چرا فضا در آستانه ورود به عصر اصلی خود است؟

فرارو- در نوامبر سال گذشته، روسیه یک ماهواره سقوط کرده را منفجر کرد و زباله هایی را ایجاد کرد که برای چندین دهه به دور زمین می چرخید. آزمایش موشکی “صعود مستقیم” اولین آزمایش روسیه بود که منعکس کننده آزمایش تسلیحاتی مشابهی بود که در سال 2007 توسط چین انجام شد و ابری ماندگار از زباله ایجاد کرد. هند و ایالات متحده نیز سابقه پرتاب ماهواره‌های غیرفعال را داشته‌اند، اگرچه خوشبختانه اقدامات آنها بدون ایجاد زباله‌های فضایی طولانی‌مدت به هم مرتبط بوده است.

همه این تلاش ها باعث ایجاد نگرانی در میان مقامات دفاعی ایالات متحده شده است، زیرا در صورت انفجار ماهواره های حیاتی ممکن است جنگ رخ دهد. بنابراین، پنتاگون می خواهد نسل بعدی ماهواره ها قدرت کافی برای فرار از حملات را داشته باشند. پنتاگون معتقد است که پاسخ در نیروی محرکه برنامه هسته ای نهفته است.

آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا)، وابسته به وزارت دفاع ایالات متحده، فناوری موسوم به «پیش رانش حرارتی هسته ای» را آزمایش خواهد کرد. فضاپیمای دارپا با مشارکت شرکت های آمریکایی از جمله بلو اوریجین، جنرال اتمیکس و لاکهید مارتین، یک راکتور هسته ای کوچک حمل خواهد کرد. در داخل راکتورها، اتم های اورانیوم برای تولید گرمای فوق گرم تقسیم می شوند. این گرما توسط هیدروژن مایع مکیده شده از مخزن فضاپیما جذب می شود.

هیدروژن که سردتر از منفی 253 درجه سانتیگراد ذخیره می شود، با گرم شدن به سرعت منبسط می شود و با خروج گاز داغ از پشت فضاپیما نیروی رانش تولید می کند.

چنین فضاپیما می تواند در عرض چند ساعت به مدار ثابت نزدیک به 36000 کیلومتر برسد. ماهواره هایی که از سوخت موشک معمولی استفاده می کنند چندین روز طول می کشد تا از این طریق حرکت کنند. همچنین از بین بردن ماهواره های هسته ای پرقدرت دشوار است زیرا می توان مسیر حرکت آنها را به گونه ای غیرقابل پیش بینی تغییر داد.

دارپا در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد که هدف دراکو این است که تا سال 2025 یک سیستم پیشرانش حرارتی هسته ای (NTP) را در مدار نزدیک زمین به نمایش بگذارد و در صورت موفقیت، دارپا اولین موشک از نوع خود را پرتاب خواهد کرد. این امکان را فراهم می کند تا سفر ما را به نصف کاهش دهیم. زمان در منظومه شمسی با توجه به اینکه پیشرانه های حرارتی هسته ای هرگز در فضا آزمایش نشده اند، این یک جدول زمانی بلندپروازانه است.

محدودیت های پیشرانه های الکتریکی و شیمیایی مانع از دستیابی آنها به سرعت لازم برای سفر به نقاط دورتر جهان می شود.

واحد نوآوری دفاعی پنتاگون (DIU) دومین ابتکار هسته ای را اجرا می کند. در سپتامبر 2021، این واحد خواستار پیشنهاداتی برای سیستم های پیشران هسته ای شد. شرکت هایی که ایده های خود را ارائه می دهند باید یک شرط مهم را داشته باشند: آنها باید از فناوری پیشران هسته ای که دارپا در حال حاضر روی آن کار می کند اجتناب کنند.

آنها باید بتوانند ظرف سه تا پنج سال یک نمونه اولیه بسازند و به یک برنامه معتبر برای آزمایش فضایی نیاز دارند. از میان ده ها پیشنهاد دریافت شده توسط واحد نوآوری دفاعی پنتاگون، دو برنده اول قرار است اواخر این ماه اعلام شوند.

رایان وید، کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده که برنامه واحد نوآوری دفاعی پنتاگون را رهبری می کند، می گوید که این پیشنهادات در دسته های جداگانه قرار می گیرند. برخی از راکتورها ترکیب می شوند، اما نه برای گرم کردن هیدروژن مایع، در عوض، از گرما برای تولید الکتریسیته استفاده می شود، که سپس به گاز پیشران مانند زنون اعمال می شود، که یون ها را به دلیل وجود میدان الکتریکی یا مغناطیسی از نازل شارژ می کند. بیرون بیایید و یک نیروی محرکه ایجاد کنید.

اکسترودرهای یونی ایده جدیدی نیستند، اما یک راکتور هسته ای می تواند انرژی بسیار بیشتری برای تامین انرژی حتی یک پنل خورشیدی بزرگ تولید کند. ردیابی و غیرفعال کردن ماهواره های بدون پنل خورشیدی برای اهداف نظامی نیز برای دشمنان دشوارتر خواهد بود.

بسیاری از طرح‌های نیروگاه هسته‌ای نیازمند فرآیند شکافت اتم‌های مورد استفاده در نیروگاه‌های هسته‌ای زمینی هستند. کیت های فضایی حداقل یک تن وزن دارند، بنابراین آنها فقط برق ماهواره های بزرگ را تامین می کنند.

توصیه های دیگر برای ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (RTGs) است. این یک نوع باتری اتمی است که گرمای تولید شده در اثر فروپاشی هسته ای را به برق تبدیل می کند.

عملکرد باتری اتمی از نوع RTG با استانداردهای ساده اتمی می باشد. اکثر این باتری ها از ترموکوپل برای تبدیل گرمای حاصل از فروپاشی هسته ای به انرژی پتانسیل الکتریکی استفاده می کنند. یک محفظه جامد حاوی مواد رادیواکتیو است که ترموکوپل‌هایی در اطراف دیواره‌های محفظه قرار گرفته‌اند و انتهای دیگر ترموکوپل‌ها به یک خنک‌کننده متصل است. فروپاشی هسته یک سوخت اتمی گرمایی تولید می کند که از طریق ترموکوپل ها به خنک کننده جریان می یابد و در این فرآیند برق تولید می شود.

این نوع «باتری‌های هسته‌ای» مدت‌هاست که برای تأمین انرژی کاوشگرهایی که به اعماق فضا فرستاده می‌شوند، جایی که انرژی به‌ویژه ضعیف است، استفاده می‌شود. به جای ساخت یک راکتور هسته ای، یک RTG از دستگاه هایی به نام ترموکوپل برای تولید وات متوسط ​​گرمای آزاد شده توسط فروپاشی ایزوتوپ های رادیواکتیو استفاده می کند.

پلوتونیوم-238، محصول جانبی توسعه تسلیحات، توسط ناسا برای تامین انرژی فضاپیمای وویجر که در دهه 1970 پرتاب شد و هنوز فعال است، و همچنین مریخ نورد کنجکاوی که اکنون به دور مریخ می چرخد، استفاده شده است. با این حال، پلوتونیوم-238 بسیار تنظیم شده است و فاقد ذخیره سازی است، و با نیمه عمر 87.7 سال، گرمایی که از فروپاشی رادیواکتیو تولید می کند در یک دوره زمانی طولانی دفع می شود. بنابراین واحد نوآوری دفاعی پنتاگون به دنبال جایگزین هایی با نیمه عمر کوتاه تر و چگالی توان حرارتی بسیار بالاتر است.

کبالت-60، با نیمه عمر 5.3 سال، یک جایگزین امیدوارکننده و در دسترس تجاری است. واحد نوآوری دفاعی پنتاگون با هدف ارائه نیرو به RTGها برای نیروی محرکه و همچنین الکترونیک داخل هواپیما و ماهواره هایی به اندازه یک ماشین لباسشویی است.

با این حال، ارسال دستگاه های هسته ای، به ویژه راکتورها، به فضا چقدر ایمن است؟ ناتان گرینر، سرگرد نیروی هوایی ایالات متحده که برنامه دارپا را رهبری می کند، گفت: یکی از سوالات متداول و متداول درباره انفجار احتمالی فضاپیمای دراکو در سکوی پرتاب است. او می‌گوید چنین رویدادی خطری بزرگ‌تر از انفجار یک فضاپیمای معمولی نخواهد داشت، زیرا راکتور در آن نقطه روشن نمی‌شود و سوخت اورانیوم آن هیچ خطر رادیولوژیکی ایجاد نمی‌کند.

با این حال، اگر رآکتور هسته ای به دریا بیفتد، مشکل بزرگتر می شود. آب می تواند شروع یک واکنش زنجیره ای هسته ای را که در آن اتم های اورانیوم شکافته می شوند، تشویق کند و نوترون هایی را آزاد کند که می تواند باعث شکافت اتم های اورانیوم بیشتری شود.

اگر این واکنش زنجیره ای کنترل نشود، می تواند منجر به ذوب شود. بنابراین دراکو به گونه ای پیکربندی شده است که حتی اگر در آب غوطه ور شود، سیم های ساخته شده از عنصر بور در جای خود باقی می مانند. بور در راکتورهای هسته ای برای تعدیل یا حتی توقف شکافت هسته ای استفاده می شود.

خطر دیگر، ورود مجدد تصادفی به جو است. اتحاد جماهیر شوروی حداقل 33 ماهواره جاسوسی با راکتورهای هسته ای برای تولید انرژی به فضا پرتاب کرد. در یک حادثه، یک رآکتور ماهواره ای به نام کاسموس 954 نتوانست به اندازه کافی بالا رود تا در پایان ماموریت خود به مدار دافعه برسد.

وقتی کیهان 954 در سال 1978 شکست، قطعاتی از آن در جو زمین در کانادا افتاد. تابیتا دادسون، مهندس ارشد دراکو، می‌گوید که رآکتور هسته‌ای دارپا در مدارهای پایین پرواز نخواهد کرد تا از حادثه مشابهی جلوگیری کند.

برای مدت طولانی، دانشمندان بر این باور بودند که برای اینکه یک راکتور هسته ای بتواند روی موشک فرود بیاید، باید با سوختی مبتنی بر اورانیوم 235 بسیار غنی شده کار کند، ایزوتوپی از اورانیوم که به راحتی قابل جداسازی است. به عنوان مثال، سوخت هواپیمای کاسموس 954 شوروی اورانیوم 235 با درجه غنی سازی 90 درصد مشابه با سوخت مورد استفاده در بمب اتمی منفجر شده بر فراز هیروشیما در سال 1945 بود.

با توجه به ظرفیت هشداردهنده چنین سوخت هایی برای استفاده دوگانه، دانشمندان مجبور شده اند با بوروکراسی سختگیرانه، تاخیرهای طولانی و هزینه های هنگفت هنگام ساخت رآکتورهای هسته ای مقابله کنند.

با این حال، مدل‌سازی کامپیوتری بهتر در سال‌های اخیر به دانشمندان این امکان را داده است که راکتورهایی طراحی کنند که از اورانیوم 235 کمتر از 20 درصد استفاده می‌کنند. این میزان غنی سازی اورانیوم بسیار کمتر از میزان غنی سازی اورانیوم مورد نیاز برای ساخت یک سلاح هسته ای است. بنابراین، محدودیت های دولت برای استفاده از آن اورانیوم سختگیرانه تر خواهد بود.

این فقط ایالات متحده نیست که برای پیشبرد هسته فضایی تلاش می کند. چین و روسیه همچنین در حال توسعه انرژی هسته ای برای استفاده در فضا هستند و در سال های اخیر در حال ساخت و آزمایش ناوگانی از شاتل های فضایی هسته ای بوده اند. روسیه در حال طراحی فضاپیمایی به نام زئوس است که مجهز به راکتور هسته ای خواهد بود. آژانس فضایی روسیه (روسکوموس) امیدوار است این فضاپیما را در سال 2030 به فضا پرتاب کند.

علاقه به انرژی هسته ای منحصر به پنتاگون نیست. ناسا همچنین مشتاق فرستادن فضانوردان به مریخ برای توسعه انرژی حرارتی هسته ای است. سیستم دوم Mars Engine یا PADME-Power نام دارد و نمونه اولیه آن در سال 2026 آزمایش خواهد شد.

PADME حدود 3.5 تن وزن خواهد داشت و پس از قرار گرفتن در مدار، می تواند یک فضاپیمای بزرگ را تا مسافت 12 کیلومتر در حدود 15 دقیقه شتاب دهد. ناسا می خواهد آن را در ماموریتی برای ارسال محموله احتمالی به مریخ در دهه 2030 آزمایش کند.

تا پایان این دهه، ناسا همچنین می خواهد یک نیروگاه هسته ای با قابلیت تولید برق راه اندازی کند. پیشنهادات برای تولید 10 کیلووات برق در فضا تا اواسط فوریه به آژانس فضایی می رسد. این بدان معناست که فضا در حال ورود به عصر اصلی خود است.