پیش‌رانش هستهای؛ تنها راه واقع‌گرایانه ناسا برای سفر به مریخ
فرستادن انسان به مریخ و بازگرداندن او به زمین به نحو دیوانه‌واری دشوار است. ناسا و دیگر پیشتازان مریخ هنگام برنامه‌ریزی برای ارسال مأموریت سرنشین‌دار به سیاره‌ی سرخ با چالش‌های متعددی مواجه خواهند بود؛ اما از همه مهم‌تر، مقدار سوخت مورد نیاز است.
۵۰ سال پیش در جریان برنامه‌ی آپولو، انسان‌ها با استفاده از پیش‌رانش شیمیایی به ماه سفر کردند؛ روشی که در آن موتورهای موشک به منظور ایجاد رانش، اکسیژن و هیدروژن مایع را در محفظه‌ی احتراق می‌سوزانند. پیش‌رانش شیمیایی یکی از بالغ‌ترین فناوری‌ها برای مسافرت فضایی محسوب می‌شود و مزیت‌های خود را دارد؛ نظیر آنکه به ناسا امکان می‌دهد موتور را به‌سرعت روشن و خاموش کند. از آن زمان، معدود تکنیک‌های پیش‌رانش فضایی جدیدی ابداع شده؛ اما هیچ‌کدام برای انسان مناسب‌تر یا سریع‌تر از پیش‌رانش شیمیایی نبوده است.
مشکل همین‌جا است. ناسا چند مأموریت پایه برای ارسال چهار فضانورد یا بیشتر به مریخ در دست دارد؛ اما اتکا به پیش‌رانش شیمیایی برای رفتن به فراتر از ماه احتمالا رویکردی مناسب نخواهد بود. دلیل اصلی این است که ارسال تجهیزات و فضانوردان به مریخ، به مقدار فراوانی سوخت موشک نیاز خواهد داشت. حتی در مطلوب‌ترین سناریو که دو سیاره هر ۲۶ ماه یک بار، بیش از همیشه به یکدیگر نزدیک می‌شوند، مأموریت زمین به مریخ همچنان نیازمند هزار تا ۴ هزار تن سوخت خواهد بود.
اگر تجسم این مقدار سوخت دشوار است، در نظر بگیرید که موشک قدرتمند اسپیس لانچ سیستم ناسا هنگام ارتقا به پیکربندی Block B1، از ظرفیت حمل ۱۰۵ تن محموله به مدار نزدیک زمین برخوردار خواهد بود. ناسا انتظار دارد این موشک را سالانه یک مرتبه پرتاب کند و هر پرواز آن احتمالا نزدیک به دو میلیارد دلار هزینه خواهد داشت. رساندن سوخت کافی به مدار برای مأموریت مریخی نیازمند دست کم ۱۰ مرتبه پرتاب موشک اسپیس لانچ سیستم خواهد بود. به عبارت دیگر، یک دهه زمان و ۲۰ میلیارد دلار باید صرف کرد تا صرفا سوخت مورد نیاز به مدار زمین حمل شود. ختم کلام اینکه اگر بخواهیم عازم مریخ بشویم، احتمالا باید روش‌هایی دیگر را برای سفر در نظر بگیریم.
راهکار جایگزین: پیش‌رانش هستهای
گزارشی از آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی ایالات متحده، برخی پاسخ‌ها را درباره‌ی روش‌های جایگزین ارائه می‌دهد. به درخواست ناسا، کمیته‌ای همه‌جانبه از متخصصان، امکان‌پذیری دو فناوری پیش‌رانش (گرماهسته‌ای و برقی‌هسته‌ای) را برای پرتاب مأموریت انسانی به مریخ در سال ۲۰۳۹ ارزیابی کردند. به نقل از بابی براون، دانشمند علوم سیاره‌ای در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا و رئیس مشترک کمیته: «یکی از نکات اصلی گزارش این است که اگر می‌خواهیم انسان‌ها را به مریخ بفرستیم و این کار را مکررا و به نحو پایدار انجام دهیم، مسیرمان پیش‌رانش فضایی هستهای است.»
از کمیته‌ی آکادمی ملی خواسته نشد از بین فناوری‌های متکی به واکنش‌های هستهای اما با عملکرد متفاوت، یک مورد به‌خصوص را پیشنهاد بدهد. پیش‌رانش گرماهسته‌ای (NTP) شامل موتور موشکی است که در آن، رآکتور هستهای جایگزین محفظه‌ی احتراق شده است و هیدروژن را به‌عنوان سوخت می‌سوزاند. پیش‌رانش برقی هستهای (NEP) همانند نیروگاه‌های روی زمین، گرما را از رآکتور شکافتی به نیروی برق تبدیل می‌کند و سپس با شتاب دادن به سوختی یونیزه نظیر زنون، از این انرژی برای تولید رانش استفاده می‌کند.
- مهندسی بی‌نهایت: راکت های گرماهسته‌ای؛ سفر به مریخ در ۴۵ روز
- راکت‌های هستهای و سفرهای فضایی؛ ارسال فضاپیماهای سرنشین‌دار به اعماق فضا امکان‌پذیر می‌شود؟
به نقل از براون، گزارش کمیته، پیش‌رانش گرماهسته‌ای را برنامه‌ای بلندپروازانه با پشتوانه‌ی پژوهش‌های بنیادی می‌داند که می‌تواند ما را تا سال ۲۰۳۹ به مریخ برساند. البته مشخص نیست که پیش‌رانش برقی هستهای قادر به تحقق هدف رسیدن به مریخ است یا نه؛ اما گزارش ناکارآمدی این فناوری را نتیجه نمی‌گیرد.
پیش‌رانش هستهای در مقایسه با پیش‌رانش شیمیایی به سوخت فوق‌العاده کمتر (اغلب کمتر از ۵۰۰ تن) نیاز دارد. این نیازمندی کمتر به سوخت، برای برنامه‌ای مریخی سودمند است که چندین پیش‌مأموریت ارسال محموله به سیاره‌ی سرخ را در بر خواهد داشت. مصرف سوخت پیش‌رانش هستهای با فرصت‌های پرتاب فراهم‌شده توسط مدارهای زمین و مریخ، سازگارتر است. در جریان برخی از مقارنه‌ها که تقریبا هر ۲۶ ماه یک بار رخ می‌دهد، سوخت مورد نیاز برای انجام مأموریت مریخی با پیش‌رانش شیمیایی چنان زیاد است که اجرای مأموریت عملا غیر ممکن می‌شود.
برنامه‌ای برای ناسا
به نقل از گزارش، اگر ناسا بخواهد در مأموریت های انسانی دهه‌ی ۲۰۳۰ از پیش‌رانش هستهای بهره بگیرد، باید فرایند ساخت این فناوری را به‌سرعت آغاز کند. تاکنون سازمان فضایی آمریکا در گذار سریع به پیش‌رانش هستهای تا حدی محتاط بوده است. این امر احتمالا تا حدودی از سرمایه‌گذاری سنگین ناسا بر موشک اسپیس لانچ سیستم و پیش‌رانش شیمیایی مورد نیاز برای برنامه‌ی قمری آرتمیس نشأت می‌گیرد.
ازاین‌رو، در سال‌های اخیر ناسا برای پیش‌رانش هستهای درخواست بودجه نکرده؛ اما کنگره به منظور پیشبرد این تلاش سرمایه اختصاص داده است. در لایحه‌ی بودجه‌ی سال مالی ۲۰۲۱، ناسا ۱۱۰ میلیون دلار برای ساخت پیش‌رانش گرماهسته‌ای دریافت کرد. به گفته‌ی براون، هزینه‌ی همکاری ناسا با وزارت انرژی آمریکا و دیگر بخش‌های دولت برای ساخت فناوری پیش‌رانش هستهای و آغاز پروازهای باری به مریخ در میانه‌ی دهه‌ی ۲۰۳۰ به نحو چشمگیری بیشتر خواهد بود. بااین‌حال براون با یادآوری برنامه‌ی آپولو، معتقد است که ناسا می‌تواند با این چالش مواجه شود و بر آن غلبه کند.
استارشیپ اسپیس ایکس
پرسشی که مطرح می‌شود این است که طرح مفهومی فضاپیمای استارشیپ که اسپیس ایکس آن را با هدف ارسال انسان به مریخ می‌سازد، در مقایسه با پیش‌رانش هستهای در چه جایگاهی قرار می‌گیرد. سامانه‌ی پرتاب استارشیپ و سوپرهوی قصد دارد مشکل نیاز به حجم فراوان سوخت را با ساخت موشکی ارزان و چندبارمصرف حل کند.
مهندسان اسپیس ایکس می‌دانند رسیدن به مریخ به مقادیر چشمگیری سوخت نیاز دارد؛ اما معتقدند اگر استارشیپ بتواند با هزینه‌ی نسبتا اندک به ازای هر پرواز و به‌طور مکرر پرتاب شود، این مشکل قابل حل خواهد بود. ایده‌ی اصلی طرح این است که پیش از پرواز یک استارشیپ به مریخ، فضاپیما با مخازن خالی به مدار نزدیک زمین پرتاب شود و سپس استارشیپ‌های دیگر سوخت مورد نیاز را در فضا به آن منتقل کنند.
براون می‌گوید اسپیس ایکس با فرضیات متفاوتی نسبت به ناسا، مشغول توسعه‌ی برنامه‌ی ارسال انسان به مریخ است؛ اما بدین معنا نیست که برنامه‌ی اسپیس ایکس عملی نخواهد شد. این تفاوت نمایانگر چالش تدارک مأموریت مریخی با پیش‌رانش صرفا شیمیایی است. اسپیس ایکس در واقع با تلاش برای ساخت استارشیپ به‌عنوان سامانه‌ی پرتابی کاملا چندبارمصرف، می‌خواهد مرزهای فناوری جاافتاده‌ی موشک‌های سنگین را تا بیش‌ترین حد ممکن درنوردد.
نظرات