موشک هسته‌ای ناسا تنها ۴۵ روز دیگر به مریخ می‌رسد!

محققان دانشگاه فلوریدا طرحی را برای یک موشک هسته ای جدید به ناسا ارائه کرده اند که می تواند زمان سفر از زمین به مریخ را به 45 روز کاهش دهد!

ما در دوره ای از سفرهای فضایی تجدید زندگی می کنیم. دوره ای که در آن چندین آژانس فضایی مختلف به طور جدی در تلاش هستند تا انسان ها را به ماه و دیگر سیارات منظومه شمسی بازگردانند. این ماجراجویی فضایی توسط آمریکا و چین هدایت می شود و احتمالا کشورهای دیگر نیز از آن حمایت می کنند.

این دسته از ماموریت‌های فضایی که نیازمند سفر به منطقه بالای مدار پایین زمین (LEO) و سامانه زمین-ماه است، نیازمند فناوری‌های جدید در زمینه سلامت انسان، سیستم‌های حفاظت در برابر تشعشع و نیروی محرکه است.

موتورهای هسته ای؛ آینده علم فضایی!

تا آنجا که به فناوری های پیشرانه فعلی مربوط می شود، پیشرانه حرارتی هسته ای (NTP) و نیروی محرکه الکتریکی هسته ای (NEP) فناوری های بسیار امیدوارکننده ای برای آینده هستند.

در طول مسابقه فضایی ایالات متحده و شوروی، ناسا و آژانس فضایی شوروی زمان و انرژی زیادی را به مطالعه و توسعه نیروی محرکه هسته ای اختصاص دادند. با این حال، ناسا چند سال پیش برنامه هسته ای خود را با هدف تولید سوخت هسته ای دو وجهی از سر گرفت.این موشک هسته ای دو جزئی که از یک عنصر هسته ای حرارتی و یک عنصر هسته ای الکتریکی استفاده می کند، از نظر تئوری می تواند به مریخ سفر کند. فقط در صد روز!

بخش مفاهیم پیشرفته ناسا (NIAC) اخیراً ایده اولیه موتور هسته ای را برای فاز اول توسعه در سال 2023 انتخاب کرده است. این نسل جدید موتورهای دو حالته قادر است مدت سفر به مریخ را به تنها 45 روز کاهش دهد!

طرح انتخاب شده توسط ناسا توسط پروفسور رایان گوس از دانشگاه فلوریدا ارائه شده است. این طرح یکی از چهارده طرحی بود که توسط NAIC برای مرحله اول توسعه انتخاب شد. از دیگر طرح های منتخب می توان به سنسورهای جدید با حساسیت بسیار بالا، ابزارهای جدید و روش های خلاقانه تولید اشاره کرد.

مکانیسم عملکرد موشک های هسته ای بر چه اساسی است؟

موشک‌های هسته‌ای عموماً بر اساس دو فرآیند متفاوت عمل می‌کنند، فناوری‌های مورد استفاده در هر کدام کاملاً آزمایش و تأیید شده‌اند.

پیشرانه حرارتی هسته ای (NTP)

اولین دسته از سوخت های هسته ای، نمونه های هسته ای- حرارتی هستند. در این دسته از سوخت، یک راکتور هسته ای مسئول گرم کردن هیدروژن مایع (LH2) و تبدیل آن به گاز هیدروژن یونیزه شده (پلاسما) است. سپس این گاز هیدروژن برای ایجاد نیروی محرکه از نازل ها عبور می کند.

تلاش‌های متعددی برای توسعه موشک‌های مبتنی بر این فناوری صورت گرفته است، از جمله پروژه روور که به طور مشترک توسط نیروی هوایی آمریکا و سازمان انرژی اتمی این کشور در سال 1955 انجام شد.

در سال 1959، ناسا جایگزین نیروی هوایی ایالات متحده در این پروژه شد و مرحله جدیدی از توسعه موشک NTP را برای ساخت پیشران موشک آغاز کرد. این طرح در نهایت منجر به ساخت موتور هسته ای برای استفاده در موشک ها (NERVA) شد که یک راکتور هسته جامد بود و با موفقیت آزمایش شد.

با نزدیک شدن به دوره اوج پروژه آپولو در سال 1973، بودجه پروژه پیشران هسته ای به تدریج کاهش یافت و در نهایت بدون انجام هیچ گونه آزمایش فضایی و موشکی این پروژه متوقف شد!

از سوی دیگر، شوروی ها نیز درایو NTP خود را بین سال های 1965 تا 1980 توسعه دادند و حتی قبل از اینکه آن را متوقف کنند، یک پرواز آزمایشی موفق داشتند!

پیشرانه الکتریکی هسته ای (NEP)

از سوی دیگر، نیروی محرکه هسته‌ای الکتریکی فرآیند دیگری برای موشک‌های هسته‌ای است که در آن راکتوری که مسئول تولید برق است، شتاب‌دهنده اثر هال (موتور یونی) است. این شتاب دهنده با ایجاد میدان الکترومغناطیسی، گاز نجیب مانند زنون را یونیزه کرده و شتاب می دهد تا نیروی محرکه را فراهم کند.

از جمله تلاش های مهم برای توسعه موشک های مبتنی بر این فناوری می توان به پروژه پرومتئوس در فاصله سال های 2003 تا 2005 اشاره کرد.

مشکلات موتورهای NTP و NEP چیست؟

سیستم های NTP و NEP مزایای زیادی نسبت به موتورهای شیمیایی قدیمی دارند. ضربان پالس ویژه بالاتر، مصرف سوخت بهینه تر و چگالی انرژی بی نهایت از مهمترین مزیت ها هستند.

محرک هسته ای-الکتریکی قادر است تا حدود سه ساعت نیروی محرکه مداوم را ارائه دهد. با این حال، سطح رانش آنها در مقایسه با راکت های معمولی و موتورهای هسته ای حرارتی کمتر است.

به گفته پروفسور گاس، نیاز به منبع برق باعث از دست رفتن گرمای بیشتری در فضا می شود. ضریب تبدیل انرژی حرارتی در فضا به طور ایده آل حدود 30-40٪ است.

از سوی دیگر، با وجود اینکه موشک های هسته ای- حرارتی NERVA گزینه های مناسبی برای انتقال افراد به مریخ و بالاتر هستند، این سوخت ها در برخی از ماموریت ها در تامین نسبت جرم اولیه نیز دچار مشکل هستند.

مزایای طراحی موتور دو حالته پیشنهادی چیست؟

با در نظر گرفتن مزایا و معایب هر دو نوع پیشرانه موشک، ناسا از طرح‌های حالت دوگانه که شامل هر دو سیستم NEP و NTP هستند، طرفداری می‌کند. در این راستا، طرح ارائه شده توسط پروفسور گوس یک سیستم دو حالته مبتنی بر راکتورهای هسته جامد NERVA است. سوخت پیشنهاد شده توسط گاس و تیمش قادر به ایجاد یک ضربه خاص 900 ثانیه است که تقریباً دو برابر موشک های شیمیایی فعلی است.

علاوه بر این، سیکل پیشنهادی او از کمپرسورهای موج شوک (روتورهای موج) نیز استفاده می کند. این فناوری بیشتر در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می گیرد و از امواج فشار تولید شده در واکنش ها برای فشرده سازی هوای ورودی استفاده می کند.

اگر این روتورهای موجی با موتورهای NTP ترکیب شوند، می توانند با استفاده از فشار ایجاد شده توسط گرمایش سوخت هیدروژن مایع در راکتور، جرم واکنش را بیشتر کاهش دهند.

به گفته پروفسور گاس، این سیستم قادر خواهد بود سطحی از پیشرانه را با طرح های همجوشی مبتنی بر NERVA ارائه دهد. اما مقداری حرکت در محدوده 1400 تا 2000 ثانیه ایجاد می کند.

او همچنین معتقد است که در صورت استفاده از روتورهای موجی با موتورهای NEP، می توان میزان پیشرانه را به سطوح بالاتر افزایش داد! گاس در این رابطه گفت:

اگر از چرخه هسته ای الکتریکی در موتور پیشنهادی ما استفاده شود، می توان با افزودن حداقل مقدار جرم خشک، ضربه خاص را تا محدوده 1400 تا 4000 ثانیه افزایش داد! این سیستم دو حالته قادر به انتقال سریع به ماموریت های فضایی (سفر به مریخ در 45 روز) و استفاده در اکتشافات کلیدی در منظومه شمسی است.

سفر به مریخ بر اساس فن‌آوری‌های طراحی و ساخت پیشرانه فعلی، نزدیک به سه سال طول می‌کشد. این ماموریت ها نیز هر 26 ماه یکبار آغاز می شوند، زمانی که زمین و مریخ در نزدیک ترین فاصله خود هستند و زمان گذر بین آنها بین 6 تا 9 ماه است.

اگر زمان گذر بین زمین و مریخ به 45 روز (شش و نیم هفته) کاهش یابد، کل مدت سفر به مریخ به جای چندین سال، تنها چند ماه خواهد بود. سفر کوتاه‌تر به مریخ خطرات معمول سفرهای فضایی، مانند قرار گرفتن در معرض تشعشعات کیهانی، زمان صرف شده در ریزگرانش و آسیب‌های سلامتی را کاهش می‌دهد.

علاوه بر طرح پیشنهادی برای این موتور، طرح های دیگری نیز برای راکتورهایی وجود دارد که قادر به تولید سطح ثابت انرژی برای ماموریت های فضایی هستند. این دسته از راکتورها برای ماموریت هایی که دسترسی کافی به انرژی خورشیدی یا بادی وجود ندارد، مناسب هستند.

نمونه‌هایی از این پروژه‌ها عبارتند از راکتور Kilopower ناسا، بر اساس فناوری استرلینگ، و راکتور ترکیبی شکافت/همجوشی، که هر دو توسط NAIC برای توسعه فاز I در سال 2023 انتخاب شدند.

نتیجه این پروژه های جذاب و فناوری بدون شک سفری سریعتر و روانتر به ماه، مریخ و دیگر سیارات منظومه شمسی خواهد بود.