راكت‌هاي هسته‌اي و سفرهاي فضايي؛ ارسال فضاپيماهاي سرنشين‌دار به اعماق فضا امكان‌پذير مي‌شود؟

هرچه رؤياي سفر به‌مريخ براي ناسا و ايلان ماسك پررنگ‌تر مي‌شود، به دوران ارسال فضاپيماهاي سرنشين‌دار به فاصله‌ي دورتري از زمين، نزديك‌تر مي‌شويم. بااين‌حال بد نيست بدانيد راكت‌هاي مدرن نسبت‌به راكت‌هاي قديمي، سرعت چندان بيشتري ندارند و امكان سفر فضايي سريع‌تر را تا آن حدي كه ممكن است انتظار داشته باشيد، فراهم نمي‌كنند. 

دلايل بسيار زيادي وجود دارند كه براساس آن‌ها راكت‌هاي پرسرعت بسيار بهتر از راكت‌هاي ديگر هستند؛ راكت‌هاي هسته‌‌اي راهي منطقي براي دستيابي به سرعت بيشتر به‌هنگام سفرهاي فضايي به‌حساب مي‌آيند. راكت‌هاي هسته‌اي نسبت‌به راكت‌هاي سنتي مصرف‌كننده‌ي سوخت يا راكت‌هاي مدرن الكتريكيِ مبتني‌بر انرژي خورشيدي، سرعت بسيار بيشتري دارند و مزيت‌هايي متنوع‌تر به‌همراه مي‌آورند. بااين‌حال طي چهل سال اخير تنها هشت‌بار در ايالات متحده شاهد لانچ راكت‌هايي بوده‌ايم كه حامل راكتورهاي هسته‌اي بوده‌اند.

بااين‌حال سال گذشته قوانين مربوط به پروازهاي فضايي هسته‌اي تغييراتي مهم به‌خود ديدند. بر همين اساس از مدتي پيش كار روي نسل بعدي راكت‌ها كه مبتني‌بر سوخت هسته‌اي هستند به‌شكلي جدي‌تر آغاز شده است. 

اولين قدم براي آغاز سفر فضايي،‌ استفاده از راكت‌ به‌منظور بردن فضاپيما به مدار زمين است. راكت‌هاي موردمباحثه را مي‌توان موتورهاي بزرگ و قدرتمندي به‌حساب آورد كه سوخت مصرف مي‌كنند. احتمالا قرار نيست به اين‌زودي‌ها استفاده از اين نوع راكت‌ها متوقف شود، اين موضوع تا حد زيادي به محدوديت‌هاي موجود به‌دليل نيروي گرانش زمين مربوط مي‌شود.

به‌محض رسيدن فضاپيما به فضا، اوضاع جالب‌تر مي‌شود. به‌منظور رهايي از گرانش زمين و رسيدن به مقصدهايي تعيين‌شده در عمق فضا، فضاپيماها به شتاب‌دهنده‌هاي ديگري هم نياز دارند تا بتوانند به مسير خود ادامه دهند. دقيقا در همين‌جا است كه سيستم‌هاي هسته‌اي وارد بازي مي‌شوند. اگر فضانوردان بخواهند هرجايي فراتر از ماه يا شايد مريخ را كاوش كنند، بايد با سرعت بسيار زيادي در فضا به‌حركت بپردازند. فضا، بي‌كران است و فاصله‌ي بسيار زيادي تا سيار‌ه‌هاي ديگر داريم. راكت‌هاي پرسرعت براي سفرهاي فضايي كه مسافتي طولاني را شامل مي‌شوند، بسيار بهتر هستند. دو دليل اصلي مي‌توان براي بهتربودن راكت‌هاي پرسرعت بيان كرد: امنيت و زمان. 

بااين‌حال ايمنيِ انسان‌ها تنها مزيتي نيست كه راكت‌هاي هسته‌اي به‌همراه مي‌آورند. هرچه سازمان‌هاي فضايي نقاط دورتري از فضاي بي‌كران را كاوش مي‌كنند، دريافت داده‌هاي مربوط به مأموريت‌هاي بدون سرنشين، اهميتي دوچندان پيدا مي‌كند. اطلاعات رسمي نشان مي‌دهند رسيدن كاوشگر فضايي بدون سرنشين وويجر ۲ به نپتون ۱۲ سال طول كشيد. وويجر ۲ توانست به‌هنگام عبور از نپتون تصاويري شگفت‌انگيز خلق كند. اگر وويجر ۲ سيستم پيشرانه‌ي پرسرعت‌تري داشت فضانوردان مي‌توانستند سال‌ها قبل به تصاوير و اطلاعات مهم ثبت‌شده توسط وويجر ۲ از نپتون دسترسي پيدا كنند. 

سرعت در سفرهاي فضايي بسيار پراهميت است؛ اما چرا سيستم‌هاي هسته‌اي سريع‌تر هستند؟

به‌محض اينكه فضاپيما از گرانش زمين خارج شود به سيستمي پيشرانه نياز پيدا مي‌كند. به‌هنگام مقايسه‌ي انواع سيستم‌هاي پيشرانه، توجه به سه جنبه‌ي مهم بسيار ضروري است. مورد اول، نيروي رانش (Thrust) است؛ نيروي رانش، نشان مي‌دهد كه هر سيستم مي‌تواند تاچه‌حد به حركت فضاپيما سرعت بخشد. معيار دوم راندمان جرمي (Mass Efficiency) است؛ راندمان جرمي نشان مي‌دهد كه سيستم به‌ازاي مقدار مشخصي از سوخت مي‌تواند تاچه‌حد نيروي رانش توليد كند. درنهايت به معيار سوم با نام چگالي انرژي (Energy Density)‌ مي‌رسيم؛ چگالي انرژي نشان مي‌دهد هر مقدار مشخص از سوخت مي‌تواند چقدر انرژي توليد كند. امروزه معمول‌ترين سيستم‌هاي پيشرانه كه به‌طور گسترده مورداستفاده قرار مي‌گيرند، پيشرانه‌هاي شيميايي هستند كه از آن‌ها به راكت‌هاي معمولي مصرف‌كننده‌ي سوخت تعبير مي‌شود. نوع دوم سيستم‌هاي محبوب، سيستم‌هاي پيشرانه‌ي الكتريكي مبتني‌بر انرژي خورشيدي هستند. 

سيستم‌هاي پيشرانه‌ي شيميايي نيروي رانش بسيار زيادي را ارائه مي‌دهند، اما متأسفانه راكت‌هاي شيميايي چندان راندمان بالايي ندارند و كارآمد نيستند. به‌علاوه سوخت راكت نمي‌تواند تا آن حدي كه انتظار داريم، انرژي دردسترس قرار دهد. راكت ساترن ۵ كه فضانوردان را به ماه برد به‌هنگام بلندشدن از سطح زمين نيرويي بالغ‌بر ۳۵ ميليون‌ نيتون توليد كرد. اين راكت به‌همراه خود ۹۵۰٬۰۰۰ گالن سوخت حمل مي‌كرد. بخش عمده‌ي اين سوخت به‌منظور بردن راكت به مدار زمين مورداستفاده قرار گرفت. با همه‌ي اين‌ها اشكالي عظيم در اين بين وجود دارد: ساترن ۵ براي رسيدن به هر نقطه‌اي از فضا به ميزان بسيار زيادي سوخت سنگين نياز دارد.  

بااين‌حال اشكال اصلي اين است كه پيشرانه‌هاي الكتريكي نيروي رانش بسيار كمتري نسبت‌به پيشرانه‌‌هاي شيميايي توليد مي‌كنند؛ مطالعه‌‌ها نشان مي‌دهد نيروي پيشرانه‌ي توليدشده توسط سيستم‌هاي الكتريكي در حدود سه نيوتن است. به‌بياني بهتر، نيرويي كه از اين طريق ايجاد مي‌شود تنها بدين منظور متخصصد دارد كه در عرض تقريبا دو و نيم ساعت، سرعت يك خودرو را از صفر به ۶۰ مايل‌بر‌ساعت برسانيد. در اين نوع سيستم‌ها منبع اصلي انرژي يعني خورشيد اساسا بي‌انتها است و هميشه وجود دارد. بااين‌حال هرچه فضاپيما از خورشيد دورتر شود، كارايي سيستم پيشرانه‌ي الكتريكي آن كاهش پيدا مي‌كند.

يكي از دلايلي كه متخصص كارشناسان به استفاده از راكت‌هاي هسته‌اي تمايلي زياد نشان مي‌دهند و آن‌ها را اميدبخش به‌حساب مي‌آورند، اين است كه راكت‌هاي هسته‌‌اي چگالي انرژي بسيار زيادي دارند. چگالي انرژي اورانيوم به‌كاررفته در راكتورهاي هسته‌اي به‌ميزان چهار ميليون برابر بيشتر از چگالي انرژي هيدرازين است، هيدرازين را مي‌توان جزو يكي از معمول‌ترين عوامل محركه‌ي سيستم‌هاي شيميايي خطاب كرد. به‌علاوه منتقل كردن حجم كوچكي از اورانيوم به فضا بسيار ساده‌تر از منتقل‌كردن صدها هزار گالن سوخت است. 

اما نيروي رانش و راندمان جرمي سيستم‌هاي هسته‌اي چطور؟

نخستين راكت حرارتي هسته‌اي در سال ۱۹۶۷ توليد شد و در پس‌زمينه‌ي تصوير قابل‌مشاهده است. در نماي جلوي تصوير، پوششي محافظ به‌چشم مي‌خورد كه راكتور را نگه مي‌دارد

مهندسان تاكنون توانسته‌اند دو نوع سيستم هسته‌اي براي سفرهاي فضايي خلق كنند. نوع اول اين سيستم‌ها، پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي ناميده مي‌شود. اين نوع سيستم‌ها بسيار قدرتمند و نسبتا پربازده هستند. اين سيستم‌ها از نوعي راكتور كوچك شكافت هسته‌اي بهره مي‌گيرند و شباهت‌هاي زيادي به راكتورهاي به‌كاربرده‌شده در زيردريايي‌هاي هسته‌اي دارند. در سيستم‌هاي نوع اول از راكتور كوچك شكافت هسته‌اي به‌منظور گرم‌كردن نوعي گاز خاص نظير هيدروژن بهره گرفته مي‌شود. سپس به گاز موردمباحثه ازطريق نازل راكت شتاب بخشيده مي‌شود تا نيروي رانش ارائه شود. مهندسين ناسا تخمين مي‌زنند سفري فضايي كه ازطريق سيستم پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي به مريخ انجام شود به‌ميزان ۲۵ تا ۳۰ درصد كوتاه‌مدت‌تر از همان سفر با سيستم پيشرانه‌ي شيميايي خواهد بود.

سيستم‌هاي پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي نسبت‌به سيستم‌هاي پيشرانه‌ي شيميايي به‌ميزان بيش از دو برابر كارآمدتر هستند؛ اين يعني سيستم‌هاي حرارتي هسته‌اي مي‌توانند درمقايسه‌با سيستم‌هاي شيميايي با استفاده از يك منبع مشخص تا دو برابر نيروي رانش بيشتري ارائه دهند. متخصصان اعلام مي‌كنند سيستم‌‌هاي حرارتي هسته‌اي مي‌توانند تا ۱۰۰٬۰۰۰ نيوتن انرژي رانش ارائه دهند. به‌لطف اين مقدار انرژي مي‌توان سرعت يك خودرو را در عرض حدودا يك‌چهارم ثانيه از صفر به ۶۰ مايل‌بر‌ساعت رساند. 

نوع دوم سيستم‌هاي هسته‌اي بسيار راندمان بالايي دارند. طبق گفته‌ي متخصصان، ميزان راندمان سيستم پيشرانه‌ي الكتريكي هسته‌اي به‌ميزان حدودا سه‌برابر بيشتر از سيستم پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي است. از آن‌جايي كه راكتور هسته‌اي مي‌تواند انرژي بسيار زيادي توليد كند، مي‌توان به‌صورت هم‌زمان به استفاده از چندين پيشرانه‌هاي الكتريكي مجزا پرداخت تا درنهايت انرژي رانش زيادي به‌دست بيايد. 

سيستم‌هاي الكتريكي هسته‌اي بهترين انتخاب ممكن براي آن‌دسته از سفرهاي فضايي هستند كه قرار است شامل طي كردن مسافتي بسيار طولاني باشند. دلايل اصلي اين موضوع اين است كه سيستم‌هاي موردمباحثه نيازي به انرژي خورشيدي ندارند، ميزان راندمان آن‌ها بسيار بالا است و همچنين مي‌توانند نيروي رانش نسبتا زيادي را ارائه دهند. البته گرچه راكت‌هاي الكتريكي هسته‌اي تا حد بسيار زيادي ما را به آينده‌ي سفرهاي فضايي اميدوار مي‌كنند، اما پيش از استفاده از آن‌ها بايد موانع متخصص بسيار زيادي را از پيش‌رو برداشت. اين يعني فاصله‌ي زيادي تا فرا رسيدن زمان استفاده از راكت‌هاي هسته‌اي داريم.

سيستم‌هاي پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي از دهه‌ي ۱۹۶۰ تاكنون موردمطالعه و مطالعه قرار گرفته‌اند، اما هنوز هم نتوانسته‌اند به‌مرحله‌ي توليد نهايي برسند و وارد فضا شوند. قوانيني كه وضع آن‌ها به دهه‌ي ۱۹۷۰ ميلادي در آمريكا برمي‌گردد، اعلام مي‌كنند كه يكايك پروژه‌هاي اين حوزه بايد به‌دقت موردمطالعه قرار گيرند. همچنين اين قوانين اعلام مي‌كنند هرگونه پروژه‌ي فضايي هسته‌اي بايد به‌تصويب چندين آژانس دولتي برسد. مهم‌تر از آن‌ها، تمامي اين پروژه‌ها بايد توسط شخص رئيس‌جمهور تصويب شوند. طي سال‌هاي اخير ميزان بودجه براي انجام تحقيقات روي سيستم‌هاي راكت هسته‌اي كافي نبوده است. اين موضوع باعث شده ميزان پيشرفت راكت‌هاي هسته‌اي براي اهداف فضايي، بسيار كم باشد. 

دركنار اعمال اصلاحات موردمباحثه در قوانين، ناسا در سال ۲۰۱۹ بودجه‌اي بالغ‌بر ۱۰۰ ميليون دلار ازسوي دولت دريافت كرد تا بتواند ازطريق آن در مسير توليد سيستم پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي قدم بردارد. دارپا (آژانس پروژه‌هاي پژوهشي پيشرفته‌ي دفاعي) نيز گفته است كه روي نوعي سيستم پيشرانه‌ي حرارتي هسته‌اي فضايي كار مي‌كند تا دولت ازطريق آن بتواند فعاليت‌هاي خود براي تأمين امنيت ملي را به خارج از مدار زمين ببرد. 

پس از گذر حدودا ۶۰ سال، به‌انديشه متخصصين مي‌رسد روند توليد راكت‌هاي هسته‌اي به‌شكلي جدي‌تر از هميشه دنبال مي‌شود. احتمال مي‌دهيم راكت‌هاي هسته‌اي در دهه‌ي پيش‌رو بتوانند وارد فضا شوند و مزيت‌هايي متنوع به سازمان‌هاي فضايي براي اكتشاف بيشتر، ارائه دهند. دستيابي به توليد راكت‌هاي هسته‌اي قطعا آغازگر فصلي جديد در حوزه‌ي اكتشافات فضايي خواهد بود. مردم شانس رفتن به مريخ را پيدا خواهند كرد و علم خواهد توانست به اكتشافاتي تازه در منظومه‌ي خورشيدي ما و فضاي وراي آن، دست پيدا كند.

شما متخصصان اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران چه انديشه متخصصيناتي در اين زمينه داريد؟