بیگ بنگ: محرک‌های یونی، وسایل نقلیه خورشیدی، همجوشی و شکافت از جمله ایده‌هایی هستند که برای تامین نیروی نسل بعدی فضاپیماها پیشنهاد شده‌اند و تا حد زیادی جنبه علمی – تخیلی دارند. در این مطلب به چند مورد از آنها اشاره شده است.

به گزارش بیگ بنگ، مهندس ناسا «رونالد لیچفورد» در ارائۀ خود در جامعه فضانوردان آمریکا در ماه آوریل 2020 از یک راهبرد توسعه برای ارسالِ فضاپیما به دورترین نقاط منظومه شمسی و حتی فراتر از آن خبر داد. لیچفورد توصیه کرد که تحقیقاتی در خصوص ارتقای سیستم‌های رایج از جمله موشک‌های شیمیایی، موتورهای الکتروگرمایی و درایوهای یونی انجام شود. اما وی انجام تحقیقات دربارۀ فناوری‌های دور از دسترس و فوق پیشرفته را توصیه نمود. در بخش زیر می‌خواهیم به طیفی از فناوری‌هایی اشاره کنیم که ناسا می‌تواند با استفاده از آنها، نسل بعدیِ فضاپیماها را روانۀ فضا کند.

1- موشک‌های شیمیایی

موشک‌های شیمیایی مرکز نیرویِ عصر فضایی بودند. اما پس از 90 سال پیشرفت و توسعه، انتظار نمی‌رود ارتقای این موتورها به پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه نیروی پیش‌رانش منجر شود. انرژی موجود در پیوندهای شیمیایی موجب محدودیتِ استفاده از این موشک‌ها شده است. به گفته لیچفورد: تحقیقات در زمینۀ موشک‌های شیمیایی باید کماکان مورد توجه ناسا باشد؛ به ویژه تولید سوخت در سیاره مقصد، به جای حمل سوخت در فضاپیما. برای مثال، فضاپیماهایی که روانه سیاره مریخ می‌شوند، می‌توانند یخ را از یخچال‌های قطبی به هیدروژن و اکسیژن تبدیل کرده و به عنوان سوخت موشک مورد استفاده قرار دهند.

2- برق گرمایی

این موتورها از انرژی الکتریکی برای تولید پلاسمای فوق‌العاده داغ استفاده می‌کنند و از طریق یك نازل مافوق صوت، برای تولید رانش می‌سوزانند. این نوع موتورها از دهه 1970 میلادی در ماهواره‌های روسی و همچنین ماهواره‌های لاک‌هید مارتین A2100 مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این موتورها بسیار کارآمد هستند، اما نیروی پیش‌رانشی که تولید می‌کنند، خیلی کم است؛ پس تنها کاربرد احتمالی‌شان این خواهد بود که ماهواره‌ها را به مدار هدایت کنند.

3- محرک یونی

حالا می‌خواهیم به مبحث فناوری‌های آینده‌نگرانه وارد شویم. موتور محرک یونی نوعی پیش‌ران است که در آن، مولکول‌های سوخت غیرواکنشی مثل زنون بار مثبت یا منفی دریافت کرده و توسط میدان الکتریکی شتاب‌دار می‌شوند. نیروی پیش‌رانش خیلی پایین است؛ یعنی هم‌ارز با فشاری که توسط یک برگ کاغذ به کف دست وارد می‌شود. بنابراین، موتور یونی سرعت پایینی دارد. کاوشگر فضایی سپیده‌دم که هم‌اکنون در مدار سیاره کوتولۀ سرس به سر می‌برد، از درایو یونی خود استفاده کرد و به نخستین فضاپیمایی تبدیل شد که توانست به مدار چند جرم سماوی وارد شده و سپس از آن خارج شود.

4- سفینه خورشیدی

ذرات نور (فوتون‌ها) دارای نیروی گشتاور هستند. ایده سفینه خورشیدی به این شکل است که از این ذرات برای تولید نیروی پیش‌رانش استفاده می‌شود. فضاپیمایی که بتواند مقدار زیادی از این ذرات را جذب کند، می‌تواند بدون حمل هیچ سوختی به سرعت باورنکردنی برسد. این مفهوم در سال 2010 به تایید رسید، یعنی زمانی که پروژه ژاپنی “ایکاروس” توانست ماموریتی به مقصد ناهید انجام دهد. سال گذشته، پروژه LightSail نشان داد که این طرح می‌تواند با بودجه اندکی اجرا شود. در برخی دیگر از طرح‌های بلندپروازانه، سفر به نزدیک‌ترین ستاره‌ها مد نظر قرار گرفته است و با شلیک نور لیزری بزرگی برای تامین نیروی فضاپیما انجام می‌گیرد.

5- موتور پیش‌رانش پلاسما

این موتورها شبیه نسخه‌های محرک یون، حاوی مقادیر زیادی اکتان هستند. به جای سوخت غیرواکنش‌پذیر، جریان‌های مغناطیسی و پتانسیل الکتریکی یون‌ها را در پلاسما شتاب‌دار می‌کنند تا پیش‌رانش تولید شود. قدمت این ایده به نیم قرن گذشته باز می‌گردد، اما کماکان در فضا تحقق نیافته است. قوی‌ترین موشک پلاسما در جهان در حال حاضر VASIMR نام دارد که شرکت موشک Ad Astra در تگزاس ساخته است. بر اساس محاسبات این شرکت، این موشک می‌تواند نیروی فضاپیما را تا 39 روز به مقصد مریخ تامین کند.

6- شکافت گرمایی

یک راکتور شکافت متداول می‌تواند یک پیشرانه(نیروی محرکه) را تا دمای بسیار بالایی گرم کرده و باعث ایجاد نیروی پرتاب(فشار) شود. اگرچه تاکنون هیچ موشک گرمایی به فضا پرتاب نشده، اما اجرایی شدن این ایده در دهه 1960 و 1970 بسیار نزدیک بود.

7- همجوشی مداوم

موشک‌های مجهز به همجوشی(فیوژن) به طور موثری سعی می‌کنند با حرارت دادنِ بیش از حدِ سوخت تا صدها میلیون درجه و در نهایت با رسیدن به همجوشی هسته‌های اتمی، انرژی خورشید را بازسازی کرده و حتی انرژی بیشتری تولید کنند. این دما به گداخت هسته‌های  اتم کمک کرده و انرژی مضاعفی تولید می‌کند. موشک مجهز به همجوشی می‌تواند صدها برابر کارآمدتر از بهترین موشک‌های شیمیایی باشد.

8- هم‌جوشی پالسی

شاید یکی از راه‌های ممکن برای استفاده از نیروی همجوشی، کنترل انفجارِ یک بمب همجوشی باشد که هدف از آن، تامین نیروی فضاپیما است. یکی از طرح‌هایی که دانشمندان دانشگاه واشنگتن بر روی آن کار می‌کنند، به این صورت است که از مجموعه دو ایزوتوپ هیدروژن در یک محفظۀ احتراق ساخته شده از لیتیوم، استفاده می‌شود. در زمان مناسب، یک میدان مغناطیسی عظیم به حلقه‌های پیرامون این مجموعه نیرو وارد کرده و سوخت را در با فشاری باورنکردنی فشرده می‌سازد. ماحصل این فرایند، همجوشی است.

این تقریبأ شبیه زمانی است که موتور ماشین شما از انفجارهای کنترل شدۀ بنزین استفاده می‌کند. بخش کوچکی از این مادۀ همجوشی همان انرژی چهار لیتر سوخت موشک را خواهد داشت. اما یک مشکل عمده در این تحقیق این است که آزمایش واقعی آن احتمالاً معاهدات منع آزمایش هسته‌ای را نقض می‌کند.

9- فضاپیمای نانو

بیشتر استراتژی‌های حمل و نقل در اعماق فضا، شامل ساخت موتورهای بزرگتر و قدرتمندتری است. اما چه می‌شود اگر به جای آن فضاپیما را کوچک کنیم؟ در سال 2009، محققان دانشگاه میشیگان نوعی موتور در مقیاس نانو ساختند که می‌توانست در الگوی تراشه سیلیکونی جای گیرد. شیوه عملکرد آن تا حد زیادی به شتاب‌دهنده کوچک ذرات شباهت دارد. هر تراشه می‌تواند حاوی میلیون‌ها پرتاب‌گر کوچک برقی باشد.

10- پادماده

پادماده از پادذرات ساخته شده است؛ جرم پادذرات برابر با جرم ذرات ماده معمولی است، اما با اسپین و بار مخالف. پادماده بالاترین چگالی انرژی را در میان تمامیِ مواد شناخته شده دارد. اگر پادماده به عنوان سوخت استفاده شود، می‌تواند کارآمدترین سیستم پیش‌رانش جهان باشد و تا 40 درصد از انرژی سوختی آن به طور مستقیم به نیروی پیش‌رانش تبدیل شود. در سال 2006، موسسه مفاهیم پیشرفته ناسا از یک تیم تحقیقات تامین مالی کرد تا یک فضاپیما با نیروی پادماده تولید کند. پادماده در شتاب‌دهنده ذرات تولید می‌شود. ایدۀ استفاده از پادماده به عنوان سوخت، نیاز به بررسی و تجهیزات فوق پیشرفته دارد.

سایت علمی بیگ بنگ / منبع: cosmosmagazine.com