موشک های هسته ای برای کاوش ایمن منظومه شمسی و فراتر

4 ژوئن 2022 –  ایین بوید، استاد علوم مهندسی هوافضا، دانشگاه کلرادو بولدر

با رویاهای مریخ در ذهن ناسا و ایلان ماسک، ماموریت های خدمه راه دور در فضا در حال انجام است. اما ممکن است تعجب کنید که بدانید راکت‌های مدرن خیلی سریع‌تر از موشک‌های گذشته حرکت نمی‌کنند.

دلایل زیادی وجود دارد که نشان می دهد سفینه فضایی سریعتر سفینه بهتری است و موشک های هسته ای راهی برای انجام این کار هستند. آنها مزایای زیادی نسبت به موشک‌های سوخت‌ سنتی یا موشک‌های برقی مدرن با انرژی خورشیدی دارند، اما در 40 سال گذشته تنها 8 پرتاب فضایی ایالات متحده حامل راکتورهای هسته‌ای بوده است.

با این حال، در سال 2019 قوانین تنظیم کننده پروازهای فضایی هسته ای تغییر کرد و کار روی این نسل بعدی از موشک ها آغاز شده است.

چرا به سرعت نیاز است؟

اولین گام سفر فضایی شامل استفاده از موشک های پرتاب برای رساندن یک سفینه به مدار است. اینها موتورهای سوخت سوز بزرگی هستند که مردم وقتی به پرتاب موشک فکر می کنند تصور می کنند و به دلیل محدودیت های گرانش به احتمال زیاد در آینده قابل پیش بینی از بین نخواهند رفت.

زمانی که یک سفینه به فضا می رسد همه چیز جالب می شود. برای فرار از گرانش زمین و رسیدن به مقاصد اعماق فضا، سفینه ها به شتاب بیشتری نیاز دارند. اینجاست که سیستم های هسته ای وارد عمل می شوند. اگر فضانوردان بخواهند چیزی دورتر از ماه و شاید مریخ را کاوش کنند، باید خیلی سریع پیش بروند. فضا عظیم و همه چیز دور است.

دو دلیل وجود دارد که موشک های سریعتر برای سفرهای فضایی طولانی مدت بهتر هستند: ایمنی و زمان.

فضانوردان در سفر به مریخ در معرض سطوح بسیار بالایی از تشعشعات قرار می گیرند که می تواند باعث مشکلات جدی درازمدت سلامتی مانند سرطان و عقیمی شود. محافظت در برابر تشعشع می تواند کمک کننده باشد، اما بسیار سنگین است، و هر چه ماموریت طولانی تر باشد، محافظت بیشتری مورد نیاز است. یک راه بهتر برای کاهش قرار گرفتن در معرض تابش این است که سریعتر به جایی که می خواهید برسید.

اما ایمنی انسان تنها مزیت آن نیست. از آنجایی که آژانس‌های فضایی دورتر در فضا کاوش می‌کنند، دریافت اطلاعات از مأموریت‌های بدون سرنشین در اسرع وقت بسیار مهم است. 12 سال طول کشید تا Voyager-2 فقط به نپتون برسد، جایی که عکس های باورنکردنی در حین پرواز گرفت. اگر Voyager-2 دارای یک پیشرانه سریع‌تر بود، ستاره‌شناسان می‌توانستند آن عکس‌ها و اطلاعاتی را که سال‌ها قبل در آن‌ها وجود داشت، داشته باشند.

سرعت خوب است اما چرا سیستم های هسته ای سریعتر هستند؟

هنگامی که یک سفینه از گرانش زمین فرار کرد، سه جنبه مهم وجود دارد که باید هنگام مقایسه هر سیستم پیشرانه ای در نظر گرفت:

    رانش – با چه سرعتی یک سیستم می تواند یک سفینه را شتاب دهد

    راندمان انبوه – میزان نیروی رانش یک سیستم برای مقدار معینی از سوخت چقدر است

    چگالی انرژی – مقدار انرژی معینی از سوخت چقدر می تواند تولید کند

امروزه رایج‌ترین سیستم‌های محرکه‌ای که مورد استفاده قرار می‌گیرند، پیشرانه‌های شیمیایی – یعنی موشک‌های معمولی سوخت‌سوز – و سیستم‌های نیروی محرکه الکتریکی با انرژی خورشیدی هستند.

سیستم‌های رانش شیمیایی نیروی رانش زیادی را ارائه می‌دهند، اما موشک‌های شیمیایی کارآمدی خاصی ندارند، و سوخت موشک آنقدرها هم متراکم نیست. موشک Saturn V که فضانوردان را به ماه برد، 35 میلیون نیوتن نیرو در هنگام پرتاب تولید کرد و 950000 گالن سوخت را حمل کرد. در حالی که بیشتر سوخت برای رساندن موشک به مدار استفاده شده است، محدودیت‌ها آشکار است: برای رسیدن به هر نقطه، سوخت سنگین زیادی لازم است.

سیستم های نیروی محرکه الکتریکی با استفاده از الکتریسیته تولید شده از صفحات خورشیدی نیروی رانش تولید می کنند. رایج ترین راه برای انجام این کار استفاده از میدان الکتریکی برای شتاب دادن یون ها است، مانند پیشرانه هال. این دستگاه ها معمولاً برای تغذیه ماهواره ها استفاده می شوند و می توانند بیش از پنج برابر بازده جرمی بالاتری نسبت به سیستم های شیمیایی داشته باشند. اما آنها نیروی رانش بسیار کمتری تولید می کنند – حدود سه نیوتن، یا فقط برای شتاب دادن یک ماشین از 0-60 مایل در ساعت در حدود دو ساعت و نیم کافی است. منبع انرژی – خورشید – اساساً بی نهایت است، اما هر چه سفینه از خورشید دورتر شود، کمتر می شود.

یکی از دلایل امیدوارکننده بودن موشک های هسته ای این است که چگالی انرژی باورنکردنی ارائه می دهند. سوخت اورانیوم مورد استفاده در راکتورهای هسته ای دارای چگالی انرژی است که 4 میلیون برابر بیشتر از هیدرازین است.