موشك حرارتي خورشيدي؛ بليت احتمالي رسيدن به فضاي ميانستارهاي
جيسون بنكاسكي، پژوهشگر آزمايشگاه فيزيك متخصصدي (APL) در دانشگاه جانز هاپكينز، چندي پيش بههمراه همكارانش وسيلهاي آزمايش كرد كه ممكن است روزي مسير رسيدن ما به فضاي ميانستارهاي را هموار كند. اين ابزار شبيهسازي خورشيدي است كه بهاندازهي بيست خورشيد ميتواند بدرخشد. وقتي شبيهساز حين آزمايش بهشدت جديد شد، بنكاسكي پمپاژ هليوم مايع به لولهي كوچك جاسازشده درون ورقهاي تخت را شروع كرد. هليوم با عبور از مجرا گرماي ناشي از هزاران LED را جذب كرد و تا آنجا منبسط شد كه درنهايت، ازطريق نازلي كوچك به بيرون رفت.
وسيلهي موجود در آزمايشگاه فيزيك متخصصدي شباهت زيادي به «پيشرانهي حرارتي خورشيدي» ندارد؛ اما بنكاسكي و تيمش عملكرد تقريبي اين سامانه را با آزمايش يادشده آزمودند. پيشرانهي حرارتي خورشيدي موتور موشكي فرضي است كه از حرارت خورشيد نيرو ميگيرد و بهباور پژوهشگران، ميتواند عنصري ضروري در كاوشهاي ميانستارهاي باشد.
تا امروز، تنها دو فضاپيماي وويجر ۱ و وويجر ۲ منظومهي شمسي ما را ترك كردهاند. بااينحال، ورود دو فضاپيما به فضاي ميانستارهاي پاداشي علمي پس از اتمام مأموريت اصلي آنها در كاوش مشتري و زحل بهحساب ميآيد. هيچكدام از فضاپيماهاي وويجر براي مطالعهي مرز بين قلمرو كيهاني ما و ساير بخشهاي جهان به ابزار مناسب مجهز نيستند. همچنين، دوقلوهاي وويجر با سرعت تقريبا ۴۸ هزار كيلومتربرساعت، آنچنان آهسته حركت ميكنند كه گريز از تأثير خورشيد برايشان نزديك به نيم قرن طول كشيد.
دادههايي كه فضاپيماهاي وويجر از لبهي منظومهي شمسي فرستادهاند، هيجانانگيز است. اين اطلاعات نشان دادهاند كه بخش عمدهاي از پيشبينيهاي فيزيكدانان دربارهي مرز محلهي كيهاني ما اشتباه بود. ازاينرو، گروهي بزرگ از اخترفيزيكدانان و كيهانشناسان و دانشمندان سيارهشناس مصرانه بهدنبال ساخت كاوشگر اختصاصي ميانستارهاي براي كاوش اين محدودهي كشفنشده هستند.
سال ۲۰۱۹، ناسا آزمايشگاه فيزيك متخصصدي را مسئول مطالعهي طرحهاي مفهومي براي مأموريت اختصاصي ميانستارهاي كرد. در پايان سال بعدي، تيم اين آزمايشگاه پژوهشش را در مطالعه دهسالانهي آكادمي ملي علوم، مهندسي و پزشكي ارائه خواهد داد. اين مطالعه اولويتهاي علمي ده سال آيندهي مرتبط با خورشيد را تعيين خواهد كرد. پژوهشگران آزمايشگاه فيزيك متخصصدي مشغول كار روي برنامهي كاوشگر ميانستارهاي هستند و تمام جنبههاي اين مأموريت از برآورد هزينه تا ابزارها را مطالعه ميكنند. بااينحال، صرفا فهميدن اينكه چگونه ميتوان در زماني معقول به فضاي ميانستارهاي رسيد، تا امروز بزرگترين و مهمترين بخش پازل بوده است.
لبهي منظومهي شمسي با نام هليوسفر منطقهاي بهشدت دورازدسترس است. زمانيكه فضاپيما به پلوتو برسد، تنها يكسوم از مسير رسيدن به فضاي ميانستارهاي را پيموده است. تيم APL طرح مفهومي كاوشگري را مطالعه ميكند كه سه برابر دورتر از لبهي منظومهي شمسي خواهد رفت و با صرف نصف زمان سپريشده براي رسيدن وويجر به هليوسفر، اين سفر تقريبا ۸۰ ميليارد كيلومتري را انجام خواهد داد. براي اجراي اين نوع مأموريت، پژوهشگران به كاوشگري نيازمند خواهند بود كه بهكلي با هر نمونهي ساختهشده تاكنون تفاوت دارد. بنكاسكي ميگويد:
فضاپيمايي ميخواهيم كه سريعتر و دورتر خواهد رفت و بيش از هر كاوشگر ساختهشده تا امروز به خورشيد نزديك خواهد شد. اين مأموريت همانند سختترين كاري است كه احتمالا ميتوانيد انجام دهيد.
در اواسط نوامبر، پژوهشگران كاوشگر ميانستارهاي در كنفرانس اينترنتي يكهفتهاي شركت كردند تا همزمان با ورود مطالعه به سال پايانياش، بهروزرسانيها دربارهي آن را بهاشتراك بگذارند. در كنفرانس، تيمهايي از APL و ناسا نتايج كار خود روي «پيشرانهي حرارتي خورشيدي» را بهاشتراك گذاشتند كه بهباورشان، سريعترين راه براي رساندن كاوشگر به فضاي ميانستارهاي است. ايدهي چنين پيشرانهاي اين است كه موشك بهجاي احتراق، نيروي خود را از گرماي خورشيد تأمين كند. براساس برآوردهاي بنكاسكي، اين موتور سه برابر بهينهتر از بهترين پيشرانههاي شيميايي مرسومي است كه امروزه دردسترس هستند. بنكاسكي ميگويد ازانديشه متخصصين فيزيكي، اين تصور برايش بسيار دشوار است كه موتوري بتواند پيشرانهي حرارتي خورشيدي را در زمينهي بهينگي شكست دهد.
برخلاف موتور مرسوم كه در انتهاي موشك نصب ميشود، پيشرانهي حرارتي خورشيدي كه پژوهشگران در حال مطالعهي آن هستند، با سپر فضاپيما ادغام خواهد شد. اين پوستهي سخت و تخت از فوم كربن سياه ساخته و يك طرف آن با مواد بازتابندهي سفيد پوشانده ميشود. از بيرون، اين پوسته به سپر حرارتي كاوشگر خورشيدي پاركر شباهت زيادي خواهد داشت؛ اما تفاوت مهم لولهكشي پيچوخمدار نهفته زير سطح آن است. اگر كاوشگر ميانستارهاي از نزديكي خورشيد گذر كند و هيدروژن را به درون لولههاي سپرش بكشاند، هيدروژن منبسط و از نازل انتهاي لوله مشتعل خواهد شد و درنهايت، سپر حرارتي نيروي رانش ايجاد خواهد كرد.
ايدهي مذكور ازانديشه متخصصين تئوري ساده، اما پيادهسازي آن درعمل فوقالعاده دشوار است. موشك حرارتي خورشيدي فقط درصورتي كارآمد است كه موفق شود «مانور اوبرت» را انجام دهد؛ حركتي مداري كه خورشيد را به پرتابگري عظيم تبديل ميكند. گرانش خورشيد همانند تقويتكنندهي نيرو عمل ميكند و اگر فضاپيما هنگام چرخيدن به دور خورشيد موتورهايش را روشن كند، سرعت آن را بهنحو چشمگير افزايش ميدهد. هرچه فضاپيما حين مانور اوبرت به خورشيد نزديكتر شود، سريعتر حركت خواهد كرد. در مأموريتي كه APL طراحي كرده است، كاوشگر ميانستارهاي به فاصلهي تنها ۱/۶ ميليون كيلومتر از سطح جوشان خورشيد خواهد رسيد.
در مقام مقايسه بايد اشاره كرد وقتي كاوشگر خورشيدي پاركر ناسا در سال ۲۰۲۵ نزديكترين گذرش را از كنار خورشيد انجام دهد، در فاصلهي تقريبا ۶/۵ ميليون كيلومتري از سطح آن خواهد بود و در سرعت نزديك به ۶۹ هزار كيلومتربرساعت، خورشيد را مطالعه خواهد كرد. اين تقريبا دو برابر سرعتي محسوب ميشود كه كاوشگر ميانستارهاي قصد دارد به آن دست يابد. كاوشگر خورشيدي پاركر سرعت يادشده را با كشش گرانشي خورشيد و زهره در طول مسيري هفتساله بهدست خواهد آورد. كاوشگر ميانستارهاي در گردشي به دور خورشيد بايد سرعت خود را از تقريبا ۴۸ هزار كيلومتربرساعت به حدود ۳۲۱ هزار كيلومتربرساعت برساند كه اين امر مستلزم نزديكي بيشازحد به خورشيد است.
دين شيك، متخصص كارشناس مواد در آزمايشگاه پيشرانش جت ناسا، بهتازگي در كنفرانسي مطالعهاي موردي دربارهي موشك حرارتي خورشيدي ارائه داد. او ميگويد نزديكشدن به انفجاري گرماهستهاي بهاندازهي خورشيد اشكالاتي مختلفي براي مواد بهوجود ميآورد. براي مأموريت APL، كاوشگر با انجام مانور اوبرت نزديك به دوونيم ساعت را در دماي تقريبي ۲،۵۰۰ درجهي سانتيگراد سپري خواهد كرد.
اين ميزان گرما بهراحتي ميتواند سپر حرارتي كاوشگر خورشيدي پاركر را ذوب كند؛ درنتيجه، تيم شيك در ناسا مواد جديدي پيدا كرده است كه ميتواند سطح بيروني را بپوشاند تا انرژي حرارتي را بازتاب دهد. اين پوشش در تركيب با اثر خنككنندگي هيدروژن در حال جريان درون لولههاي سپر حرارتي، كاوشگر ميانستارهاي را هنگام نزديكي بيشازحد به خورشيد خنك ميكند. شيك ميگويد: «ميخواهيد مقدار انرژي در حال بازتاب را به حداكثر برسانيد. حتي تفاوتهاي كوچك در بازتابندگي مواد، افزايش چشمگير گرماي فضاپيما را شروع ميكند.»
اشكال بزرگتر كنترل جريان هيدروژن جديد درون لولهها است. هيدروژن در دماي بسيار زياد بهكلي باعث خوردگي هستهي كربني سپر حرارتي ميشود؛ درنتيجه بهمنظور اجتناب از اين امر، داخل لولهها را بايد با مواد قدرتمندتر پوشاند. تيم پژوهشي چند ماده را شناسايي كرده است كه ميتوانند وظيفهي محافظت را برعهده بگيرند؛ اما دادههاي چنداني دربارهي عملكرد آنها، بهويژه در دماي بسيار شديد موجود نيست. شيك ميگويد: «مواد زيادي وجود ندارد كه بتواند نيازهاي ما را برآورده كند. اين محدوديت از برخي جهات مطلوب است؛ زيرا بايد همان چند نمونهي معدود را مطالعه كنيم. درعينحال نامطلوب هم است؛ زيرا گزينههاي چنداني دراختيار نداريم.»
- كاوشگر جديد بين ستارهاي؛ هدف جديد ناسا پس از مأموريتهاي تاريخي وويجر
- براي سفر در ميان ستارگان، به چه فضاپيمايي نياز خواهيم داشت؟
بهگفتهي شيك، عامل بازدارندهي بزرگ در پژوهش اين است كه پيش از فرستادن موشك حرارتي خورشيدي به پيرامون خورشيد، آزمايشهاي فراواني روي مواد سپر حرارتي بايد انجام شود؛ اما اين مسئله موجب كنارگذاشتن مأموريت نميشود. درواقع، پيشرفتهاي خيرهكننده در علم مواد موجب شده است اكنون ايدهي موشك حرارتي خورشيدي درمقايسهبا زمان طرح آن بهوسيلهي مهندسان نيروي هوايي آمريكا در بيش از ۶۰ سال گذشته، دستيافتنيتر بهانديشه متخصصين آيد. بنكاسكي ميگويد:
تصور كردم بهطورمستقل در ذهنم به اين ايده رسيدم؛ اما در سال ۱۹۵۶، افرادي در حال صحبت دربارهي آن بودند. توليد فزاينده يكي از مؤلفههاي اصلي ايده محسوب ميشود و نميتوانستيم بيست سال پيش آن را انجام دهيم. اكنون ميتوانم فلز را در آزمايشگاه چاپ سهبعدي كنم.
بنكاسكي شايد نخستين كسي نباشد كه ايدهي پيشرانهي حرارتي خورشيدي را مطرح ميكند؛ اما او معتقد است اولين كسي خواهد بود كه نمونهاي آزمايشي اين موتور را بهنمايش خواهد گذاشت. بنكاسكي و تيمش هنگام آزمايش نشان دادند كه توليد نيروي رانش با استفاده از نور خورشيد هنگام عبور آن از درون مجاري جاسازيشده در سپر حرارتي امكانپذير است؛ بااينحال، آزمايشها محدوديتهاي زيادي داشتند. پژوهشگران از همان مواد يا پيشرانهاي استفاده نكردند كه در مأموريت واقعي بهكار خواهد رفت. همچنين، آزمايشها در دمايي بسيار كمتري اتفاق افتاد كه كاوشگر ميانستارهاي تجربه خواهد كرد.
بهگفتهي بنكاسكي، نكتهي مهم اين است كه دادهها از آزمايشهاي دماي پايين با مدلهايي تطابق داشت كه چگونگي عملكرد كاوشگر را پس از اعمال اصلاحات براي مواد متفاوت در مأموريت واقعي پيشبيني ميكند. بنكاسكي ميگويد:
آزمايش را روي سامانهاي انجام داديم كه هيچوقت واقعا پرواز نخواهد كرد. اكنون، گام دوم اين است كه هريك از اين قطعات را با نمونهاي جايگزين كنيم كه در فضاپيمايي واقعي براي مانور اوبرت بهكار خواهد رفت.
طرح مفهومي فضاپيماي حرارتي خورشيدي پيش از آمادگي براي استفاده در مأموريت، مسيري طولاني پيش رو دارد. وقتي بنكاسكي و همكارانش در APL گزارش خود را سال آينده ارائه دهند، انبوهي از دادهها را بهدست خواهند آورد كه مسير را براي انجام آزمايشها در فضا هموار ميكند. تضميني وجود ندارد كه آكادمي ملي طرح مفهومي كاوشگر ميانستارهاي را بهعنوان اولوليتي اصلي براي دههي پيش رو انتخاب كند. بااينحال، هر زمان براي ترك قلمرو خورشيد آماده شويم، موشك حرارتي بهاحتمال زياد بليت خروج ما از منظومهي شمسي خواهد بود.
هم انديشي ها