راکت‌های هسته‌ای و سفرهای فضایی؛ ارسال فضاپیماهای سرنشین‌دار به اعماق فضا امکان‌پذیر می‌شود؟

هرچه رؤیای سفر به‌مریخ برای ناسا و ایلان ماسک پررنگ‌تر می‌شود، به دوران ارسال فضاپیماهای سرنشین‌دار به فاصله‌ی دورتری از زمین، نزدیک‌تر می‌شویم. بااین‌حال بد نیست بدانید راکت‌های مدرن نسبت‌به راکت‌های قدیمی، سرعت چندان بیشتری ندارند و امکان سفر فضایی سریع‌تر را تا آن حدی که ممکن است انتظار داشته باشید، فراهم نمی‌کنند. 

دلایل بسیار زیادی وجود دارند که براساس آن‌ها راکت‌های پرسرعت بسیار بهتر از راکت‌های دیگر هستند؛ راکت‌های هسته‌‌ای راهی منطقی برای دستیابی به سرعت بیشتر به‌هنگام سفرهای فضایی به‌حساب می‌آیند. راکت‌های هسته‌ای نسبت‌به راکت‌های سنتی مصرف‌کننده‌ی سوخت یا راکت‌های مدرن الکتریکیِ مبتنی‌بر انرژی خورشیدی، سرعت بسیار بیشتری دارند و مزیت‌هایی متنوع‌تر به‌همراه می‌آورند. بااین‌حال طی چهل سال اخیر تنها هشت‌بار در ایالات متحده شاهد لانچ راکت‌هایی بوده‌ایم که حامل راکتورهای هسته‌ای بوده‌اند.

بااین‌حال سال گذشته قوانین مربوط به پروازهای فضایی هسته‌ای تغییراتی مهم به‌خود دیدند. بر همین اساس از مدتی پیش کار روی نسل بعدی راکت‌ها که مبتنی‌بر سوخت هسته‌ای هستند به‌شکلی جدی‌تر آغاز شده است. 

چرا به‌سرعت بیشتر نیاز داریم؟

اولین قدم برای آغاز سفر فضایی،‌ استفاده از راکت‌ به‌منظور بردن فضاپیما به مدار زمین است. راکت‌های موردبحث را می‌توان موتورهای بزرگ و قدرتمندی به‌حساب آورد که سوخت مصرف می‌کنند. احتمالا قرار نیست به این‌زودی‌ها استفاده از این نوع راکت‌ها متوقف شود، این موضوع تا حد زیادی به محدودیت‌های موجود به‌دلیل نیروی گرانش زمین مربوط می‌شود.

به‌محض رسیدن فضاپیما به فضا، اوضاع جالب‌تر می‌شود. به‌منظور رهایی از گرانش زمین و رسیدن به مقصدهایی تعیین‌شده در عمق فضا، فضاپیماها به شتاب‌دهنده‌های دیگری هم نیاز دارند تا بتوانند به مسیر خود ادامه دهند. دقیقا در همین‌جا است که سیستم‌های هسته‌ای وارد بازی می‌شوند. اگر فضانوردان بخواهند هرجایی فراتر از ماه یا شاید مریخ را کاوش کنند، باید با سرعت بسیار زیادی در فضا به‌حرکت بپردازند. فضا، بی‌کران است و فاصله‌ی بسیار زیادی تا سیار‌ه‌های دیگر داریم. راکت‌های پرسرعت برای سفرهای فضایی که مسافتی طولانی را شامل می‌شوند، بسیار بهتر هستند. دو دلیل اصلی می‌توان برای بهتربودن راکت‌های پرسرعت بیان کرد: امنیت و زمان. 

فضانوردانی که بخواهند به مریخ سفر کنند احتمالا درمعرض سطح بسیار زیادی از تشعشعات مضر قرار خواهند گرفت. همین تشعشعات می‌توانند در بلندمدت مشکلاتی بسیار جدی برای سلامتی فضانوردان به‌وجود بیاورند که از بین آن‌ها می‌توانیم به سرطان و حتی نازایی اشاره کنیم. ابزارهای محافظت‌کننده دربرابر تابش‌های مضر می‌توانند تا حدی کمک کنند، اما این ابزارها به‌شدت سنگین هستند. به‌علاوه هرچه مأموریت فضایی طولانی‌تر باشد به ابزارهای محافظت‌کننده‌ی بیشتری نیاز پیدا خواهید کرد. راهی بهتر برای کاهش قرار گرفتن در معرض تشعشعات مضر این است که سریع‌تر به‌سمت مقصد خود حرکت کنید.

بااین‌حال ایمنیِ انسان‌ها تنها مزیتی نیست که راکت‌های هسته‌ای به‌همراه می‌آورند. هرچه سازمان‌های فضایی نقاط دورتری از فضای بی‌کران را کاوش می‌کنند، دریافت داده‌های مربوط به مأموریت‌های بدون سرنشین، اهمیتی دوچندان پیدا می‌کند. اطلاعات رسمی نشان می‌دهند رسیدن کاوشگر فضایی بدون سرنشین وویجر ۲ به نپتون ۱۲ سال طول کشید. وویجر ۲ توانست به‌هنگام عبور از نپتون تصاویری شگفت‌انگیز خلق کند. اگر وویجر ۲ سیستم پیشرانه‌ی پرسرعت‌تری داشت فضانوردان می‌توانستند سال‌ها قبل به تصاویر و اطلاعات مهم ثبت‌شده توسط وویجر ۲ از نپتون دسترسی پیدا کنند. 

سرعت در سفرهای فضایی بسیار پراهمیت است؛ اما چرا سیستم‌های هسته‌ای سریع‌تر هستند؟

سیستم‌های امروزی

به‌محض اینکه فضاپیما از گرانش زمین خارج شود به سیستمی پیشرانه نیاز پیدا می‌کند. به‌هنگام مقایسه‌ی انواع سیستم‌های پیشرانه، توجه به سه جنبه‌ی مهم بسیار ضروری است. مورد اول، نیروی رانش (Thrust) است؛ نیروی رانش، نشان می‌دهد که هر سیستم می‌تواند تاچه‌حد به حرکت فضاپیما سرعت بخشد. معیار دوم راندمان جرمی (Mass Efficiency) است؛ راندمان جرمی نشان می‌دهد که سیستم به‌ازای مقدار مشخصی از سوخت می‌تواند تاچه‌حد نیروی رانش تولید کند. درنهایت به معیار سوم با نام چگالی انرژی (Energy Density)‌ می‌رسیم؛ چگالی انرژی نشان می‌دهد هر مقدار مشخص از سوخت می‌تواند چقدر انرژی تولید کند. امروزه معمول‌ترین سیستم‌های پیشرانه که به‌طور گسترده مورداستفاده قرار می‌گیرند، پیشرانه‌های شیمیایی هستند که از آن‌ها به راکت‌های معمولی مصرف‌کننده‌ی سوخت تعبیر می‌شود. نوع دوم سیستم‌های محبوب، سیستم‌های پیشرانه‌ی الکتریکی مبتنی‌بر انرژی خورشیدی هستند. 

سیستم‌های پیشرانه‌ی شیمیایی نیروی رانش بسیار زیادی را ارائه می‌دهند، اما متأسفانه راکت‌های شیمیایی چندان راندمان بالایی ندارند و کارآمد نیستند. به‌علاوه سوخت راکت نمی‌تواند تا آن حدی که انتظار داریم، انرژی دردسترس قرار دهد. راکت ساترن ۵ که فضانوردان را به ماه برد به‌هنگام بلندشدن از سطح زمین نیرویی بالغ‌بر ۳۵ میلیون‌ نیتون تولید کرد. این راکت به‌همراه خود ۹۵۰٬۰۰۰ گالن سوخت حمل می‌کرد. بخش عمده‌ی این سوخت به‌منظور بردن راکت به مدار زمین مورداستفاده قرار گرفت. با همه‌ی این‌ها مشکلی عظیم در این بین وجود دارد: ساترن ۵ برای رسیدن به هر نقطه‌ای از فضا به میزان بسیار زیادی سوخت سنگین نیاز دارد.  

سیستم‌های پیشرانه‌ی الکتریکی با اتکا بر نیروی الکتریکی به‌وجودآمده ازطریق پنل‌های خورشیدی برای تولید نیروی رانش اقدام می‌کنند. معمول‌ترین روش برای انجام این کار استفاده از میدان الکتریکی به‌منظور شتاب‌بخشیدن به یون‌ها است، روشی که در پیشرانه‌ی هال شاهد آن هستیم. این دستگاه‌ها به‌طور معمول برای تأمین انرژی ماهواره‌ها استفاده می‌شوند و نسبت‌به سیستم‌های شیمیایی به‌میزان بیش از پنج برابر راندمان جرمی بالاتری دارند.

بااین‌حال مشکل اصلی این است که پیشرانه‌های الکتریکی نیروی رانش بسیار کمتری نسبت‌به پیشرانه‌‌های شیمیایی تولید می‌کنند؛ بررسی‌‌ها نشان می‌دهد نیروی پیشرانه‌ی تولیدشده توسط سیستم‌های الکتریکی در حدود سه نیوتن است. به‌بیانی بهتر، نیرویی که از این طریق ایجاد می‌شود تنها بدین منظور کاربرد دارد که در عرض تقریبا دو و نیم ساعت، سرعت یک خودرو را از صفر به ۶۰ مایل‌بر‌ساعت برسانید. در این نوع سیستم‌ها منبع اصلی انرژی یعنی خورشید اساسا بی‌انتها است و همیشه وجود دارد. بااین‌حال هرچه فضاپیما از خورشید دورتر شود، کارایی سیستم پیشرانه‌ی الکتریکی آن کاهش پیدا می‌کند.

یکی از دلایلی که کارشناسان به استفاده از راکت‌های هسته‌ای تمایلی زیاد نشان می‌دهند و آن‌ها را امیدبخش به‌حساب می‌آورند، این است که راکت‌های هسته‌‌ای چگالی انرژی بسیار زیادی دارند. چگالی انرژی اورانیوم به‌کاررفته در راکتورهای هسته‌ای به‌میزان چهار میلیون برابر بیشتر از چگالی انرژی هیدرازین است، هیدرازین را می‌توان جزو یکی از معمول‌ترین عوامل محرکه‌ی سیستم‌های شیمیایی خطاب کرد. به‌علاوه منتقل کردن حجم کوچکی از اورانیوم به فضا بسیار ساده‌تر از منتقل‌کردن صدها هزار گالن سوخت است. 

اما نیروی رانش و راندمان جرمی سیستم‌های هسته‌ای چطور؟

^{نخستین راکت حرارتی هسته‌ای در سال ۱۹۶۷ تولید شد و در پس‌زمینه‌ی تصویر قابل‌مشاهده است. در نمای جلوی تصویر، پوششی محافظ به‌چشم می‌خورد که راکتور را نگه می‌دارد}

دو سیستم مهم

مهندسان تاکنون توانسته‌اند دو نوع سیستم هسته‌ای برای سفرهای فضایی خلق کنند. نوع اول این سیستم‌ها، پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای نامیده می‌شود. این نوع سیستم‌ها بسیار قدرتمند و نسبتا پربازده هستند. این سیستم‌ها از نوعی راکتور کوچک شکافت هسته‌ای بهره می‌گیرند و شباهت‌های زیادی به راکتورهای به‌کاربرده‌شده در زیردریایی‌های هسته‌ای دارند. در سیستم‌های نوع اول از راکتور کوچک شکافت هسته‌ای به‌منظور گرم‌کردن نوعی گاز خاص نظیر هیدروژن بهره گرفته می‌شود. سپس به گاز موردبحث ازطریق نازل راکت شتاب بخشیده می‌شود تا نیروی رانش ارائه شود. مهندسین ناسا تخمین می‌زنند سفری فضایی که ازطریق سیستم پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای به مریخ انجام شود به‌میزان ۲۵ تا ۳۰ درصد کوتاه‌مدت‌تر از همان سفر با سیستم پیشرانه‌ی شیمیایی خواهد بود.

سیستم‌های پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای نسبت‌به سیستم‌های پیشرانه‌ی شیمیایی به‌میزان بیش از دو برابر کارآمدتر هستند؛ این یعنی سیستم‌های حرارتی هسته‌ای می‌توانند درمقایسه‌با سیستم‌های شیمیایی با استفاده از یک منبع مشخص تا دو برابر نیروی رانش بیشتری ارائه دهند. متخصصان اعلام می‌کنند سیستم‌‌های حرارتی هسته‌ای می‌توانند تا ۱۰۰٬۰۰۰ نیوتن انرژی رانش ارائه دهند. به‌لطف این مقدار انرژی می‌توان سرعت یک خودرو را در عرض حدودا یک‌چهارم ثانیه از صفر به ۶۰ مایل‌بر‌ساعت رساند. 

دومین سیستم طراحی‌شده توسط مهندسین، سیستم پیشرانه‌ی الکتریکی هسته‌ای نامیده می‌شود. تاکنون هیچ‌گونه سیستم پیشرانه‌ی الکتریکی هسته‌ای به‌مرحله‌ی تولید نرسیده است، اما ایده‌ی بزرگی در پشت آن‌ها وجود دارد. در این سیستم‌ها از راکتور شکافت هسته‌ای بسیار قدرتمند به‌منظور تولید انرژی الکتریکی بهره گرفته می‌شود. انرژی الکتریکیِ تولیدشده سپس می‌تواند درنقش منبع قدرت سیستم‌های پیشرانه‌ی الکتریکی نظیر پیشرانه‌ی هال ظاهر شود.

نوع دوم سیستم‌های هسته‌ای بسیار راندمان بالایی دارند. طبق گفته‌ی متخصصان، میزان راندمان سیستم پیشرانه‌ی الکتریکی هسته‌ای به‌میزان حدودا سه‌برابر بیشتر از سیستم پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای است. از آن‌جایی که راکتور هسته‌ای می‌تواند انرژی بسیار زیادی تولید کند، می‌توان به‌صورت هم‌زمان به استفاده از چندین پیشرانه‌های الکتریکی مجزا پرداخت تا درنهایت انرژی رانش زیادی به‌دست بیاید. 

سیستم‌های الکتریکی هسته‌ای بهترین انتخاب ممکن برای آن‌دسته از سفرهای فضایی هستند که قرار است شامل طی کردن مسافتی بسیار طولانی باشند. دلایل اصلی این موضوع این است که سیستم‌های موردبحث نیازی به انرژی خورشیدی ندارند، میزان راندمان آن‌ها بسیار بالا است و همچنین می‌توانند نیروی رانش نسبتا زیادی را ارائه دهند. البته گرچه راکت‌های الکتریکی هسته‌ای تا حد بسیار زیادی ما را به آینده‌ی سفرهای فضایی امیدوار می‌کنند، اما پیش از استفاده از آن‌ها باید موانع فنی بسیار زیادی را از پیش‌رو برداشت. این یعنی فاصله‌ی زیادی تا فرا رسیدن زمان استفاده از راکت‌های هسته‌ای داریم.

چرا راکت‌های هسته‌ای تاکنون ساخته نشده‌اند؟

سیستم‌های پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای از دهه‌ی ۱۹۶۰ تاکنون موردمطالعه و بررسی قرار گرفته‌اند، اما هنوز هم نتوانسته‌اند به‌مرحله‌ی تولید نهایی برسند و وارد فضا شوند. قوانینی که وضع آن‌ها به دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی در آمریکا برمی‌گردد، اعلام می‌کنند که یکایک پروژه‌های این حوزه باید به‌دقت موردبررسی قرار گیرند. همچنین این قوانین اعلام می‌کنند هرگونه پروژه‌ی فضایی هسته‌ای باید به‌تصویب چندین آژانس دولتی برسد. مهم‌تر از آن‌ها، تمامی این پروژه‌ها باید توسط شخص رئیس‌جمهور تصویب شوند. طی سال‌های اخیر میزان بودجه برای انجام تحقیقات روی سیستم‌های راکت هسته‌ای کافی نبوده است. این موضوع باعث شده میزان پیشرفت راکت‌های هسته‌ای برای اهداف فضایی، بسیار کم باشد. 

تمامی قوانین یادشده پس از سال‌ها به‌هنگام انتشار تفاهم‌نامه‌ی جدید ریاست‌جمهوری در اوت ۲۰۱۹، تغییر کردند. ایالات متحده در این تفاهم‌نامه‌ی جدید می‌گوید باید فرستادن راکت‌های هسته‌ای به فضا به‌ایمن‌ترین شکل ممکن صورت بگیرد. تفاهم‌نامه‌ی منتشرشده اعلام می‌کند مأموریت‌های هسته‌ای که شامل مقادیر کمی از مواد هسته‌ای هستند، می‌توانند بدون گذراندن مراحل چندگانه‌ی تصویب توسط آژانس‌های مختلف دولتی، مجوز دریافت کنند. تنها آژانس مسئول (برای مثال ناسا) باید انجام مأموریت‌های موردبحث را تصویب کند. درواقع سازمانی مثل ناسا باید به‌شکل صریح اعلام کند که مأموریت تمامی جوانب امنیتی را رعایت می‌کند و مشکلی برای انجام‌شدن آن وجود ندارد. بااین‌حال مأموریت‌های هسته‌ای بزرگ باید مطابق قوانین تعیین‌شده در دهه‌ی ۱۹۷۰ به‌تصویب سازمان‌های مختلف و البته شخص رئیس‌جمهور برسند.

درکنار اعمال اصلاحات موردبحث در قوانین، ناسا در سال ۲۰۱۹ بودجه‌ای بالغ‌بر ۱۰۰ میلیون دلار ازسوی دولت دریافت کرد تا بتواند ازطریق آن در مسیر تولید سیستم پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای قدم بردارد. دارپا (آژانس پروژه‌های پژوهشی پیشرفته‌ی دفاعی) نیز گفته است که روی نوعی سیستم پیشرانه‌ی حرارتی هسته‌ای فضایی کار می‌کند تا دولت ازطریق آن بتواند فعالیت‌های خود برای تأمین امنیت ملی را به خارج از مدار زمین ببرد. 

پس از گذر حدودا ۶۰ سال، به‌نظر می‌رسد روند تولید راکت‌های هسته‌ای به‌شکلی جدی‌تر از همیشه دنبال می‌شود. احتمال می‌دهیم راکت‌های هسته‌ای در دهه‌ی پیش‌رو بتوانند وارد فضا شوند و مزیت‌هایی متنوع به سازمان‌های فضایی برای اکتشاف بیشتر، ارائه دهند. دستیابی به تولید راکت‌های هسته‌ای قطعا آغازگر فصلی جدید در حوزه‌ی اکتشافات فضایی خواهد بود. مردم شانس رفتن به مریخ را پیدا خواهند کرد و علم خواهد توانست به اکتشافاتی تازه در منظومه‌ی خورشیدی ما و فضای ورای آن، دست پیدا کند.

شما کاربران زومیت چه دیدگاهی در این زمینه دارید؟