فضاپیمای هسته‌ای: چرا رویاهای موشک‌های اتمی دوباره روشن می‌شوند - دنیای فیزیک

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

پرتاب موشک به فضا با بمب اتمی یک ایده دیوانه کننده است که خوشبختانه چندین دهه پیش کنار گذاشته شد. اما همانطور که ریچارد کورفیلد کشف می کند، پتانسیل استفاده از انرژی موتورهای هسته ای برای هدایت سفرهای فضایی در دستور کار ناسا قرار گرفته است.

تصویری از موشک هسته ای DRACO که به سمت فضا می رود — **هسته ای شدن** موشک DRACO آمریکا از گرمای یک راکتور شکافت برای به حرکت درآوردن آن به فضا استفاده خواهد کرد. (با احترام: لاکهید مارتین)

در سال 1914 HG Wells منتشر شد جهانی تنظیم رایگان، رمانی مبتنی بر این تصور که رادیوم ممکن است روزی سفینه های فضایی را تامین کند. ولز که با کار فیزیکدانانی مانند ارنست رادرفورد آشنا بود، می دانست که رادیوم می تواند گرما تولید کند و تصور می کرد که از آن برای چرخاندن یک توربین استفاده شود. این کتاب ممکن است یک اثر داستانی باشد، اما جهانی تنظیم رایگان پتانسیل آنچه را که می توان «سفینه های فضایی اتمی» نامید به درستی پیش بینی کرد.

ایده استفاده از انرژی هسته ای برای سفرهای فضایی در دهه 1950 زمانی که عموم مردم - با مشاهده وحشت هیروشیما و ناکازاکی - به تدریج نسبت به کاربرد انرژی هسته ای برای اهداف صلح آمیز متقاعد شدند. با تشکر از برنامه هایی مانند آمریکا اتم برای صلح، مردم متوجه شدند که انرژی هسته ای می تواند برای انرژی و حمل و نقل استفاده شود. اما شاید رادیکال ترین کاربرد در پرواز فضایی باشد.

یکی از قوی ترین حامیان سفر فضایی با انرژی هسته ای، فیزیکدان برجسته ریاضی بود. فریمن دایسون. در سال 1958 او یک سال تعطیلی از موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون گرفت تا در جنرال اتمیکس در سن دیگو در پروژه ای با نام رمز Orion کار کند. زاییده فکر تد تیلور - فیزیکدانی که روی پروژه بمب اتمی منهتن در لاس آلاموس کار کرده بود - پروژه Orion هدف آن ساخت یک سفینه فضایی 4000 تنی بود که از 2600 بمب هسته ای برای به حرکت درآوردن آن به فضا استفاده می کرد.

انداختن بمب های اتمی از پشت فضاپیما از نظر محیطی دیوانه کننده به نظر می رسد، اما دایسون محاسبه کرد که "تنها" 0.1 تا 1 آمریکایی از این روش به سرطان مبتلا می شوند. این پروژه حتی توسط کارشناس موشک پشتیبانی می شد ورنر فون براونو یک سری پروازهای آزمایشی غیرهسته ای انجام شد. خوشبختانه، 1963 پیمان منع آزمایش جزئی به پروژه Orion پایان داد و خود دایسون بعداً پس از تشخیص دیرهنگام خطرات زیست محیطی فضاپیماهای اتمی، حمایت خود از فضاپیماهای اتمی را پس گرفت.

علیرغم پایان پروژه Orion، فریب پیشرانه هسته ای هرگز از بین نرفت (به کادر "سفر فضایی هسته ای: تاریخچه مختصر" مراجعه کنید) و اکنون از چیزی شبیه به تجدید حیات لذت می برد. با این حال، به جای استفاده از بمب‌های اتمی، ایده انتقال انرژی از یک راکتور شکافت هسته‌ای به سوخت پیشران است که تا حدود 2500 کلوین گرم می‌شود و از طریق یک نازل در فرآیندی به نام «پیش رانش حرارتی هسته‌ای» (NTP) به بیرون پرتاب می‌شود. . از طرف دیگر، انرژی شکافت می‌تواند گازی را که از پشت فضاپیما پرتاب می‌شود یونیزه کند – چیزی که به عنوان «پیش‌نشست الکتریکی هسته‌ای» (NEP) شناخته می‌شود.

بنابراین، آیا سفر فضایی با انرژی هسته‌ای یک چشم‌انداز واقعی است و اگر چنین است، کدام فناوری پیروز خواهد شد؟

سفر فضایی هسته ای: تاریخچه ای کوتاه

تصویری از دو فیزیکدان که در حال تصور استفاده از انرژی هسته ای برای راکت کردن موشک هستند — **رویاهای دیوانه** فیزیکدانان تد تیلور و فریمن دایسون تصور کردند که از بمب های هسته ای برای پرتاب یک فضاپیما به مدار استفاده می کنند. (با احترام: MIT/Laurent Taudin؛ www.unsitesurinternet.fr)

ایده پروازهای فضایی با انرژی هسته ای به دهه 1950 برمی گردد، زمانی که فیزیکدان فریمن دایسون پیشنهاد استفاده از بمب اتمی را برای پرتاب موشک به فضا داد. این تصور خوشبختانه و به سرعت کنار گذاشته شد، اما در دهه‌های 1960 و 1970، ناسا و کمیسیون انرژی اتمی ایالات متحده، موتور هسته ای برای کاربرد خودروهای موشکی برنامه (NERVA) که هدف آن استفاده از گرمای حاصل از یک واکنش شکافت برای به حرکت درآوردن یک موشک به فضا بود. اگرچه یک ماموریت هسته ای هرگز راه اندازی نشد، NERVA به پیشرفت های متعددی در طراحی راکتور، ساخت، توربوماشین آلات و الکترونیک منجر شد.

بعدها، در دهه 1980، ایالات متحده 200 میلیون دلار را راه اندازی کرد پیشرانه حرارتی هسته ای فضایی برنامه (SNTP) که به دنبال توسعه موشک های هسته ای بود که دو برابر موتورهای موشکی شیمیایی سنتی قدرتمندتر بودند. SNTP بخشی از ابتکار دفاع استراتژیک ایالات متحده بود که رئیس جمهور رونالد ریگان برای محافظت از آمریکا در برابر موشک های هسته ای وارده راه اندازی کرده بود. SNTP در اوایل دهه 1990 رها شد، زیرا عناصر سوخت تحت تنش تمایل به شکستگی داشتند و آزمایش سیستم پیشرانه بسیار گران تلقی می شد. با این حال، اکنون ناسا بار دیگر به سفر فضایی هسته ای نگاه می کند (متن اصلی را ببینید).

تقویت هسته ای

بیشتر موشک های معمولی با سوخت های معمولی و شیمیایی کار می کنند. را موشک Saturn V برای مثال، فضانوردان را در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970 به ماه بردند، از سوخت مایع استفاده کردند، در حالی که تقویت کننده های موشکی که در پرتاب شاتل فضایی به طرز شگفت انگیزی شکست خوردند. چلنجر (Challenger) در سال 1986 حاوی سوخت جامد بود.

اخیرا، موشک های فالکون اسپیس ایکسبه عنوان مثال، از ترکیبی از نفت سفید و اکسیژن استفاده کرده اند. مشکل اینجاست که همه این پیشرانه‌ها دارای «چگالی انرژی» نسبتاً کوچک (انرژی ذخیره‌شده در واحد حجم) و «تکانه ویژه» پایین (بازدهی که با آن می‌توانند نیروی رانش تولید کنند) دارند. این به این معنی است که رانش کلی موشک - ضربه خاص ضربدر سرعت جریان جرمی گازهای خروجی و گرانش زمین - کم است.

بنابراین پیشران های شیمیایی فقط می توانند شما را تا این حد پیش ببرند، در حالی که ماه حد سنتی است. برای رسیدن به سیارات دور و دیگر مقاصد «عمیق فضا»، فضاپیماها معمولاً از کشش گرانشی چندین سیاره مختلف بهره می برند. با این حال، چنین سفرهایی مداری هستند و زمان زیادی می‌برند. برای مثال، ماموریت جونو ناسا مورد نیاز است پنج سال برای رسیدن به مشتری، در حالی که کشتی وویجر بیش از 30 سال طول کشید تا به مشتری برسد لبه منظومه شمسی. چنین ماموریت هایی نیز توسط پنجره های پرتاب باریک و نادر محدود می شوند.

یک فضاپیمای هسته ای به جای آن از انرژی شکافت برای گرم کردن سوخت استفاده می کند (شکل 1) - به احتمال زیاد هیدروژن مایع ذخیره شده به صورت برودتی، که جرم مولکولی کم و گرمای احتراق بالایی دارد. پیشرانه هسته‌ای، اعم از الکتریکی یا حرارتی، می‌تواند انرژی بیشتری را از یک جرم معین سوخت نسبت به نیروی محرکه مبتنی بر احتراق استخراج کند. دیل توماس، معاون سابق مدیر مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا، اکنون در دانشگاه آلاباما در هانتسویل.

1 در داخل یک فضاپیمای هسته ای

یک نمودار شماتیک که اجزای یک موشک حرارتی هسته ای را نشان می دهد — (با احترام: ناسا)

در موشکی که از نیروی محرکه حرارتی هسته ای استفاده می کند، یک سیال در حال کار، معمولاً هیدروژن مایع، در یک راکتور هسته ای تا دمای بالا گرم می شود و سپس از طریق یک نازل منبسط می شود تا نیروی رانش ایجاد کند. با ارائه سرعت اگزوز موثر بالاتر، چنین موشکی ظرفیت بار را در مقایسه با پیشرانه های شیمیایی که انرژی را در داخل ذخیره می کنند، دو یا سه برابر می کند.

توماس می گوید که کارآمدترین سیستم های پیشران شیمیایی امروزی می توانند به یک تکانه خاص حدود 465 ثانیه در مقابل، NTP به دلیل چگالی توان بالاتر واکنش‌های هسته‌ای، می‌تواند یک ضربه خاص تقریباً 900 ثانیه داشته باشد. همراه با نسبت رانش به وزن بسیار بالاتر، NTP می تواند یک موشک را تنها در 500 روز به مریخ برساند نه 900.

می‌گوید: «نسبت رانش به وزن بسیار مهم است، زیرا توانایی فضاپیما برای شتاب را تعیین می‌کند، که به‌ویژه در مراحل کلیدی مأموریت، مانند فرار از گرانش زمین یا مانور در اعماق فضا، حیاتی است». مائورو اوگلی، رئیس سیستم های پرتاب در آژانس فضایی بریتانیا. از سوی دیگر، تکانه خاص معیاری است برای اینکه یک موشک چگونه به طور موثر از پیشران خود استفاده می کند.

نیروی محرکه هسته‌ای، اعم از الکتریکی یا حرارتی، می‌تواند انرژی بیشتری از یک جرم معین از سوخت استخراج کند که از طریق پیشرانه مبتنی بر احتراق ممکن است.

دیل توماس، دانشگاه آلاباما در هانتسویل

اساساً، برای مقدار معینی از پیشران، یک فضاپیمای هسته‌ای می‌تواند سریع‌تر حرکت کند و نیروی رانش خود را برای مدت طولانی‌تری نسبت به یک موشک شیمیایی حفظ کند. بنابراین برای مأموریت‌های خدمه به مریخ بسیار عالی خواهد بود – نه تنها فضانوردان سفر سریع‌تری خواهند داشت، بلکه در نتیجه آن‌ها در معرض تشعشعات کیهانی کمتری قرار می‌گیرند. آگلی می‌افزاید: «به‌علاوه، مدت‌زمان کوتاه‌تر مأموریت، چالش‌های لجستیکی و پشتیبانی حیاتی را کاهش می‌دهد و کاوش در اعماق فضا را امکان‌پذیرتر و ایمن‌تر می‌کند».

اما انرژی هسته ای فقط کاهش زمان سفر نیست. ناسا همچنین دارای یک برنامه اختصاصی در آن مرکز تحقیقات گلن در کلیولند، اوهایو، برای استفاده از شکافت هسته ای – به جای انرژی خورشیدی یا سوخت های شیمیایی – برای تأمین انرژی فضاپیماها پس از رسیدن به مقصد. مدیر برنامه می‌گوید: «انرژی هسته‌ای مزایای منحصربه‌فردی را برای عملیات در محیط‌ها و مناطق شدید در فضا ارائه می‌کند که در آن سیستم‌های خورشیدی و شیمیایی به‌عنوان منابع انرژی برای عملیات طولانی‌مدت یا ناکافی یا غیرممکن هستند». لیندسی کالدون.

بازگشت به عمل

در سال 2020، دولت ایالات متحده، فضاپیمای هسته‌ای را محکم در دستور کار قرار داد تقریبا 100 میلیون دلار جایزه می دهد به سه شرکت - جنرال اتمیکس، لاکهید مارتین و بلو اوریجین. آنها از این پول برای کار روی آن استفاده خواهند کرد موشک نمایشی برای عملیات چابک سیسلونار برنامه (DRACO) که از طریق DARPA آژانس تحقیقاتی وزارت دفاع آمریکا در مرحله اولهدف این شرکت‌ها نشان دادن این است که NTP می‌تواند برای پرواز یک موشک بر فراز مدار پایین زمین مورد استفاده قرار گیرد، با هدف DARPA نسبت رانش به وزن همتراز با سیستم‌های موشکی شیمیایی موجود.

یک سیستم قدرت سطح شکافت — **انرژی بر حسب تقاضا** یک سیستم قدرت سطحی شکافت مانند این می تواند برق الکتریکی ایمن، کارآمد و قابل اعتماد را در ماه و مریخ فراهم کند. (با احترام: ناسا)

تابیتا دادسونمدیر برنامه DARPA برای DRACO، فکر می‌کند که پرتاب و پرواز موفقیت‌آمیز یک راکتور فضایی هسته‌ای توسط برنامه DRACO، انقلابی در پرواز فضایی خواهد بود. او می‌گوید: «برخلاف سیستم‌های شیمیایی امروزی که به حدی رسیده‌اند که تا چه حد می‌توانند تکامل پیدا کنند، فن‌آوری‌های هسته‌ای برای تکامل به سیستم‌هایی مانند همجوشی و فراتر از آن تئوری می‌شوند.» فضاپیماهایی که برای مانور و نیرو توسط رآکتورهای هسته‌ای تکامل یافته‌اند، بشریت را قادر می‌سازد تا دورتر برود و شانس بیشتری برای بقا و موفقیت برای هر نوع ماموریتی داشته باشد.

در برنامه DRACO، جنرال اتمیکس رآکتور NTP را طراحی کرده و طرحی را برای یک زیرسیستم پیشران ترسیم خواهد کرد، در حالی که Blue Origin و لاکهید مارتین خود فضاپیما را طراحی خواهند کرد. راکتور شکافت از یک دستگاه ویژه استفاده می کند اورانیوم کم غنای با سنجش بالا (HALEU)، که می تواند با استفاده از سوخت بازیافت شده از راکتورهای هسته ای موجود ساخته شود. تنها حاوی اورانیوم غنی شده 20 درصد است و برای تبدیل شدن به سلاح هسته ای مناسب نیست.

راکتور تا زمانی که سفینه به مدار «ایمن هسته‌ای» نرسد، روشن نمی‌شود (یعنی بحرانی می‌شود). به عبارت دیگر، در صورت بعید بودن شرایط اضطراری، هر گونه آلودگی به طور بی ضرری در فضا پراکنده می شود. لاکهید مارتین قبلاً به نیروهای خود پیوسته است فن آوری های BWX از لینچبورگ، ویرجینیا، برای توسعه راکتور و تولید سوخت HALEU. BWX می گوید که یک موشک DRACO می تواند پرتاب شود به محض 2027.

موتورهای موشک تنفس هوا: آینده پرواز فضایی

در جای دیگر محققان آزمایشگاه ملی آیداهو در ایالات متحده به ناسا کمک می کنند تا مواد مورد نیاز برای یک موشک هسته ای را توسعه دهد و آزمایش کند تست راکتور گذرا تسهیلات (TREAT) در نزدیکی آبشار آیداهو. آنها قبلاً سال گذشته تمرینی را برای اعتبارسنجی مدل‌های رایانه‌ای و آزمایش سنسور و کپسول آزمایشی جدید انجام دادند. هدف بلندمدت شناسایی مواد، ساختارهای کامپوزیتی و ترکیبات اورانیوم در شرایط بسیار داغ یک راکتور NTP است.

گرمای راکتور سوخت هیدروژن را گرم می کند، که بزرگترین تغییر در سرعت را ایجاد می کند - چیزی که دانشمندان موشکی Δ می نامند.v - برای یک جرم معین نقطه ضعف هیدروژن این است که چگالی پایینی دارد و موشک به مخازن بزرگ نیاز دارد. سایر پیشران ها، مانند آمونیاک، Δ کمتری دارندv به ازای هر کیلوگرم پیشرانه، اما بسیار متراکم تر هستند. توماس در هانتسویل نشان داد که آمونیاک سوخت ایده آلی برای رساندن ستاره شناسان به مریخ از ناسا است. دروازه قمری - ایستگاه فضایی که به دور ماه می چرخد.

با انتشار بررسی فناوری NTP برای مؤسسه هوانوردی و فضانوردی آمریکا در سال 2020، توماس به این نتیجه رسیده است که سیستم‌های NTP معمولی، که نیروی رانش زیادی را برای سوختن کوتاه حدود 50 دقیقه ارائه می‌دهند، برای پروازها و ماموریت‌های قرار ملاقات ایده‌آل خواهند بود. اما سیستم‌های «دو حالته» نیز وجود دارند که NTP را با NEP ترکیب می‌کنند (به کادر «چالش‌های پیشرانه الکتریکی هسته‌ای» مراجعه کنید). اولی انفجارهای سریع رانش بالا را ایجاد می کند در حالی که دومی نیروی رانش کم را برای دوره های طولانی تر ایجاد می کند - برای ماموریت های طولانی و رفت و برگشت عالی است.

کیت هاگرتی کلیمدیر فضا و مهندسی در BWX Technologies، می‌گوید که پیشرانه حرارتی هسته‌ای به طور کلی می‌تواند دو تا پنج برابر کارآمدتر از سیستم‌های رانش شیمیایی باشد و در عین حال نیروی رانش بالایی را نیز ارائه دهد. [در مقابل]، سیستم‌های نیروی محرکه الکتریکی هسته‌ای می‌توانند بازدهی بالاتر اما نیروی رانش کمتری ارائه کنند و انرژی تولید شده از طریق شکافت هسته‌ای می‌تواند به الکتریسیته تبدیل شود تا نیرو برای زیرسیستم‌های فضاپیما فراهم کند.

چالش های پیشرانه الکتریکی هسته ای

**همچنان که می رویم ثابت** لیندسی کالدون، مدیر پروژه نیروی شکافت سطحی در ناسا، فکر می‌کند که نیروی ثابت از پیشرانه‌های الکتریکی هسته‌ای امکان سفرهای مطمئن به اعماق فضا را فراهم می‌کند. (با احترام: ناسا)

پیشرانه حرارتی هسته ای (NTP) شامل استفاده از انرژی حاصل از یک واکنش هسته ای برای گرم کردن سوختی است که از پشت موشک پرتاب می شود، مانند هوای یک بالون اسباب بازی. اما با پیشرانه الکتریکی هسته ای (NEP)، انرژی شکافت در عوض برای یونیزه کردن گاز استفاده می شود. لیندسی کالدون، مدیر پروژه می‌گوید: «موتور خروجی توسط سیستم NEP می‌تواند یک گاز بی‌اثر مانند زنون یا کریپتون باشد، اما ید، لیتیوم یا هیدروژن می‌توانند بسته به نوع رانشگر الکتریکی گزینه‌هایی باشند.» قدرت سطح شکافت در مرکز تحقیقات گلن ناسا.

همانطور که پیشران یونیزه می شود، گاز را می توان با استفاده از دستگاه های الکترومغناطیسی هدایت و شتاب داد تا به فضاپیما حرکت رو به جلو بدهد. کالدون اعتراف می کند که میزان رانش بسیار کمتر از آن چیزی است که از یک موشک NTP دریافت می کنید. او می‌گوید: «نپ را در مقایسه با قایق‌های تندرو به عنوان یک قایق بادبانی با نسیم خفیف در نظر بگیرید. با این حال، این واقعاً تمام چیزی است که ما برای یک سفر ثابت و قابل اعتماد به اعماق فضا نیاز داریم.»

چالش کالدون و همکارانش در گلن این است که اطمینان حاصل کنند که راکتور الکتریسیته کافی برای یونیزه کردن پیشرانه تولید می کند و رانشگرها به خوبی کار می کنند. یکی از گزینه ها استفاده از a است "موتور استرلینگ"که از فشرده سازی و انبساط چرخه ای گاز بین انتهای سرد و گرم موتور برای تولید برق استفاده می کند. گزینه دیگر الف است ” رانشگر جلوه هال ”، که با ترکیب یک هادی الکتریکی با میدان مغناطیسی عمود بر هادی ولتاژ ایجاد می کند.

بنابراین آیا NTP یا NEP برای عملیات در اعماق فضا بهتر است؟ به گفته توماس، این به نوع ماموریت بستگی دارد. برای مأموریت‌های یک کلاس خاص - مانند فضاپیمای علمی بالاتر از یک جرم خاص - یا مأموریت‌های خدمه یا برای مقاصد خاص، NTP بهترین انتخاب خواهد بود، در حالی که برای مأموریت‌های دیگر NEP بهترین انتخاب خواهد بود. مانند سفر با ماشین، این بستگی به مسافت، چمدانی که حمل می کنید، برنامه زمانی شما و غیره دارد.

آینده هسته ای

ناسا در حال حاضر چندین ماموریت فضایی با انرژی هسته ای را در نظر گرفته است. مطابق با گزارشی که در ژوئن 2021 منتشر شداینها می‌توانند شامل سفینه‌هایی باشند که به دور قمرهای مختلف اورانوس و مشتری می‌چرخند، و سایر قمرهایی که به دور قمر تریتون نپتون می‌چرخند و فرود می‌آیند. این گزارش همچنین پیش‌بینی می‌کند که یک موشک با انرژی هسته‌ای وارد مدار قطبی به دور خورشید شود و احتمالاً حتی یک ماموریت به فضای بین ستاره‌ای را نیز انجام دهد.

در تحلیل نهایی، پیشرانه هسته‌ای از نوعی - به تنهایی یا همراه با نوع دیگری از پیشرانه - بخش مهمی از تلاش‌های فضایی آینده بشر خواهد بود. با توجه به اینکه ناسا، آژانس فضایی بریتانیا و آژانس فضایی اروپا همگی به پروازهای فضایی با انرژی هسته ای نگاه می کنند، شرط من این است که اولین مأموریت های خدمه به مریخ تا دهه 2030 از نوعی از این فناوری استفاده کنند. من مطمئن هستم که رویای فریمن دایسون می تواند به زودی روشنایی روز را ببیند.