موشک‌های هسته‌ای در خدمت ناسا برای رسیدن به عمق فضا

کسی باید رؤیا‌های بزرگ در سر داشته باشد و آن گام جسورانه را بردارد تا به سوی ستاره‌ها دست دراز کند و در پهنه بیکران کیهان به جست‌وجوی زندگی بپردازد.

به نقل از آی‌ای، ناسا مدت‌ها است که در خط مقدم این مأموریت قرار دارد و مقاصدی دوردست را در سراسر منظومه شمسی - از ماه و سیاره‌های یخی بیرونی گرفته تا سیارک‌های دورافتاده - هدف گرفته، اما تحقق رؤیا‌های بزرگ نیازمند ایده‌هایی بزرگ است تا بتوان بر چالش‌های بزرگ سفر در فضای ژرف غلبه کرد.

برای مدت طولانی، قدرت ستاره مادر ما این سفر را هدایت کرده و سوخت مورد نیاز کاوشگر‌های رباتیک را در سراسر کیهان فراهم کرده است. پنل‌های خورشیدی، انرژی مورد نیاز مدارگردها، مریخ‌نورد‌ها و ماهواره‌های بی‌شماری را تأمین کرده‌اند. با وجود این، منظومه شمسی بسیار گسترده است و پرتو‌های خورشید پس از عبور یک مأموریت از مریخ ضعیف می‌شوند. دقیقاً به همین دلیل است که تمرکز به سمت فضاپیما‌های هسته‌ای برای رسیدن به مقاصدی تغییر می‌کند که زمانی از دسترس خارج بودند.

فضاپیمای مبتنی بر نیروی هسته‌ای چیست؟

فضاپیما‌های مبتنی بر نیروی هسته‌ای به جای سوزاندن سوخت‌های شیمیایی یا جذب نور خورشید، انرژی حاصل از واکنش‌های اتمی را به کار می‌گیرند. این فناوری‌ها در دو گروه متمایز جای می‌گیرند.

سیستم‌های رادیوایزوتوپ از مواد رادیواکتیو در حال پوسیدگی مانند پلوتونیوم-۲۳۸ برای تولید گرمای پایدار بهره می‌برند که سپس ترموکوپل‌های حالت جامد آن را به برق تبدیل می‌کنند. این باتری‌های هسته‌ای تقریباً ۵۰ سال است که نیروی لازم را برای مأموریت‌های افسانه‌ای بلندمدت مانند «وویجر» (Voyager) تأمین می‌کنند.

سیستم‌های شکافت هسته‌ای، رویکرد متفاوتی دارند و از رآکتور‌های هسته‌ای کنترل‌شده برای تولید مقادیر زیاد برق یا انرژی حرارتی مستقیم استفاده می‌کنند. این انرژی می‌تواند موتور‌های یونی الکتریکی با راندمان بالا یا سوخت حرارتی را مستقیماً برای ایجاد نیروی رانش شدید به کار بیندازد.

نمونه‌های اولیه در دست تهیه

ناسا به طور فعال برای تبدیل این مفاهیم به سخت‌افزار تلاش می‌کند. این آژانس فضایی در حال پیشبرد پروژه‌های پیش‌رانش الکتریکی هسته‌ای و طراحی‌های توان سطحی شکافت هسته‌ای است. نمونه‌های اولیه مانند طرح «SR-۱ Freedom» با هدف نشان دادن قابلیت‌های توان شکافت هسته‌ای فراتر از مدار زمین ساخته شده‌اند.

برنامه‌هایی نظیر طرح مفهومی SR-۱ بر ساخت واحد‌های شکافت هسته‌ای سبک‌وزن (با توان ۱۰ تا ۴۰ کیلووات) برای تأمین انرژی پیوسته در پایگاه‌های آینده ماه و مریخ تمرکز دارند.

علاوه بر این، ناسا در حال بررسی فرمولاسیون‌های سوخت «اورانیوم کم‌غنی‌شده با عیار بالا» (HALEU) است که قادر هستند در برابر فشار‌های عملیاتی شدید موتور‌های نسل آینده تاب بیاورند.

همچنین، مهندسان در حال کار کردن روی ژنراتور‌های ترموالکتریک رادیوایزوتوپ پیشرفته هستند تا توان خروجی را برای محیط‌های اعماق فضا به حداکثر برسانند. این آزمایش‌های سخت‌افزاری تضمین می‌کنند که سیستم‌های آینده می‌توانند در برابر ارتعاشات شدید پرتاب موشک مقاومت نشان دهند و در عین حال برای دهه‌ها در خلأ فضا به طور قابل اطمینان کار کنند.

مقصد این ماموریت‌ها کجاست؟

موشک‌های شیمیایی با محدودیت‌های شدید سوخت روبه‌رو هستند و قدرت مداوم مورد نیاز را برای راه‌اندازی آرایه‌های علمی پیچیده در اعماق فضا ندارند، اما نیروی محرکه هسته‌ای می‌تواند مرز‌های اکتشاف را به طور کامل تغییر دهد.

سوخت‌های هسته‌ای-حرارتی با بازدهی بالا می‌توانند مدت‌زمان سفر سرنشین‌دار به مریخ را به ۴۵ تا ۶۰ روز کاهش دهند؛ امری که موجب می‌شود فضانوردان کمتر در معرض تابش‌های فضایی و خطرات مربوط به سامانه‌های پشتیبانی از زندگی قرار بگیرند. علاوه بر مریخ، قمر‌های یخی نظیر «اروپا» و «انسلادوس» نیز به عنوان اهدافی کلیدی برای جست‌وجوی اقیانوس‌های زیرسطحی و زندگی احتمالی فرازمینی مطرح هستند. فضاپیما‌های مجهز به سوخت هسته‌ای می‌توانند تجهیزات سنگین حفاری در یخ را به این سیاره‌های اقیانوسی منتقل کنند.

یکی دیگر از امکانات جذابی که پیشران‌های هسته‌ای-الکتریکی فراهم می‌کنند، انجام مأموریت‌هایی به فضای میان‌ستاره‌ای و ابر دوردست «اورت» (Oort) در طول عمر یک انسان است.

کارنامه هسته‌ای ناسا

انرژی هسته‌ای صرفاً یک آرمان نظری نیست. ناسا از دهه ۱۹۶۰ تاکنون بیش از ۲۰ سامانه رادیوایزوتوپی را به کار گرفته است.

وسایل نقلیه ویژه حرکت روی سطح سیاره مانند مریخ‌نورد‌های «کنجکاوی» (Curiosity) و «استقامت» (Perseverance) از ژنراتور‌های ترموالکتریک رادیوایزوتوپ چندماموریتی با سوخت پلوتونیوم-۲۳۸ برای تأمین مداوم برق استفاده می‌کنند.

در فاصله دورتر، کاوشگر‌های اعماق فضا برای کار در محیط‌های بسیار دور از نور خورشید به انرژی حرارتی رادیوایزوتوپ متکی هستند. کاوشگر‌های وویجر ۱ و ۲ که در سال ۱۹۷۷ پرتاب شدند، همچنان به ارسال داده‌ها از هلیوسفر در میلیارد‌ها کیلومتر دورتر ادامه می‌دهند؛ در حالی که کاوشگر «نیوهورایزنز» (New Horizons) با موفقیت پرواز از کنار پلوتو در سال ۲۰۱۵ را با استفاده از گرمای هسته‌ای انجام داد.

انرژی هسته‌ای یک مسیر عملی را به سوی سفر‌های فضایی پرسرعت فراهم می‌کند. رهایی از محدودیت‌های سوخت شیمیایی به ناسا امکان می‌دهد که منظومه شمسی را سریع‌تر کاوش کند و بسیار دورتر از گذشته پیش برود.