استفاده از انرژی اتم شکافته شده برای راکتورهای هسته‌ای که به فضا سفر می‌کنند گامی مهم در عرصه فضانوردی خواهد بود.
مدتی است که آژانس‌های فضایی که به دنبال فراهم کردن مقدمات زندگی انسان در فضا هستند به این فکر افتاده اند که با ساخت راکتورهای هسته‌ای بخشی از انرژی مورد نیاز خود را از راه سوخت هسته‌ای تامین کنند.
به گزارش ساینتیفیک امریکا، انسان همواره به دنبال یافت نشانه‌هایی برای حیات دور از زمین، چه در خلأ و چه در جهان دیگر است. جریان ثابت و قوی الکتریسیته برای کار با کامپیوتر‌ها و موتور‌ها به همان اندازه که اطمینان از دسترسی به نیازهای بدنی مانند نور و گرما، هوای قابل تنفس و آب آشامیدنی و تهیه یا حتی رشد غذا مهم است، ضروری بوده و یکی از قوی‌ترین و مطمئن‌ترین راه‌ها برای به دست آوردن حجم مورد نیاز کیلووات برای ادامه حیات، از طریق شکافت هسته‌ای است؛ چیزی که فضانوردان مشتاق مدت‌ها قبل از اینکه کسی به فضا برسد یا سلاح‌های هسته‌ای را توسعه دهد، به آن پی برده‌اند.
با وجود گذشت بیش از ۶۰ سال از عصر فضا، شکافت هسته‌ای برای پرواز‌های فضایی بیشتر در حد یک رویا باقی مانده است. با این حال، اکنون، در حالی که ناسا برنامه آرتمیس آپولو خود را برای ساختن یک پاسگاه خدمه ماه دنبال می‌کند، یک گروه همسوی نادر فعال در زمینه فناوری در آستانه ساخت رآکتور‌های هسته‌ای فضایی است.
در سال ۲۰۲۰، کاخ سفید به ناسا مهلتی ۱۰ ساله داد تا یک سیستم انرژی هسته‌ای ۱۰ کیلوواتی را به سطح ماه تحویل دهد. این پروژه اکنون اولویت اصلی اداره ماموریت فناوری فضایی آژانس است و در ژوئیه ۲۰۲۱، متصرفان کنگره ۱۱۰ میلیون دلار برای ناسا برای پیشبرد توسعه یک موشک هسته‌ای جدید مناسب برای ارسال محموله و خدمه در سفر‌های بین سیاره‌ای اختصاص دادند.
دلیل این فوریت ناگهانی ساده است: بدون انرژی هسته‌ای، رسیدن به هدف اعلام شده آژانس فضایی مبنی بر ایجاد پایگاه در ماه تا پایان دهه دشوار و یا حتی غیر ممکن می‌شود.
استفاده از راکتورهای هسته‌ای در فضا چقدر پیچیده است؟
با کمال تعجب، هیچ پیشرفت فناوری اساسی برای ساخت یک راکتور هسته‌ای برای کاربرد‌های پرواز فضایی مورد نیاز نیست. در حالت ایده‌آل، می‌توان از قدرت اتم نه تنها برای مأموریت‌های خدمه به ماه و مریخ، بلکه برای اکتشاف روباتیک در سراسر منظومه شمسی نیز استفاده کرد.
مایکل هوتس، مدیر تحقیقات هسته‌ای در مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا، می‌گوید: «هدف این است که مطمئن شویم آنچه در ماه از دیدگاه راکتور شکافت استفاده می‌کنیم، مستقیماً برای استفاده در سطح مریخ نیز قابل استفاده است».
این راکتورهای شکافت به طور کامل با ژنراتور‌های ترموالکتریک رادیو ایزوتوپی (RTGs) مریخ نورد‌های ناسا، مأموریت افق‌های جدید به پلوتون و فراتر از آن و فضاپیمای وویجر که اکنون در فضای بین ستاره‌ای است، متفاوت است. RTGها فقط گرمای آزاد شده از پلوتونیوم در حال پوسیدگی طبیعی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. راکتورهای شکافت بسیار قدرتمندتر و همه کاره‌تر هستند و اتم‌های سوخت اورانیوم را جدا می‌کنند و انرژی آزاد شده را به نیروی محرکه و تولید برق تبدیل می‌کنند.
هدف فعلی ناسا برای مأموریت مریخ، یک سفر رفت و برگشت حدوداً دو ساله را می‌طلبد که در آن نیروی محرکه هسته‌ای یک عامل حیاتی خواهد بود. علاوه بر افزایش تعداد فرصت‌های پرواز برای یک ماموریت خدمه، تعداد پرواز‌های لازم برای دریافت سوخت احتمال چنین سفری از مدار زمین را کاهش می‌دهد.
نیازهای سوختی، یکی از مهم ترین مسائل پیش روی حیات انسان در فضا
نیازهای سوختی مسئله قابل توجهی است. ایستگاه فضایی بین‌المللی، که به سختی از طریق بیش از سه دوجین پرتاب در طول یک دهه ساخته شده است، تقریباً ۴۲۰ تن متریک است. یک سیستم رانش شیمیایی لازم برای یک سفر رفت و برگشت به مریخ به کار بسیار پرهزینه‌ای نیاز دارد که بیش از دو برابر تا تقریباً ۱۰ برابر بیشتر از زمین فاصله داشته باشد. در نظر بگیرید که قدرتمندترین موشک ناسا یعنی سیستم پرتاب فضایی (SLS) که هنوز حتی پرواز نکرده قرار است تنها ۹۵ تن متریک را به فضا با قیمت ۲ میلیارد دلار در هر پرتاب حمل کند. اگر زمانی که SLS توسط موشک‌های توانمندتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر مانند موشک‌های در حال توسعه اسپیس ایکس و استارشیپ با قابلیت استفاده مجدد جایگزین شود، این محدودیت جرمی تک پرتابی به بیش از ۱۰۰ تن متریک افزایش می‌یابد و قیمت هر پرتاب باید افزایش یابد.
در مقابل، یک ماموریت مشابه مریخ با استفاده از نیروی محرکه هسته‌ای نیاز به ارسال جرم کلی بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ تن متریک دارد؛ که پرتاب معادل یک ایستگاه فضایی برای آن قابل قبول است.
پیشرانه حرارتی هسته‌ای یا پیشرانه الکتریکی هسته‌ای؟ مسئله این است!
ناسا در حال حاضر ساخت دو کلاس از موشک‌های اتمی را دنبال می‌کند: پیشرانه حرارتی هسته‌ای و پیشرانه الکتریکی هسته ای. هر یک از این رویکرد‌ها می‌تواند با انرژی سطح هسته‌ای جفت شود و این سومین فناوری شکافت کلیدی است که توسط آژانس فضایی مورد مطالعه قرار گرفته است.
پیشرانه حرارتی هسته‌ای که در مقیاس بین سیاره‌ای اجرا می‌شود، اساساً یک کشتی یا مرحله انتقال است یعنی یک موشک هسته‌ای کوچک‌تر که قبل از فشار دادن محموله پرتاب جداگانه خود به سمت دیگر، با سایر عناصر حمل‌ونقل در مدار متصل می‌شود. چنین آرایشی بسیار شبیه یک سیستم رانش شیمیایی عمل می‌کند، اگرچه محفظه احتراق با یک راکتور هسته‌ای جایگزین می‌شود که یک پیشرانه برودتی را گرم می‌کند و آن را منفجر می‌کند. نازل برای تولید نیروی رانش این فرآیند، که از بیرون مشاهده می‌شود، تقریباً یکسان به نظر می‌رسد: یک موتور موشک در حال انفجار.
از سوی دیگر، نیروی محرکه هسته‌ای مانند نیروگاه هسته‌ای روی زمین عمل می‌کند، که در آن از واکنش‌های شکافت برای تولید برق استفاده می‌شود. این الکتریسیته، به نوبه خود، می‌تواند یک سیستم پیشرانه الکتریکی مشابه رانشگر‌های یونی خورشیدی در فضاپیمای ناسا که سیارک وستا و سیاره کوتوله سرس را کاوش کرده، نیرو دهد.
برای هر رویکرد معاوضه‌هایی وجود دارد. بزرگ‌ترین چالش پیشرانه حرارتی هسته‌ای این است که راکتوری با کارایی بالا است که در دمای بالا کار می‌کند و به حدود ۲۵۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این راکتور همچنین به حجم عظیمی از پیشرانه برودتی نیاز دارد که احتمالاً از مخازن ذخیره‌سازی در مدار که چالش‌های مهندسی عمده‌ای را به همراه دارند، تامین می‌شود. اما شدت متمرکز رویکرد مثبتی دارد: هوتس می‌گوید: «سیستم پیشرانه فقط باید چند ساعت کار کند. شما همه کار خود را خیلی سریع انجام می‌دهید. پس از آن، فضاپیما تمام سرعت مورد نیاز برای سفر به مریخ یا خانه را دارد.»
در همین حال، پیشرانه الکتریکی هسته‌ای در دما‌ها و سطوح قدرت پایین‌تر کار می‌کند، اما باید به طور مداوم برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها کار کند و در طول زمان سرعت‌های فوق‌العاده‌ای ایجاد کند. این یک سیستم پیچیده‌تر از همتای حرارتی خود از بسیاری جهات است؛ و کمتر توسعه یافته است: سطوح عملکرد محاسبه شده برای طراحی‌های کوتاه مدت بسیار کمتر از آن چیزی است که برای یک ماموریت خدمه به مریخ لازم است. نیروی تولید شده توسط راکتور یک سیستم پیشرانه الکتریکی هسته‌ای باید چندین بار تبدیل شود. با بقیه انرژی حرارتی باید به نحوی برخورد کرد، زیرا مفاهیم فعلی نیاز به رادیاتور‌های عظیم دارند تا گرمای اضافی را به فضا پراکنده کنند. فضاپیمای الکتریکی هسته‌ای همچنین به یک ضربه تند و کوتاه از یک سیستم رانش شیمیایی قدیمی برای کمک به فرار از مدار زمین و دیگری برای ورود و خروج از مدار مریخ نیاز دارد.
تاریخچه استفاده از انرژی هسته‌ای برای سفر به فضا
نیروی محرکه حرارتی هسته‌ای مزیت میراث غنی را نیز دارد: دولت ایالات متحده به ویژه وزارت دفاع از ابتدای عصر فضا به طرز نابسامانی تلاش کرده است تا این فناوری را به پرواز درآورد. یک تلاش جسورانه اولیه به تلاش نیروی هوایی در سال ۱۹۵۵ موسوم به پروژه مریخ نورد بازمی گردد، که به دنبال ساخت یک مرحله فوقانی حرارتی هسته‌ای برای موشک‌های بالستیک قاره پیما بود. اما محرکه شیمیایی برای این کار کافی بود، بنابراین روور جذب ناسا شد و در آنجا به برنامه موتور هسته‌ای برای کاربرد خودرو‌های موشکی (NERVA) تبدیل شد. در اواخر دهه ۱۹۵۰، وزارت دفاع آمریکا کار بر روی برنامه سیستم‌های انرژی کمکی هسته‌ای (SNAP) را آغاز کرد، تلاشی برای راه‌اندازی راکتورهای هسته‌ای فضایی برای تامین انرژی ماموریت‌های طولانی‌مدت مانند ماهواره‌های جاسوسی.
هر دو پروژه به نتایج چشمگیری دست یافتند. اسنپ منجر به پرتاب SNAP-۱۰A توسط نیروی هوایی در سال ۱۹۶۵ شد یعنی تنها راکتور شکافت ایالات متحده که تاکنون به فضا فرستاده شده است. راکتور به مدت شش هفته در مدار کار کرد. در همین حال NERVA راکت‌های حرارتی هسته‌ای را با موفقیت بر روی زمین توسعه داده و آزمایش کرد؛ و این برنامه برای مدتی در برنامه‌های ناسا پس از آپولو برای اکتشاف مریخ مطرح بود، اما دولت نیکسون در عوض تصمیم گرفت شاتل فضایی را دنبال کند و هر دو پروژه را در سال ۱۹۷۳ لغو کرد. NERVA برای مدت کوتاهی در اواخر دهه ۱۹۸۰ توسط یک تلاش تحت رهبری نیروی هوایی، برنامه نیروی محرکه حرارتی هسته‌ای فضایی دوباره احیا شد، اما در اوایل دهه ۱۹۹۰ علاقه به پیشبرد آن دوباره به پایان رسید.
تاریخ هدف تصوری ناسا در سال ۲۰۳۹ برای یک مأموریت سرنشین دار مریخ ممکن است بسیار دور به نظر برسد. این طرح آزمایشی می‌خواهد پرواز‌های باری با انرژی هسته‌ای شش سال زودتر، یعنی در سال ۲۰۳۳، آغاز شود تا مواد را در مریخ قرار دهند و به عنوان مسیر‌های خشک برای حمل و نقل خدمه عمل کنند. براگ سیتون می‌گوید: «ما باید آماده باشیم تا اولین سیستم خود را برای احراز صلاحیت با آن مأموریت‌های تامینی راه‌اندازی کنیم. در حالت ایده‌آل، طراحی‌های سخت‌افزاری برای یک پرواز در سال ۲۰۳۳ تا سال ۲۰۲۷ به اتمام می‌رسند. این بدان معناست که اکنون زمان اتخاذ تصمیم‌های حیاتی است، که یکی از آنها، مقایسه و انتخاب بین نیروی محرکه هسته‌ای حرارتی و الکتریکی هسته‌ای است.
براگ سیتون در پایان می‌گوید: «شما نمی‌توانید یک سیستم هسته‌ای را در یک یا دو سال توسعه دهید. هیچ یک از این‌ها دور از دسترس ما نیست. برای انجام آن فقط تمرکز زیادی لازم است.»
مسیری پر پیچ و خم برای فرستادن محموله‌های هسته‌ای به فضا
دریافت مجوز برای پرتاب مواد هسته‌ای به فضا، حداقل به اندازه ساخت یک راکتور یا موشک هسته‌ای آماده فضا چالش برانگیز است. این امر به ویژه در صورتی برجسته‌تر است که سیستم شکافت شما به اورانیوم بسیار غنی شده متکی باشد یعنی اورانیومی که از ۲۰ درصد یا بیشتر از ایزوتوپ شکافت پذیر اورانیوم ۲۳۵ تشکیل شده است. این در حالی است که تنها ۱ درصد از اورانیوم طبیعی زمین این شکل را دارد که مورد توجه طراحان کلاهک است. مهندسان فضاپیما در تلاش هستند تا آثار خود را تا حد امکان پر وزن و قدرتمند بسازند. هر چه سوخت هسته‌ای شما اورانیوم ۲۳۵ بیشتری داشته باشد، می‌توانید رآکتور خود را کوچک‌تر بسازید، به همین دلیل است که این مواد مشمول چنین مقررات سخت‌گیرانه‌ای هستند.
برای ناسا، حتی یک محموله هسته‌ای بدون اورانیوم بسیار غنی‌شده، موانع بزرگی برای رفع کردن دارد یعنی یک فرآیند تحلیل ایمنی هزارتویی که اغلب سازمان‌های فدرال دیگر را درگیر می‌کند و با تأیید یا رد پرتاب توسط مدیر ناسا به اوج خود می‌رسد. با این حال، اگر موشک حامل اورانیوم بسیار غنی شده باشد، تنها پس از مجوز رسمی از کاخ سفید می‌تواند پرتاب شود. سختگیری اضافی مرتبط با این بالاترین سطح تأیید می‌تواند به راحتی چندین سال و ده‌ها میلیون دلار به برنامه و بودجه پروژه اضافه کند.
پس با این تفاسیر باید راهی برای جلوگیری از استفاده اورانیوم بسیار غنی شده پیدا کرد که ممکن است مسیری بسیار سریعتر و ارزانتر به سکوی پرتاب را فراهم کند. در واقع، طرح‌های جدیدی برای راکتورهای پیشرفته با توان بالا وجود دارد که از مقادیر زیادی اورانیوم با غنای پایین به جای مقادیر کمی از مواد با غنای بالا استفاده می‌کنند. اما اینکه آیا ناسا در نهایت چنین رویکردی را برای اهداف هسته‌ای خود دنبال می‌کند یا نه، ممکن است به کار نهاد فدرال دیگری وابسته شود برای مثال آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی می‌خواهد یکی از این رآکتور‌های جدید را تا سال ۲۰۲۵ به فضا پرتاب کند تا به اثبات برسد.
تقسیم اتم‌ها، امن ترین راه برای پرواز به مریخ
نیروی محرکه هسته‌ای برای اکتشاف فضایی یک تلاش کل دولت است. حداقل، وزارت انرژی باید اورانیوم با غنای پایین بیشتری تولید کند. یکی از آژانس‌ها باید انبار‌های سوخت مداری را برای ارائه مأموریت‌های خروجی با پیشرانه‌های برودتی ایجاد کنند و باید راه‌های بهتر و ایمن‌تری برای انجام آزمایش‌های زمینی سیستم‌های پیش‌رانش در مقیاس بین سیاره‌ای بیابند و سپس ناسا باید موشک‌ها را بسازد.
اگر هیچ چیز دیگری نباشد، فشار امروزی برای انرژی هسته‌ای در فضا معیار مفیدی برای اندازه‌گیری جدیت جاه‌طلبی‌های ناسا و این کشور در ماه و مریخ است. با وجود تمام چالش‌های راه اندازی انرژی هسته‌ای برای پیش‌بردن افق به بیرون از زمین برای انسان‌ها در فضا، به سختی می‌توان ادعا کرد که پیشرانه شیمیایی، آزمایش‌شده و آسان‌تر است یا به‌طور قابل‌توجهی خطر فیزیکی و سیاسی کمتری را به همراه دارد. پرتاب ۱۰ ایستگاه فضایی بین‌المللی با ۲۷ پرتاب موشک فوق‌سنگین برای سوخت تنها برای یک مأموریت مریخ، سرعتی دشوار برای ناسا خواهد بود که بیش از ۴۰ پرتاب و حداقل ۸۰ میلیارد دلار هزینه بردار خواهد بود آن هم در شرایطی که آژانس به SLS متکی باشد.
همانطور که پولیاکوف گفت: "ما می‌توانیم به مریخ پرواز کنیم. " به نظر می‌رسد که تقسیم اتم‌ها اکنون امن‌ترین راه برای تحقق آن است.
