سفر سریع‌تر به مریخ؛ راکت‌های هسته‌ای ناسا طول زمان سفر را نصف می‌کنند!

ناسا و دارپا در حال توسعه فناوری پیشرانش هسته‌ای حرارتی (NTP) هستند تا امکان ماموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ با سرعت بیشتر را فراهم کنند. پیشرانش هسته‌ای پتانسبل این را دارد که زمان سفر را به نصف مقدار کنونی‌اش برساند.

این فناوری جذاب که حتی قابلیت استفاده برای دفاع از تجهیزات فضایی را دارد، ممکن است در سال 2027 با اولین نسخه آزمایشی خود به یک واقعیت تبدیل شود. تحقیقات، امروزه بر روی افزایش کارایی پیش‌رانه و امنیت آن تمرکز دارند که برای محقق کردن آرزوی رسیدن به مریخ حیاتی‌ست.

کاوش در مریخ: جلودار بعدی ناسا

ناسا قصد دارد در دهه آینده یک ماموریت‌ سرنشین‌دار به مریخ را انجام دهد. با این حال، سفر ۱۴۰ میلیون مایلی (۲۲۵ میلیون کیلومتری) به این سیاره سرخ با استفاده از سوخت‌های شیمیایی مرسوم می‌تواند ماه‌ها تا سال‌ها طول بکشد.

برای کاهش این زمان طولانی، ناسا در حال بررسی فناوری پیشرانش هسته‌ای حرارتی است که از شکافت هسته‌ای برای تامین انرژی موشک‌ها استفاده کرده و می‌تواند زمان سفر به مریخ را به نصف کاهش دهد.

پیش‌رانش هسته‌ای: آینده سفرهای فضایی؟

شکافت هسته‌ای با جدا شدن یک اتم توسط نوترون و آزادسازی مقدار عظیمی از انرژی همراه است. این واکنش که به عنوان واکنش شکافت شناخته می‌شود، در تولید انرژی و زیردریایی‌های هسته‌ای کاربرد دارد و استفاده از آن برای تامین انرژی فضاپیماها می‌تواند جایگزینی سریع‌تر و قدرتمندتر برای فضاپیماهای شیمیایی به ناسا ارائه دهد.

ناسا و دارپا (آژانس تحقیقات پیشرفته دفاعی) در حال توسعه مشترک فناوری پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی هستند و قصد دارند یک نمونه آزمایشی از این سیستم را در سال ۲۰۲۷ در فضا به نمایش بگذارند. این پروژه ممکن است یکی از اولین نمونه‌های خود باشد که توسط آمریکا ساخته و به کار گرفته می‌شود.

پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی ممکن است روزی بتواند پلتفرم‌های فضایی با قابلیت فرمان‌پذیری بالا را تأمین کند که از ماهواره‌های آمریکایی در داخل و خارج از مدار زمین محافظت کنند. اما این فناوری هنوز در حال توسعه است.

دان کوتلیار، استاد مهندسی هسته‌ای در موسسه فناوری جورجیا و گروه تحقیقاتی او مدل‌ها و شبیه‌سازی‌هایی برای بهبود و بهینه‌سازی طراحی سیستم‌های پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی ایجاد می‌کنند. امید و علاقه آنها این است که در طراحی موتوری با پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی مشارکت داشته باشند که بتواند یک مأموریت سرنشین‌دار به مریخ را ممکن کند.

مقایسه پیش‌رانش هسته‌ای و شیمیایی

سیستم‌های پیشرانش شیمیایی متداول از واکنشی بین یک پیشرانه سبک مانند هیدروژن و یک اکسیدکننده استفاده می‌کنند که پس از اشتعال، پیشرانه را با سرعت زیادی از نازل خارج می‌کند. اما پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی به جای سوخت شیمیایی از شکافت هسته‌ای استفاده می‌کند تا پیشرانه را گرم کرده و از نازل خارج کند.

این سیستم‌ها نیازی به هیچ‌گونه سیستم اشتعالی ندارند، بنابراین قابل‌اعتماد هستند. اما این موشک‌ها باید اکسیژن را با خود به فضا حمل کنند که می‌تواند وزن آن‌ها را افزایش دهد. برخلاف سیستم‌های پیش‌رانش شیمیایی، سیستم‌های پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی به واکنش‌های شکافت هسته‌ای متکی هستند تا پیشرانه را گرم کنند و سپس پیشرانه از طریق نازل خارج شود و نیروی محرکه یا فشار ایجاد کند.

در بسیاری از سیستم‌های شکافت هسته‌ای، یک نوترون به ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم، یعنی اورانیوم-۲۳۵ برخورد می‌کند. این اورانیوم نوترون را جذب کرده و به اورانیوم-۲۳۶ تبدیل می‌شود. سپس اورانیوم-۲۳۶ به دو قسمت شکسته شده و ذرات متعددی آزاد می‌شود که این واکنش به همراه چندین ذره گوناگون، حرارت زیادی تولید می‌کند.

تکامل سیستم‌های پیش‌رانش هسته‌ای

بیش از ۴۰۰ رآکتور نیروگاه هسته‌ای در سراسر جهان در حال حاضر از فناوری شکافت هسته‌ای استفاده می‌کنند. بیشتر این رآکتورهای هسته‌ای فعال از نوع رآکتورهای آب سبک هستند. این رآکتورها از آب برای کند کردن نوترون‌ها و جذب و انتقال حرارت استفاده می‌کنند. آب می‌تواند مستقیماً در هسته رآکتور  یا در یک مولد، بخار تولید کند که سپس توربین را برای تولید برق به حرکت در می‌آورد.

سیستم‌های پیش‌رانش هسته‌ای عملکردی مشابه دارند و با استفاده از سوخت‌هایی که اورانیوم-۲۳۵ بیشتری دارند، در دماهای بسیار بالاتری عمل می‌کنند که این امر آنها را بسیار قدرتمند و فشرده می‌سازد. این سیستم‌ها حدود ۱۰ برابر بیشتر از رآکتورهای سنتی چگالی قدرت دارند.

پیش‌رانش هسته‌ای به چندین دلیل مختلف می‌تواند از پیش‌رانش‌ شیمیایی مناسب‌تر باشد.

پیش‌رانش هسته‌ای موادِ پیشرانه را با سرعت زیادی از نازل موتور خارج می‌کند و نیروی جلوبرندگی بالایی ایجاد می‌کند. این نیروی بزرگ به موشک اجازه می‌دهد تا سریع‌تر شتاب بگیرد.

این سیستم‌ها همچنین دارای ضریب تراکم ویژه بالایی هستند. ضریب تراکم ویژه نشان می‌دهد که پیشرانه چقدر به‌صورت کارآمد برای ایجاد جلوبرندگی استفاده می‌شود. سیستم‌های پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی تقریباً دو برابر ضریب تراکم ویژه موشک‌های شیمیایی را دارند، به این معنی که می‌توانند زمان سفر را به نصف کاهش دهند.

برنامه دراکو: پیشگام اکتشاف فضایی

برای چندین دهه، دولت ایالات متحده بودجه توسعه فناوری پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی را تامین کرده است. بین سال‌های 1955 و 1973، برنامه‌های آزمایشگاه‌های ملی ناسا، جنرال الکتریک و آرگون، 20 موتور پیش‌رانش هسته‌ای حرارتی را تولید و آزمایش کردند.

با این حال، این طرح های قبل از 1973 متکی بر سوخت اورانیوم بسیار غنی شده بود. این سوخت به دلیل خطر تکثیر یا خطراتی که با گسترش مواد و فناوری هسته‌ای مرتبط است، دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

طرح جهانی کاهش تهدید که توسط وزارت انرژی و اداره امنیت ملی هسته‌ای راه اندازی شد، بسیاری از راکتورهای تحقیقاتی که از سوخت اورانیوم بسیار غنی شده استفاده می کنند، به استفاده از سوخت اورانیوم با سنجش بالا، با غنای پایین یا HALEU، مجبور می‌کند.

سوخت اورانیوم با سنجش بالا و غنای پایین در مقایسه با سوخت اورانیوم با غنای بالا، مواد کمتری در خود دارد که قادر به انجام یک واکنش شکافت باشند. بنابراین، موشک‌ها باید سوخت HALEU بیشتری داشته باشند که موتور را سنگین‌تر می‌کند. برای حل این مشکل، محققان به دنبال مواد خاصی هستند که سوخت را به طور موثرتری در این راکتورها مصرف کنند.

چالش ها و تحولات در پیشرانه هسته‌ای

برنامه فضاپیمای نمایشی دارپا و ناسا برای عملیات سیسلونار (بین ماه و زمین) چابک یا دراکو (DRACO) به صورت مخفف قصد دارند از این سوخت اورانیوم با سنجش بالا و غنای پایین در موتور پیشران حرارتی هسته ای خود استفاده کنند. این برنامه قصد دارد فضاپیمای خود را در سال 2027 پرتاب کند.

به عنوان بخشی از این برنامه، شرکت هوافضایی لاکهید مارتین با BWX Technologies برای توسعه راکتور و طراحی سوخت شریک شده است.

موتورهای پیشران هسته‌ای حرارتی در حال توسعه توسط این گروه ها باید با استانداردهای عملکرد و ایمنی خاصی مطابقت داشته باشند. آنها باید هسته‌ای داشته باشند که بتواند در طول مدت ماموریت کار کند و مانورهای لازم را برای سفر سریع به مریخ انجام دهد.

در حالت ایده آل، موتور باید قادر به تولید ضربه خاص بالا باشد، در حالی که نیازهای رانش بالا و جرم کم موتور را نیز برآورده کند.

نوآوری برای کارایی و ایمنی در فضا

قبل از اینکه مهندسان بتوانند موتوری طراحی کنند که تمام این استانداردها را برآورده کند، باید با مدل‌ها و شبیه‌سازی‌ها شروع کنند. این مدل‌ها به محققان، مانند آن‌هایی که در گروه من هستند، کمک می‌کنند تا بفهمند موتور چگونه با راه‌اندازی و خاموش شدن کار می‌کند. این‌ها عملیات‌هایی هستند که به تغییرات سریع و عظیم دما و فشار نیاز دارند.

موتور پیشران حرارتی هسته ای با تمام سیستم های قدرت شکافت موجود متفاوت است، بنابراین مهندسان باید ابزارهای نرم افزاری جدیدی بسازند که با این موتور جدید کار کند.

گروه دان کوتلیار با استفاده از مدل‌ها، راکتورهای پیشران حرارتی هسته‌ای را طراحی و آنالیز می‌کند. آنها این سیستم‌های راکتور پیچیده را مدل‌سازی می‌کنند تا ببینند چگونه چیزهایی مانند تغییرات دما ممکن است بر راکتور و ایمنی موشک تأثیر بگذارد. با این حال، شبیه سازی این اثرات می تواند قدرت محاسباتی گران قیمت زیادی را به خود اختصاص دهد.

دان کوتلیار مدعی است در حال کار برای توسعه ابزارهای محاسباتی جدیدی بوده‌ است که نحوه عملکرد این راکتورها را در هنگام راه‌اندازی و عملکرد بدون استفاده از توان محاسباتی زیاد، مدل‌سازی کنند.

او و همکارانش امیدوارند این تحقیق بتواند روزی به توسعه مدل‌هایی کمک کند که بتوانند موشک را به طور مستقل کنترل کنند.

منبع: Scitechdaily