چرا فضا در آستانه ورود به دوران اولیه خود است؟

ارو- 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 مشابه آزمایش تسلیحاتی مشابهی بود که چین در سال 2007 انجام داد و ابری دائمی از زباله ایجاد کرد. هند و ایالات متحده نیز سابقه پرتاب ماهواره‌های غیرفعال را دارند، اگرچه خوشبختانه اقدامات آنها بدون زباله‌های فضایی طولانی‌مدت 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 را حمل خواهد کرد. در داخل راکتورها، اتم های اورانیوم برای تولید گرمای فوق گرم تقسیم می شوند. این گرما توسط هیدروژن مایع خارج شده از مخزن در فضاپیما جذب می شود.

هیدروژن که سردتر از منفی 253 درجه سانتیگراد است، با گرم شدن به سرعت منبسط می شود و گاز داغ را از پشت فضاپیما آزاد می کند و نیروی رانش ایجاد می کند.

چنین فضاپیما می تواند تنها در چند ساعت به مدار ثابتی در حدود 36000 کیلومتر برسد. ماهواره هایی که از سوخت موشک معمولی استفاده می کنند چندین روز طول می کشد تا به این روش حرکت کنند. از بین بردن ماهواره‌های هسته‌ای پرقدرت نیز دشوار است زیرا می‌توان مسیر حرکت آنها را به‌طور غیرمنتظره‌ای تغییر داد.

دارپا در یک بیانیه مطبوعاتی اعلام کرد که دراکو قصد دارد تا سال 2025 یک سیستم پیشرانش حرارتی هسته ای (NTP) را در مدار زمین به نمایش بگذارد و در صورت موفقیت، دارپا اولین موشک در نوع خود را پرتاب خواهد کرد. نصف کردن سفر ما را ممکن می کند. زمان در منظومه شمسی با توجه به اینکه پیشران حرارتی هسته ای هرگز در فضا آزمایش نشده است، این یک جدول زمانی بلندپروازانه است.

محدودیت های پیشرانه های الکتریکی و شیمیایی مانع از دستیابی آنها به سرعت مورد نیاز برای سفر به نقاط دوردست جهان می شود.

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

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

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

پیشران های یونی ایده جدیدی نیستند، اما یک راکتور هسته ای می تواند انرژی زیادی برای تامین انرژی حتی یک پنل خورشیدی بزرگ تولید کند. همچنین برای دشمنان ردیابی و غیرفعال کردن ماهواره های بدون پنل های خورشیدی برای مقاصد نظامی دشوارتر خواهد بود.

طراحی بسیاری از نیروگاه های هسته ای نیازمند فرآیند شکافت اتم های مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای زمینی است. 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 هسته ای است که گرمای تولید شده از فروپاشی هسته ای را به برق تبدیل می کند.

عملکرد باتری هسته ای از نوع RTG با پارامترهای هسته ای ساده است. اکثر این باتری ها از یک ترموکوپل برای تبدیل گرمای حاصل از فروپاشی هسته ای به انرژی پتانسیل الکتریکی استفاده می کنند. یک محفظه جامد از مواد رادیواکتیو تشکیل شده است که در آن ترموکوپل ها در اطراف دیواره های محفظه قرار می گیرند و انتهای دیگر ترموکوپل به خنک کننده متصل می شود. پوسیدگی هسته های سوخت هسته ای گرمایی تولید می کند که از طریق ترموکوپل به خنک کننده جریان می یابد که الکتریسیته تولید می کند.

این نوع «باتری هسته» مدت‌هاست برای کاوش در صاعقه‌هایی که به 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 گرمای متوسط ​​وات آزاد شده توسط فروپاشی ایزوتوپ های رادیواکتیو استفاده می کند.

پلوتونیوم-238، محصول جانبی توسعه تسلیحات، توسط ناسا برای نیرو دادن به 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 کرد. با این حال، پلوتونیوم-238 بسیار تنظیم شده است و فاقد ذخیره سازی است، و با نیمه عمر 87.7 سال، گرمای تولید شده توسط واپاشی رادیواکتیو 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 قصد دارد RTG را با نیروی محرکه و همچنین تجهیزات الکترونیکی داخل هواپیما و ماهواره هایی به اندازه یک ماشین لباسشویی تامین کند.

با این حال، ارسال تجهیزات هسته ای به ویژه راکتورها به فضا چقدر ایمن است؟ ناتان گرینر، رئیس 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 می گوید که چنین رویدادی خطری بیشتر از انفجار یک فضاپیما معمولی ندارد، زیرا راکتور در آن نقطه روشن نمی شود و هیچ خطر رادیولوژیکی ناشی از سوخت اورانیوم آن وجود نخواهد داشت.

با این حال، اگر رآکتور هسته ای به اقیانوس بیفتد، مشکل بزرگتر می شود. آب می‌تواند شروع یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را تحریک کند که در آن اتم‌های اورانیوم شکافت می‌شوند و نوترون‌هایی آزاد می‌کنند که می‌توانند باعث شکافت اتم‌های اورانیوم بیشتری شوند.

اگر این واکنش زنجیره ای کنترل نشود، می تواند منجر به ذوب شود. به همین دلیل است که دراکو به گونه ای پیکربندی شده است که رشته های ساخته شده از بور حتی در صورت غوطه ور شدن در آب در جای خود باقی می مانند. بور در راکتورهای هسته ای برای کنترل یا حتی جلوگیری از شکافت هسته ای استفاده می شود.

خطر دیگر، ورود مجدد تصادفی به محیط است. اتحاد جماهیر شوروی حداقل 33 ماهواره جاسوسی با راکتورهای هسته ای برای تولید انرژی به فضا پرتاب کرد. در یک حادثه، راکتور ماهواره‌ای به نام Cosmos 954 نتوانست به اندازه کافی بالا برود تا در پایان مأموریت خود به مدار دافعه برسد.

هنگامی که Kosmos 954 در سال 1978 از هم پاشید، قطعاتی از آن در جو زمین بر فراز کانادا افتاد. تابیتا داجسون، مهندس ارشد دراکو، می‌گوید که رآکتور هسته‌ای دارپا در مدارهای پایین پرواز نمی‌کند 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 کوسموس 954 شوروی اورانیوم 235 با مقدار غنی سازی 90 درصد بود که در بمب اتمی منفجر شده در هیروشیما در سال 1945 استفاده شد.

با توجه به پتانسیل خطرناک چنین سوخت هایی برای استفاده دوگانه، دانشمندان با بوروکراسی سخت، تاخیرهای طولانی و هزینه های هنگفت در ساخت رآکتورهای هسته ای مواجه شده اند.

با این حال، مدل‌سازی رایانه‌ای بهبود یافته در سال‌های اخیر به دانشمندان این امکان را داده است که رآکتورهایی 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 سلاح های هسته ای است. بنابراین، محدودیت های دولت در استفاده از آن اورانیوم سختگیرانه تر خواهد بود.

این فقط ایالات متحده نیست که برای پیشرفت سپاه فضایی تلاش می کند. چین و روسیه همچنین در حال توسعه انرژی هسته ای برای استفاده در فضا هستند و در سال های اخیر ناوگانی از شاتل های فضایی هسته ای را ساخته و آزمایش کرده اند. روسیه در حال طراحی فضاپیمایی به نام زئوس است که مجهز به راکتور هسته ای خواهد بود. انتظار می رود آژانس فضایی روسیه (روسکاسموس) 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 دارد 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 بالقوه به مریخ در دهه 2030 آزمایش کند.

ناسا همچنین می خواهد یک نیروگاه هسته ای با قابلیت تولید برق تا پایان این دهه راه اندازی کند. پیشنهادات برای تولید 10 کیلووات نیرو در فضا تا اواسط فوریه به آژانس فضایی خواهد رسید. این بدان معناست که فضا وارد دوران اولیه خود می شود.