اسپیس ایکس، شرکت هوافضای بنیان‌گذاری‌شده به‌دست ایلان ماسک، از مدت‌ها پیش به‌صورت سرسختانه در حال کار روی پروژه‌ای به‌شدت جاه‌طلبانه بوده است. این شرکت قصد دارد انسان را به‌صورت دائمی روی سیاره‌ی مریخ سکونت دهد. به‌منظور کمک به تحقق این رویا، اسپیس‌ایکس سامانه‌ی پرتاب کاملا چندبارمصرفی به‌نام Starship توسعه می‌دهد که ماسک خود هر از گاهی اخبار پیشرفت آن را در صفحه‌ی توییترش منتشر می‌کند.
براساس آخرین توضیحات ماسک، استارشیپ به‌عنوان فضاپیمایی با ارتفاع نزدیک به ۵۵ متر به تصویر کشیده شده است که سوار بر راکتی تقریبا ۶۷ متری به‌نام Super Heavy به مدار زمین پرتاب خواهد شد. این فضاپیما به‌نحوی طراحی شده است که در مدار نزدیک زمین مجددا قادر به سوخت‌گیری باشد تا در زمانی نامعلوم به‌همراه ۱۰۰ مسافر و بیش از ۱۰۰ تن محموله به‌سوی مریخ حرکت کند.
اما موفقیت یا شکست این سامانه‌ی پرتاب – و همچنین برنامه‌ی ماسک برای پشتیبانی از نژاد انسان – احتمالا از استمرار دو تغییر عمده و اخیر در طراحی استارشیپ نشات خواهد گرفت که ماسک آن‌ها را با عنوان اصلاحاتی «بنیادین» و «به‌طرز خوشایندی غیرمنتظره» توصیف کرده است.
تغییر نخست شامل ساخت فضاپیما از آلیاژ فولاد ضدزنگ به‌جای کامپوزیت فیبرکربن است. اما غافلگیرکننده‌ترین تغییر، به‌نقل از کارشناسان صنعت هوافضا، نحوه‌ی تلاش استارشیپ برای محافظ از خود دربرابر گرمای سوزان ایجادشده در اتمسفر مریخ و زمین خواهد بود.
به‌گفته‌ی ماسک، فضاپیمای اسپیس‌ایکس به‌جای اتکا به هزاران قطعه کاشی سرامیکی سنگین برای حفاظت دربرابر گرما همچون شاتل فضایی، سوخت راکت را ازطریق منافذی بسیار کوچک بیرون خواهد داد تا دمای خود را پایین بیاورد. از لحاظ تئوری، قرار دادن مایع بین پوسته‌ی فولادی استارشیپ و پلاسمای داغ و سوزان تولیدشده در حین پیشروی درون گازهای اتمسفر، از نابودی فضاپیما جلوگیری خواهد کرد.
اما والت انگلند، مهندس هوافضا و مدیر واحد اکتشاف و فناوری فضایی در ناسا می‌گوید اینکه آیا اسپیس‌ایکس می‌تواند سامانه‌ای فضایی را با این اندازه و طراحی بی‌سابقه با موفقیت اجرا کند یا خیر، هنوز معلوم نیست. او به خبرگزاری بیزینس اینسایدر گفت:
رفتن از فرود مریخی یک ربات هم‌اندازه‌ی خودرو به فضاپیمایی با اندازه‌ی یک ساختمان که مملو از افراد است، چندین مرتبه– تقریبا ۱۰۰ برابر – دشوارتر از فرود کریاسیتی خواهد بود؛ فرودی که به‌گفته‌ی انگلند، یکی از سخت‌ترین کارهایی محسوب می‌شود که تا به حال در ناسا به انجام رسیده است. انگلند گفت:
چرا استارشیپ به فضاپیمایی سنگین و فلزی تبدیل شد؟
ماسک بر این باور است که تا سال ۲۰۵۰ می‌تواند یک شهر مستقل و خوداتکا روی سیاره‌ی سرخ بسازد. او می‌خواهد بلیت‌های تک‌نفره به مریخ به ارزانی بهای یک خانه روی زمین و برای سفرهای بازگشت، مجانی باشند. مدیرعامل اسپیس‌ایکس با به‌کارگیری سامانه‌ی پرتاب استارشیپ – سوپر هوی، درصدد دستیابی به این هدف است. به‌گفته‌ی او، پایین آوردن هزینه‌ها و ساخت سریع‌تر سامانه، علت روی آوردن به آلیاژ فولاد ضدزنگ محسوب می‌شود.
ماسک در ماه دسامبر گفت استارشیپ به نقره‌ی مایع شباهت خواهد داشت. وی در ادامه افزود که این فضاپیما پوششی آینه‌ای خواهد داشت تا به بازتابش گرما و خنک‌سازی بدنه کمک کند.
ماسک در مصاحبه‌ای با نشریه‌ی پاپیولر مکانیکس، توضیح داد که فولاد در مقایسه با کامپوزیت فیبر کربن سبک‌وزن و در عین حال مستحکمی که اسپیس‌ایکس تا اواخر سپتامبر قصد استفاده از آن را داشت، نزدیک به ۶۷ برابر ارزان‌تر است. همچنین کار کردن با فولاد آسان‌تر از فیبر کربن است، امکان نمونه‌سازی سریع‌تر را فراهم و در مقابل گرما بهتر مقاومت می‌کند.
علاوه‌بر این، ماسک گفت که استحکام فولاد هنگام لمس مایعات به‌شدت سرد، از جمله متان و اکسیژن برودتی که استارشیپ احتمالا از آن‌ها برای پیشروی در فضا استفاده خواهد کرد، تا ۵۰ درصد افزایش می‌یابد. بااین‌حال، مشکل فولاد این است که ماده‌ای متراکم و سنگین محسوب می‌شود. دست‌کم، یک نسخه‌ی اولیه از موشک اطلس شرکت جنرال داینامیکس که از فولاد ساخته شد، به‌علت سنگینی از روی سکوی پرتاب سقوط کرد و از بین رفت.
بااین‌حال، ماسک اشاره کرده است که استفاده‌ی اسپیس‌ایکس از فولاد بسیار متفاوت است و آن‌ها نسخه‌ی بازطراحی‌شده‌ی استارشیپ را قدرتمندتر، بادوام‌تر و سبک‌تر خواهند ساخت. او درنهایت گفت که تغییر مواد، عملکرد فضاپیما را نسبت به طراحی قدیمی بهبود خواهد داد. ماسک در ماه ژانویه در توییتر نوشت:
اما فولاد هرچقدر مقاوم باشد، شکست‌ناپذیر نیست، به‌خصوص وقتی پوسته‌ی فضاپیمایی را تشکیل دهد که با سرعت درون گازهای اتمسفر حرکت می‌کند.
تعرق و تخلیه برای نجات
تصویری هنری از فضاپیمای در دست ساخت استارشیپ و راکت سوپر هوی اسپیس‌ایکس
استارشیپ می‌تواند با سرعت تقریبا ۳۰ هزار کیلومتر بر ساعت به جو مریخ و زمین وارد شود. به‌گفته‌ی ماسک، در چنین سرعتی، بخش‌هایی از قسمت زیرین فضاپیما نظیر دماغه ممکن است در معرض دمایی نزدیک به ۱۴۸۲ درجه‌ی سلسیوس قرار بگیرند. این مقدار گرما برای نابودی آلیاژ فولادی که اسپیس‌ایکس درصدد استفاده از آن برای پوسته‌ی بیرونی استارشیپ است، کافی خواهد بود.
آلیاژ 310S ماده‌ای است که اغلب با عنوان فلز مقاوم دربرابر گرما شناخته می‌شود؛ زیرا مقدار بسیار زیادی کروم و نیکل درون آن مخلوط شده است. این فلز همچون فولاد به‌کاررفته در تابه و کتری آشپزخانه نیست؛ اما فولاد 310S در دمای نزدیک به ۱۰۹۳ درجه شروع به واکنش با اکسیژن و خوردگی می‌کند و در دمای تقریبا ۱۳۱۵ درجه نیز ذوب می‌شود.
درنتیجه، فضاپیما باید دربرابر چنین گرمای شدیدی محافظت شود. به‌همین دلیل، ماسک خواستار آن است که بدنه‌ی استارشیپ با استفاده از سوخت مایع خود را در حین فرود خنک کند. مدیرعامل اسپیس‌ایکس به پاپیولر مکانیکس گفت، تصمیم گرفته است که از کاشی‌های حرارتی شبیه به نمونه‌های به‌کاررفته در شاتل فضایی صرف‌نظر کند تا وزن فضاپیما را کاهش دهد و از ریسک اینکه یک کاشی آسیب‌دیده یا از دست‌رفته سپر حرارتی را به خطر اندازد، اجتناب کند.
ماسک در ادامه توضیح داد که استارشیپ در عوض، سوخت راکت را از حفره‌های بسیار کوچکی در پوسته‌ی فولادی‌اش تعریق یا تخلیه خواهد کرد و این لایه‌ی مایع، گرمای سوزان ایجادشده در اثر ورود به اتمسفر را دفع خواهد کرد. ماسک گفت:
ماسک در ادامه افزود که سپر حرارتی با تقویت بدنه‌ی فولادی استارشیپ، انجام دو وظیفه را برعهده خواهد گرفت.
کارشناسان در گفت‌وگو با خبرگزاری بیزینس اینسایدر گفتند ماسک درست می‌گوید که هیچ فضاپیمایی تابه‌حال با استفاده از چنین عایقی به مدار پرتاب نشده و به زمین بازنگشته است؛ اما مفهوم سپر حرارتی تعرقی یا نشت‌کننده جدید نیست و از گذشته تاکنون چالش مهندسی فوق‌العاده پیچیده‌ای بوده است.
خنک‌سازی تعرقی برای مسافران ماه و موشک‌های بالستیک قاره‌پیما
به‌گفته‌ی ماسک، سامانه‌ی پرتاب استارشیپ پوششی آینه‌ای و بازتاب‌دهنده خواهد داشت
خنک‌سازی تعرقی یا فعال از میلیون‌ها سال پیش تاکنون در قالب پوست پستانداران وجود داشته است. به‌عنوان مثال، وقتی دمای بدن انسان بیش از حد افزایش می‌یابد، منافذ بسیار کوچک میکروسکوپی روی پوست، عرق را خارج می‌کنند. این مایع سپس تبخیر می‌شود تا گرمای بدن را دفع و درجه‌ی حرارت آن را تنظیم کند.
در رابطه با تعریق فضاپیما، ناسا پیش از فرود آوردن فضانوردان روی ماه، استفاده از این سامانه‌ی خنک‌کننده‌ی الهام‌گرفته از طبیعت را آغاز کرد. انگلند در این‌باره گفت:
ناسا در سال ۱۹۶۵ اختراعی را ثبت کرد که به استفاده‌ی فضانوردان از ادرار برای کاهش دمای سپر حرارتی قرارگرفته در قسمت زیرین کپسول فضایی اشاره داشت. این سازمان فضایی تا سال ۲۰۰۶، برای پژوهش روی یک سپر حرارتی بادشدنی و خنک‌شدنی با تعرق که بتواند به فرود فضاپیما روی مریخ کمک کند، دست‌کم ۷۰ هزار دلار خرج کرد.
فضاپیمای تعرقی در مسابقه‌ی تسلیحاتی دوران جنگ سرد نیز نقش ایفا کرد. در مارس ۱۹۷۶، وزارت دفاع ایالات متحده یک دماغه‌ی خنک‌شدنی با تعرق را روی وسایلی آزمایش کرد که پس از پرتاب از جو زمین خارج و مجددا به آن وارد می‌شدند. چنین وسایلی که با هدف پرواز به فضا سوار بر موشک‌های بالستیک قاره‌پیما ساخته شده‌اند، با سرعت هزاران کیلومتر بر ساعت به جو زمین بازمی‌گردند و با کلاهک‌های هسته‌ای به اهداف واقع در نقاط دوردست اصابت می‌کنند.
اما به نقل از اسناد تاریخی نیروی هوایی ایالات متحده، این پروژه به‌دلیل بودجه‌ی محدود و مشکلات طراحی که گریبانگیر روند توسعه شده بود، بعدا در دهه‌ی ۱۹۷۰ لغو شد. مهندسان در عوض به عایق‌های حرارتی ساده‌تر «فرساینده» روی آوردند که با سوختن در حین ورود مجدد به جو از رسیدن گرمای شدید به وسیله جلوگیری می‌کردند.
اطلاعات مربوط‌به مشکلات موجود در عایق‌های حرارتی تعرقی مرتبط با امور دفاعی غالبا طبقه‌بندی‌شده و محرمانه هستند. اما جورج هربرت، یک مهندس هوافضا که کاربردهای نظامی وسایل پرتاب فضایی را مورد پژوهش قرار داده است، با ارسال یک ایمیل به بیزینس اینسایدر گفت که «مسائل گزارش‌شده و شناخته‌شده شامل حفره‌های مسدود‌شده‌ی تعرق هستند.»
به عبارت دیگر، مشکلی که معمولا نوجوانان به آن مبتلا می‌شوند، یعنی منافذ بسته‌شده‌ی پوست، در حفره‌های تعرق فضاپیما نیز بروز پیدا می‌کند.
چه می‌شود اگر فضله پرندگان روی راکت بریزد؟
چندین کارشناس به بیزینس اینسایدر گفتند که نسبت به بروز مشکل انسداد در طراحی سپر حرارتی استارشیپ نگران هستند. انگلند گفت:
دواین دی، کارشناسی که به بررسی علل وقوع فاجعه‌ی شاتل فضایی کلمبیا کمک کرد، سناریوی معمول و ناخوشایندی را تصور می‌کند که استارشیپ در هر سکوی پرتابی روی زمین با آن مواجه خواهد شد. او در ایمیلی که برای بیزینس اینسایدر ارسال کرد، نوشت:
به‌گفته‌ی انگلند، وی مشکلات مربوط‌به انسداد سامانه‌های خنک‌کنندگی را در آزمایش‌های انجام‌شده درون تونل‌های باد فراصوت ناسا شاهد بوده است.
در جریان چنین آزمایش‌هایی، مدل‌های کوچک‌شده از وسایل نقلیه‌ی فضایی درون این تونل‌ها – که می‌توانند هوا را با سرعت هزاران کیلومتر بر ساعت به حرکت درآورند - قرار داده می‌شوند تا نحوه‌ی عملکرد آن‌ها مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد. برخی از این آزمایش‌ها شامل عایق‌های حرارتی بودند که مواد مایع را ازطریق مجراهایی درست زیر پوسته‌ی مدل پمپاژ می‌کردند تا دمای آن را پایین بیاورند؛ اما تمام این مدل‌ها در آزمایش دوام نیاوردند.
انگلند گفت:
به‌گفته‌ی ماسک، استفاده از متان به‌عنوان خنک‌کننده می‌تواند بهتر از آب باشد. او ماه گذشته در توییتر نوشت:
بااین‌حال، انگلند بروز این چالش‌ها را با گزینه‌ی متان نیز محتمل می‌داند. اتم‌های کربن در سوخت هیدروکربن (نظیر متان) وقتی در معرض حرارت بسیار بالا قرار گیرند، می‌توانند به یکدیگر بچسبند و به ماده‌ی سخت و جامد تبدیل شوند. چنین بقایایی سپس می‌توانند ساختارهای ظریف نظیر حفره‌ها را مسدود کنند. انگلند گفت:
وی در ادامه افزود که نگرانی بزرگ دیگر، ناخالصی در سوخت‌ها خواهد بود که این مسئله نیز می‌تواند منجر به انسداد منافذ شود. به‌گفته‌ی انگلند، یک روش احتمالی برای رفع این مشکلات، می‌تواند صرفا افزودن منافذ بیشتر از حد لازم باشد تا در صورتی که درصد کوچکی از این سوراخ‌ها یا مجراهای انتقال‌دهنده‌ی خنک‌کنندگی به آن حفره‌ها مسدود شوند، از گرمایش کل فضاپیما جلوگیری شود.
علاوه‌بر مشکلاتی نظیر افتادن فضله‌ی پرندگان و انسداد منافذ، باید گردوغبار و بادهای مریخی را نیز درنظر گرفت. گرد و خاک سطح سیاره‌ی سرخ ممکن است به منافذ موجود در استارشیپ که سوخت از آن‌ها بیرون می‌ریزد، نفوذ کند. در آن صورت، پیدا کردن و رفع این انسدادها در مریخ می‌تواند به امر دشواری تبدیل شود. انگلند در این‌باره گفت:
آیا استارشیپ می‌تواند گرما را دفع کند؟
ماسک در اواخر سال گذشته‌ی میلادی اعلام کرد که توضیح مفصلی را در ماه مارس یا آوریل ارائه خواهد داد. در همین حال، او ویدئویی را به اشتراک گذاشت که ظاهرا آزمایش سپر حرارتی فلزی را برای استارشیپ نمایش می‌دهد. هنوز معلوم نیست که اسپیس‌ایکس تا چه حد روی مفهوم خنک‌سازی تعرقی پژوهش کرده است. هربرت گفت:
به باور انگلند، اگر خنک‌سازی تعرقی جواب ندهد، استارشیپ لزوما به پایان خط نخواهد رسید. او گفت:
اسپیس‌ایکس نیز هم‌زمان با تلاش مهندسان برای تبدیل استارشیپ به فضاپیمایی واقعی، اصلاحات و تغییرات پیوسته را انتظار دارد. یک نماینده‌ی این شرکت با ارسال ایمیل به بیزینس‌اینسایدر گفت:
بااین‌حال، اسپیس‌ایکس از انجام هرگونه مقایسه‌ای بین استارشیپ و کاوشگر کریاسیتی ناسا خودداری کرد. این شرکت گفت:
با وجود موانع بلندی که ظاهرا برای پرتاب و فرود استارشیپ روی مریخ بر سر راه اسپیس‌ایکس وجود دارند، هیچ کدام از کارشناسانی که با بیزینس‌اینسایدر گفت‌وگو کردند، سامانه‌ی اسپیس‌ایکس را غیرممکن ندانستند. انگلند گفت:
نظرات