المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة النووية: لماذا عادت أحلام الصواريخ الذرية إلى الظهور؟

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="الذهاب النووية سيستخدم صاروخ DRACO الأمريكي الحرارة الناتجة عن مفاعل انشطاري لدفعه إلى الفضاء. (بإذن من: شركة لوكهيد مارتن)”>

في عام 1914 نشر هربرت جورج ويلز العالم مجموعة الحرة، رواية مبنية على فكرة أن الراديوم قد يتمكن يومًا ما من تشغيل سفن الفضاء. كان ويلز على دراية بعمل الفيزيائيين مثل إرنست رذرفورد، وكان يعلم أن الراديوم يمكن أن ينتج الحرارة وتصور استخدامه لتشغيل التوربينات. ربما كان الكتاب عملاً خياليًا، لكن العالم مجموعة الحرة لقد توقع بشكل صحيح إمكانات ما يمكن أن نسميه "سفن الفضاء الذرية".

ترسخت فكرة استخدام الطاقة النووية للسفر إلى الفضاء في خمسينيات القرن الماضي عندما أصبح عامة الناس - بعد أن شهدوا فظائع هيروشيما وناجازاكي - مقتنعين تدريجياً بفائدة الطاقة النووية للأغراض السلمية. بفضل برامج مثل أمريكا الذرة من أجل السلامبدأ الناس يرون أنه يمكن استخدام الطاقة النووية في الطاقة والنقل. ولكن ربما كان التطبيق الأكثر جذرية يكمن في رحلات الفضاء.

من بين أقوى مؤيدي السفر إلى الفضاء بالطاقة النووية كان عالم الفيزياء الرياضية البارز فريمان دايسون. وفي عام 1958، حصل على إجازة لمدة عام من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون للعمل في شركة جنرال أتوميكس في سان دييغو في مشروع يحمل الاسم الرمزي أوريون. وهي من بنات أفكار تيد تايلور ــ الفيزيائي الذي عمل في مشروع القنبلة الذرية في مانهاتن في لاس ألاموس ــ مشروع اوريون تهدف إلى بناء مركبة فضائية تزن 4000 طن تستخدم 2600 قنبلة نووية لدفعها إلى الفضاء.

إن إسقاط قنابل ذرية من الجزء الخلفي من مركبة فضائية يبدو جنونًا لأسباب بيئية، لكن دايسون قدر أن 0.1 إلى 1 أمريكي فقط سيصابون بالسرطان من هذه الطريقة. وقد تم دعم المشروع من قبل خبير الصواريخ فيرنر فون براونوتم تنفيذ سلسلة من الرحلات التجريبية غير النووية. ولحسن الحظ، معاهدة الحظر الجزئي للتجارب النووية عام 1963 وضع حدًا لمشروع أوريون، وسحب دايسون نفسه لاحقًا دعمه للمركبات الفضائية الذرية بعد أن أدرك متأخرًا مخاطرها البيئية.

على الرغم من انتهاء مشروع أوريون، إلا أن إغراء الدفع النووي لم يختفِ أبدًا (انظر الإطار «السفر النووي إلى الفضاء: تاريخ موجز»)، وهو الآن يتمتع بشيء من الانتعاش. ولكن بدلاً من استخدام القنابل الذرية، تتمثل الفكرة في نقل الطاقة من مفاعل الانشطار النووي إلى الوقود الدافع، والذي سيتم تسخينه إلى ما يقرب من 2500 كلفن وإخراجه عبر فوهة في عملية تسمى "الدفع الحراري النووي" (NTP). . وبدلاً من ذلك، يمكن للطاقة الانشطارية أن تؤين الغاز الذي سيتم إطلاقه من الجزء الخلفي من المركبة الفضائية - وهو ما يعرف باسم "الدفع الكهربائي النووي" (NEP).

إذن، هل يعد السفر إلى الفضاء باستخدام الطاقة النووية احتمالا واقعيا، وإذا كان الأمر كذلك، فما هي التكنولوجيا التي قد تكون لها الغلبة؟

التعزيز النووي

يتم تشغيل معظم الصواريخ التقليدية بالوقود الكيميائي العادي. ال صاروخ ساتورن الخامس على سبيل المثال، استخدمت الصواريخ التي نقلت رواد الفضاء إلى القمر في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات الوقود السائل، في حين أن معززات الصواريخ التي تعطلت بشكل مذهل أثناء إطلاق المكوك الفضائي Challenger في عام 1986 تحتوي على الوقود الصلب.

وفي الآونة الأخيرة، صواريخ فالكون التابعة لشركة Space Xعلى سبيل المثال، استخدمت مزيجًا من الكيروسين والأكسجين. المشكلة هي أن جميع أنواع الوقود الدفعي هذه لديها "كثافة طاقة" صغيرة نسبيًا (الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم) و"دفعة محددة" منخفضة (الكفاءة التي يمكنها من خلالها توليد الدفع). وهذا يعني أن الدفع الإجمالي للصاروخ - الدفعة النوعية مضروبة في معدل التدفق الكتلي للغاز العادم وجاذبية الأرض - منخفض.

وبالتالي، لا يمكن للوقود الكيميائي أن يوصلك إلى مسافة بعيدة، مع كون القمر هو الحد التقليدي. للوصول إلى الكواكب البعيدة وغيرها من وجهات "الفضاء السحيق"، عادة ما تستغل المركبات الفضائية قوة الجاذبية لكواكب متعددة مختلفة. ومع ذلك، فإن مثل هذه الرحلات غير مباشرة وتستغرق وقتا طويلا. على سبيل المثال، كانت هناك حاجة إلى مهمة جونو التابعة لناسا خمس سنوات للوصول إلى كوكب المشتري، بينما استغرقت مركبة فوييجر أكثر من 30 عامًا للوصول إلى كوكب المشتري حافة النظام الشمسي. مثل هذه المهام مقيدة أيضًا بنوافذ الإطلاق الضيقة والنادرة.

بدلًا من ذلك، ستستخدم المركبة الفضائية النووية الطاقة الانشطارية لتسخين الوقود (الشكل 1) - على الأرجح الهيدروجين السائل المخزن بالتبريد، والذي يتمتع بكتلة جزيئية منخفضة وحرارة احتراق عالية. يقول: "يمكن للدفع النووي، سواء كان كهربائيًا أو حراريًا، أن يستخرج طاقة من كتلة معينة من الوقود أكبر مما يمكن تحقيقه عن طريق الدفع القائم على الاحتراق". ديل توماس، المدير المساعد السابق في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا، والآن في جامعة ألاباما في هانتسفيل.

يقول توماس أن أنظمة الدفع الكيميائي الأكثر كفاءة اليوم يمكنها تحقيق دفعة محددة حوالي 465 ثانية. في المقابل، يمكن أن يكون لـ NTP نبضة محددة تبلغ حوالي 900 ثانية بسبب كثافة الطاقة العالية للتفاعلات النووية. إلى جانب نسبة الدفع إلى الوزن الأعلى بكثير، يمكن لـ NTP إرسال صاروخ إلى المريخ في 500 يوم فقط، بدلاً من 900 يوم.

يقول: "إن نسبة الدفع إلى الوزن أمر بالغ الأهمية لأنها تحدد قدرة المركبة الفضائية على التسارع، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص خلال مراحل المهمة الرئيسية، مثل الهروب من جاذبية الأرض أو المناورة في الفضاء السحيق". ماورو أوجيليرئيس أنظمة الإطلاق في وكالة الفضاء البريطانية. "من ناحية أخرى، فإن الدافع المحدد هو مقياس لمدى فعالية الصاروخ في استخدام وقوده الدافع."

يمكن للدفع النووي، سواء كان كهربائيًا أو حراريًا، أن يستخرج طاقة من كتلة معينة من الوقود أكبر مما يمكن تحقيقه عن طريق الدفع القائم على الاحتراق

ديل توماس، جامعة ألاباما في هانتسفيل

بشكل أساسي، بالنسبة لكمية معينة من الوقود الدافع، يمكن للمركبة الفضائية التي تعمل بالطاقة النووية أن تسافر بشكل أسرع وتحافظ على قوة دفعها لفترات أطول من الصاروخ الكيميائي. لذلك سيكون أمرًا رائعًا بالنسبة للبعثات المأهولة إلى المريخ، فلن يقتصر الأمر على حصول رواد الفضاء على رحلة أسرع، ولكن نتيجة لذلك، سيتعرضون لإشعاع كوني أقل. ويضيف أوجيلي: "علاوة على ذلك، فإن فترات المهمة الأقصر تقلل من التحديات اللوجستية وتحديات دعم الحياة، مما يجعل استكشاف الفضاء السحيق أكثر جدوى وأمانًا".

لكن الطاقة النووية لا تقتصر على تقليص زمن الرحلات فحسب. ناسا لديها أيضا برنامج مخصص في جلستيها مركز جلين للأبحاث في كليفلاند، أوهايو، لاستخدام الانشطار النووي ــ بدلا من الطاقة الشمسية أو الوقود الكيميائي ــ لتشغيل المركبات الفضائية بمجرد وصولها إلى وجهتها. يقول مدير البرنامج: "توفر الطاقة النووية فوائد فريدة للعمل في البيئات والمناطق القاسية في الفضاء حيث تكون الأنظمة الشمسية والكيميائية إما غير كافية أو مستحيلة كمصادر للطاقة للتشغيل الممتد". ليندسي كالدون.

العودة في العمل

في عام 2020، أعادت حكومة الولايات المتحدة مسألة المركبات الفضائية النووية بقوة إلى جدول أعمالها منح ما يقرب من 100 مليون دولار إلى ثلاث شركات – جنرال أتوميكس، ولوكهيد مارتن، وبلو أوريجين. سوف يستخدمون المال للعمل على صاروخ مظاهرة لعمليات Agile Cislunar برنامج (DRACO) الذي يتم تمويله عن طريق DARPA وكالة أبحاث تابعة لوزارة الدفاع الأمريكية. في المرحلة الأولىستهدف الشركات إلى إظهار إمكانية استخدام NTP لتحليق صاروخ فوق مدار أرضي منخفض، حيث تهدف DARPA إلى تحقيق نسب الدفع إلى الوزن على قدم المساواة مع أنظمة الصواريخ الكيميائية الحالية.

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="الطاقة عند الطلب يمكن لنظام الطاقة السطحية الانشطارية مثل هذا أن يوفر طاقة كهربائية آمنة وفعالة وموثوقة على القمر والمريخ. (بإذن من وكالة ناسا)” title=”انقر لفتح الصورة في النافذة المنبثقة” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -الصواريخ-تعود-إلى-فيزياء-العالم-3.jpg”>

تابيثا دودسونيعتقد مدير برنامج DRACO في DARPA أن الإطلاق الناجح والتحليق لمفاعل فضائي نووي بواسطة برنامج DRACO من شأنه أن يحدث ثورة في رحلات الفضاء. وتقول: "خلافًا للأنظمة الكيميائية الحالية، التي وصلت إلى الحد الأقصى في مدى قدرتها على التطور، فمن المفترض أن تتطور التقنيات النووية إلى أنظمة مثل الاندماج النووي وما بعده". "إن المركبات الفضائية التي تم تطويرها ليتم مناورتها وتشغيلها بواسطة المفاعلات النووية ستمكن البشرية من الذهاب إلى أبعد من ذلك، مع وجود فرصة أكبر للبقاء والنجاح لأي نوع من المهام."

في برنامج DRACO، ستقوم شركة General Atomics بتصميم مفاعل NTP ووضع مخطط لنظام فرعي للدفع، في حين ستقوم Blue Origin وLockheed Martin بتخطيط المركبة الفضائية نفسها. سيستخدم مفاعل الانشطار خاصًا يورانيوم منخفض التخصيب عالي المقايسة (HALEU)، والتي يمكن تصنيعها باستخدام الوقود المعاد تدويره من المفاعلات النووية الموجودة. فهو يحتوي على يورانيوم مخصب بنسبة 20% فقط، وهو غير مناسب لتحويله إلى أسلحة نووية.

لن يتم تشغيل المفاعل (أي في حالة حرجة) حتى تصل المركبة إلى مدار "آمن نوويًا". وفي حالة حدوث حالة طوارئ غير محتملة، فإن أي تلوث، بعبارة أخرى، سيتبدد في الفضاء دون ضرر. وقد انضمت شركة لوكهيد مارتن بالفعل إلى بوكس تكنولوجيز في لينشبورج، فيرجينيا، لتطوير المفاعل وإنتاج وقود هاليو. تقول BWX أنه يمكن إطلاق صاروخ DRACO في أقرب وقت 2027.

محركات الصواريخ التي تتنفس الهواء: مستقبل الرحلات الفضائية

في مكان آخر، الباحثون في مختبر أيداهو الوطني في الولايات المتحدة تساعد وكالة ناسا على تطوير واختبار المواد اللازمة لصاروخ نووي في طاقتها اختبار المفاعل العابر (علاج) منشأة بالقرب من أيداهو فولز. لقد أجروا بالفعل تدريبًا عمليًا في العام الماضي للتحقق من صحة نماذج الكمبيوتر واختبار جهاز استشعار جديد وكبسولة تجربة. على المدى الطويل، الهدف هو تحديد المواد والهياكل المركبة ومركبات اليورانيوم التي تعمل بشكل أفضل في الظروف شديدة الحرارة لمفاعل NTP.

ستؤدي الحرارة المنبعثة من المفاعل إلى تسخين وقود الهيدروجين، الذي يوفر أكبر تغيير في السرعة - وهو ما يسميه علماء الصواريخ Δv - لكتلة معينة. الجانب السلبي للهيدروجين هو أنه ذو كثافة منخفضة وسيحتاج الصاروخ إلى خزانات كبيرة. أما أنواع الوقود الدافعة الأخرى، مثل الأمونيا، فهي تحتوي على Δ أقلv لكل كيلوغرام من الوقود الدافع، ولكنها أكثر كثافة. وفي هانتسفيل، أظهر توماس أن الأمونيا ستكون الوقود المثالي لنقل علماء الفلك إلى المريخ من وكالة ناسا. بوابة القمر – محطة فضائية تدور حول القمر.

وقد نشرت مراجعة لتقنية NTP بالنسبة للمعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية في عام 2020، خلص توماس إلى أن أنظمة NTP العادية، التي توفر الكثير من الدفع لحروق قصيرة مدتها حوالي 50 دقيقة، ستكون مثالية للتحليق ومهام الالتقاء. ولكن هناك أيضًا أنظمة "ثنائية النموذج"، تجمع بين NTP وNEP (انظر الإطار "تحديات الدفع الكهربائي النووي"). يوفر الأول دفعات سريعة من الدفع العالي بينما ينتج الأخير دفعًا منخفضًا لفترات أطول - مما يجعله مثاليًا للمهام الطويلة ذهابًا وإيابًا.

كيت هاجرتي كيلييقول، مدير الفضاء والهندسة في شركة BWX Technologies، إن الدفع الحراري النووي الإجمالي يمكن أن يكون أكثر كفاءة من أنظمة الدفع الكيميائي بمرتين إلى خمس مرات، بينما يوفر أيضًا قوة دفع عالية. "[في المقابل]، يمكن لأنظمة الدفع الكهربائية النووية توفير كفاءات أعلى ولكن دفعًا أقل، ويمكن تحويل الطاقة المولدة من خلال الانشطار النووي إلى كهرباء لتوفير الطاقة للأنظمة الفرعية على متن المركبة الفضائية."

فهل سيكون NTP أو NEP أفضل لعمليات الفضاء السحيق؟ ووفقا لتوماس، فإن الأمر سيعتمد على نوع المهمة. "بالنسبة للمهمات من فئة معينة - مثل المركبات الفضائية العلمية التي تزيد كتلتها عن كتلة معينة - أو المهام المأهولة، أو لوجهات معينة، سيكون NTP هو الخيار الأفضل، بينما سيكون NEP هو الأفضل للبعثات الأخرى. مثل رحلة السيارة، يعتمد الأمر على المسافة، وحجم الأمتعة التي تحملها، ومتطلبات جدولك الزمني وما إلى ذلك.

المستقبل النووي

تدرس وكالة ناسا بالفعل عدة مهمات فضائية تعمل بالطاقة النووية. وفق تقرير صدر في يونيو 2021، يمكن أن تشمل هذه المركبات التي ستدور حول أقمار مختلفة لأورانوس والمشتري، وغيرها من المركبات التي ستدور حول قمر نبتون تريتون وتهبط عليه. ويتصور التقرير أيضًا دخول صاروخ يعمل بالطاقة النووية إلى مدار قطبي حول الشمس وربما حتى مهمة في الفضاء بين النجوم.

في التحليل النهائي، سيكون الدفع النووي من نوع ما - سواء بمفرده أو بالاشتراك مع نوع آخر من الدفع - جزءًا مهمًا من الجهود الفضائية المستقبلية للبشرية. ونظرًا لأن وكالة ناسا ووكالة الفضاء البريطانية ووكالة الفضاء الأوروبية تتطلع جميعها إلى رحلات فضائية تعمل بالطاقة النووية، فإنني أراهن على أن أولى البعثات المأهولة إلى المريخ ستستخدم شكلاً من أشكال هذه التكنولوجيا بحلول ثلاثينيات القرن الحالي. أنا متأكد من أن حلم فريمان دايسون قد يرى النور قريبًا.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/