چرا فضا در آستانه ورود به دوران اولیه خود است؟

در رفتندر نوامبر سال گذشته، روسیه یک ماهواره منفجر شده 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 دائمی از زباله ایجاد کرد. هند و ایالات متحده نیز سابقه پرتاب ماهواره های غیرفعال را دارند، اگرچه خوشبختانه اقدامات آنها بدون ایجاد زباله های فضایی طولانی مدت ترکیب شده است.

همه این تلاش ها باعث نگرانی مقامات دفاعی ایالات متحده شده است که در صورت انفجار ماهواره های مهم، ممکن است جنگ رخ دهد. بنابراین پنتاگون می خواهد قدرت کافی برای زنده ماندن از هجوم نسل بعدی ماهواره ها را داشته باشد. 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 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 ایجاد می کند.

این فضاپیما می تواند در عرض چند ساعت به مدار مشخصی در حدود 36000 کیلومتر برسد. ماهواره هایی که از سوخت موشک معمولی استفاده می کنند چندین روز طول می کشد تا از این طریق حرکت کنند. انهدام ماهواره های هسته ای پرقدرت نیز دشوار است زیرا می توان مدار آنها را ناخواسته تغییر داد.

دارپا در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد که هدف دراکو این است که یک سیستم پیشرانش حرارتی هسته ای (NTP) را در مدار زمین تا سال 2025 نشان دهد و در صورت موفقیت، دارپا اولین موشک در نوع خود را پرتاب خواهد کرد. نصف کردن سفرمان را ممکن می کند 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 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 هسته ای شد. شرکت‌هایی که ایده‌های خود را ارائه می‌کنند باید یک شرط مهم را رعایت کنند: آنها باید از فناوری اولیه پیشران حرارتی که دارپا در حال حاضر روی آن کار می‌کند اجتناب کنند.

آنها قادر خواهند بود یک نمونه اولیه را ظرف سه تا پنج سال بسازند و به یک برنامه معتبر برای آزمایش فضایی نیاز دارند. اسامی دو برنده اول ده ها پیشنهاد واحد نوآوری دفاعی پنتاگون اواخر این ماه اعلام خواهد شد.

رایان وید، کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده که برنامه واحد نوآوری دفاعی پنتاگون را رهبری می کند، گفت 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 می‌شود، که سپس به گازهای پیشران مانند زنون اعمال می‌شود که به دلیل وجود میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی از نوک، یون‌ها را شارژ می‌کنند. آنها بیرون می آیند و یک نیروی محرکه ایجاد می کنند.

اکسترودرهای یونی مفهوم جدیدی نیستند، اما یک راکتور هسته ای می تواند حتی انرژی بیشتری برای تامین انرژی حتی یک پنل خورشیدی بزرگ تولید کند. بدون پنل های خورشیدی برای اهداف نظامی، ردیابی و غیرفعال کردن ماهواره ها برای دشمنان 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 فقط به ماهواره های بزرگ انرژی می دهند.

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

عملکرد باتری اتمی از نوع RTG با ارزش اتمی ساده است. بیشتر این باتری ها از ترموکل برای تبدیل گرمای حاصل از خوردگی هسته ای به انرژی پتانسیل الکتریکی استفاده می کنند. یک محفظه جامد حاوی مواد رادیواکتیو است که در آن ترموکوپل ها در اطراف دیواره های محفظه قرار می گیرند و انتهای دیگر ترموکوپل به یک خنک کننده متصل می شود. فروپاشی هسته سوخت هسته ای گرمایی تولید می کند که از طریق ترموکل به خنک کننده جریان می یابد و در این فرآیند برق تولید می شود.

این نوع «باتری هسته» مدت‌هاست برای دریافت کاوشگرهایی که به فضا فرستاده می‌شوند، جایی که انرژی به‌ویژه ضعیف است، استفاده می‌شود. به جای ساخت یک راکتور هسته ای، یک RTG از دستگاهی به نام ترموکل برای تولید گرمای متوسط ​​وات ساطع شده از فروپاشی ایزوتوپ رادیواکتیو استفاده می کند.

پلوتونیوم-238، محصول جانبی توسعه تسلیحات، برای تامین انرژی فضاپیمای وویجر که توسط ناسا در دهه 1970 پرتاب شد و هنوز در حال فعالیت 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 از بین می رود. بنابراین، واحد نوآوری دفاعی پنتاگون به دنبال جایگزین هایی برای نیمه عمر کوتاه تر و غلظت های حرارتی بسیار بالاتر است.

Cobalt-60 با نیمه عمر 5.3 سال، گزینه ای امیدوارکننده و در دسترس تجاری است. واحد نوآوری دفاعی پنتاگون با هدف ارائه RTG با نیروی محرکه و همچنین نیرویی به اندازه ماشین لباسشویی برای تجهیزات الکترونیکی هواپیما و ماهواره ها است.

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

با این حال، اگر راکتور هسته ای به دریا بیفتد، مشکل بزرگتر خواهد شد. آب می‌تواند باعث شروع یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای شود که در آن اتم‌های اورانیوم شکافت می‌شوند و نوترون‌هایی آزاد می‌شوند که می‌توانند اتم‌های اورانیوم را بیشتر شکافت کنند.

اگر این واکنش زنجیره ای کنترل نشود، می تواند ذوب شود. بنابراین دراکو به گونه ای پیکربندی شده است که کابل های ساخته شده از مواد بور حتی زمانی که در آب غوطه ور می شوند در جای خود باقی می مانند. بور در راکتورهای هسته‌ای برای تعدیل یا خاموش کردن شکافت هسته‌ای استفاده می‌شود.

خطر دیگر، ورود مجدد تصادفی به جو است. اتحاد جماهیر شوروی حداقل 33 ماهواره جاسوسی از جمله یک راکتور هسته ای را برای تولید انرژی به فضا پرتاب کرده است. در یک مورد، راکتور ماهواره‌ای به نام Cosmos 954 نتوانست در پایان مأموریت خود به اندازه کافی بالا برود تا به مدار دافعه برسد.

وقتی کاسموس 954 در سال 1978 سقوط کرد، قطعاتی از آن از طریق جو زمین به داخل کانادا افتاد. تابیتا دادسون، مهندس ارشد دراکو، گفت که راکتور هسته ای دارپا برای جلوگیری از حوادث مشابه به مدار پایین پرواز نخواهد کرد.

برای مدت طولانی، دانشمندان بر این باور بودند که برای اینکه 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 کشتی کاسموس 954 شوروی اورانیوم 235 بود که دارای 90 درصد غنی سازی بود که در بمباران اتمی هیروشیما در سال 1945 استفاده شد.

با توجه به پتانسیل هشداردهنده این نوع سوخت برای استفاده دوگانه، دانشمندان باید با بوروکراسی شدید، تاخیرهای طولانی و هزینه های هنگفتی که در ساخت یک راکتور هسته ای ایجاد می شود، دست و پنجه نرم کنند.

با این حال، مدل‌سازی کامپیوتری خوب 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، ممنوعیت استفاده از اورانیوم از سوی دولت سختگیری کمتری خواهد داشت.

این فقط ایالات متحده نیست که برای پیشبرد مرکز 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 (روسکوماس) امیدوار است این فضاپیما را در سال 2030 به فضا پرتاب کند.

علاقه به انرژی هسته ای منحصر به پنتاگون نیست. ناسا همچنین علاقه مند به اعزام 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 این را در ماموریتی برای ارسال محموله بالقوه 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. پیشنهاد تولید 10 کیلووات برق در فضا تا اواسط فوریه به آژانس فضایی خواهد رسید. این بدان معناست که فضا در حال ورود به دوران اولیه خود است.