 به پرواز خدمه به سیاره سرخ در سال 2039 اختصاص داده شود.
پیش از این دولت ایالات متحده – به ویژه وزارت دفاع این کشور – تلاش بسیاری کرده بود تا از این فناوری در پروازها استفاده کند. یک تلاش جسورانه در این زمینه به سال 1955 بازمی‌گردد. در آن زمان ارتش این کشور به دنبال ساخت یک پیشرانه حرارتی هسته ای بود تا موشک‌های بالستیک بین قاره‌ای خود را ارتقا بخشد. اما پیشرانه شیمیایی برای این هدف کافی بود. پس ایالات متحده تصمیم گرفت استفاده از پیشرانه حرارتی هسته ای را محدود به برنامه‌های فضایی کند. در همین راستا، برنامه‌ریزی برای ساخت و به کارگیری چنین دستگاهی از اواخر دهه 1950 آغاز شد.
پیشرانه الکتریکی هسته‌ای نیز برای مدتی مورد توجه ناسا بوده است. در سال 2003 دانشمندان تلاش کردند تا از این سیستم در پروژه‌ای به نام «پرومته» استفاده کنند. این پروژه مرتبط با ساخت راکتورهای زیردریایی برای نیروی دریایی ایالات متحده و وزارت انرژی بود. پس از آن مجددا دانشمندان بر استفاده از پیشرانه الکتریکی در پروازهای فضایی تمرکز کردند. به کمک این پیشرانه می‌توان فواصلی بسیار دورتری از منظومه شمسی را کاوش کرد – جایی که نور خورشید به شدت کم می‌شود و بدین ترتیب انرژی خورشیدی میزان محدودی خواهد داشت. دانشمندان در آن زمان و با استفاده از تجربه‌های بدست آمده از پروژه پرومته موفق شدند راکتوری با دویست هزار وات نیرو – که به عنوان نیروی محرکه می‌توان از آن استفاده کرد – 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 2039 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 مقرر شده طولانی است، زمان یک پارامتر فریبنده است. پیش از آنکه در سال 2039 ماموریت ناسا در این مورد به سرانجام برسد، باید در سال 2033 آن را در مسیرهای کوتاه‌تر و بدون خدمه مورد آزمایش قرار داد. ما باید آماده باشیم تا اولین سیستم خود را برای احراز صلاحیت و کسب تائیدیه‌های لازم در سال 2033 تست کنیم. حالا می‌بینیم زمان آنقدر هم زیاد نیست! باید این نکته را درنظر داشته باشیم که طراحی ایده‌ال برای یک پروژه مهندسی در حدود پنج الی شش سال طول می‌کشد تا بتوان به یک حالت ایده‌آل و کارا دست یافت.»
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 هسته ای به فضا - استفاده از انرژی هسته ای به عنوان سوخت - به اندازه ساخت یک راکتور یا موشک هسته ای چالش برانگیز است. این امر به ویژه درصورتی صادق است که سیستم شکافت متکی بر اورانیوم غنی شده باشد – اورانیومی که از 20% و یا بیشتر، از ایزوتوپ‌های شکافت‌پذیر اورانیوم 235 تشکیل شده است. تنها 1% از اورانیوم طبیعی زمین به این صورت است که آن نیز هم مورد توجه ویژه دانشمندان هسته‌ای است. مهندسان فضاپیما در تلاش هستند تا بتوان از این نوع اورانیوم بیشترین استفاده را در طراحی‌های خود بکنند. هرچه سوخت هسته ای اورانیوم 235 بیشتری داشته باشد، راکتور کوچکتر خواهد بود. اما، دریافت مجوز برای به کارگیری آن نیز به مراتب سخت‌تر می‌شود.
برای ناسا، حتی استفاده از یک محموله هسته‌ای بدون اورانیوم بسیار غنی شده به عنوان منبع تامین کننده انرژی هسته ای 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 غیراز استفاده از اورانیوم بسیار غنی شده پیدا کرد – راهی که بسیار سریع و ارزان باشد. از سوی دیگر، طرح‌های جدید برای راکتورهای پیشرفته با توان بالا وجود دارد که از مقادیر زیادی اورانیوم با غنای پایین استفاده می‌کنند. اما ناسا در نهایت چه رویکردی را برای اهداف هسته‌ای خود پیش می‌گیرد؟
علاوه بر ناسا، آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی در ایالات متحده که به صورت خلاصه «DARPA» نامیده می‌شود، قصد دارد یک راکتور جدید را تا سال 2025 به فضا پرتاب کند – زمان‌بندی بسیار عجیبی که حتی استانداردهای معمول را نیز به چالش می‌کشد. DARPA این پروژه را «DRACO» نامیده است و هدف او از انجام این پروژه، سنجیدن مانور فضایی به کمک پیشرانه‌های هسته‌ای است.
اما DRACO دو جنبه مختلف دارد: اولین جنبه آن ساخت تاسیسات آزمایشی جدید برای انجام چنین پروژه‌ای است که میلیاردها دلار هزینه می‌برد و همچنین زمانی طولانی می‌طلبد. دومین جنبه آن همچنین، رسیدن به مرحله پرتاب با استفاده از نوع جدیدی راکتور است که تا پیش از مورد استفاده قرار نگرفته بود – پس فرآیند پرتاب به تنهایی نیاز به دریافت مجوزهای لازم از سوی ارگان‌های مختلف دارد.
«ناتان گرینر» سرگرد نیروی هوایی و یکی از مدیران این پروژه می‌گوید: « پس از حدود نیم قرن، راه‌اندازی یک راکتور هسته ای عاملی حیاتی است. ما باید قدم‌های باقی‌مانده تا خط پایان را طی کنیم. ما 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 می‌کند. 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 محموله‌هایی فضایی به کمک این سیستم، بسیار راحت و کم هزینه 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 این‌باره عقیده دارد: «باید هر اتم را در اختیار یک ارگان قرار داد – منظور تقسیم کار میان سازمان‌ها است- تا درنهایت، به تحقق هدف نزدیک شویم.»
برای گفتگو با کاربران ثبت نام کنید یا وارد حساب کاربری خود شوید.