آیا راکتهای هستهای میتوانند کلید رسیدن انسان به مریخ باشند؟
هرچه سریعتر بتوانید خدمهای را به مریخ برسانید، بهتر است – اما سیستمهای پیشرانش معمولی ممکن است قادر به انجام این کار نباشند.
ناسا قصد دارد در دهه آینده مأموریتهای سرنشیندار را به مریخ ارسال کند – اما سفر 140 میلیون مایلی (225 میلیون کیلومتری) به سیاره سرخ میتواند چندین ماه تا چند سال طول بکشد.
این زمان نسبتا طولانی سفر نتیجه استفاده از سوخت موشک شیمیایی سنتی است. یک فناوری جایگزین برای موشکهای شیمیایی که آژانس اکنون توسعه میدهد، پیشرانش حرارتی هستهای نام دارد که از شکافت هستهای استفاده میکند و میتواند روزی یک موشک را تأمین کند که این سفر را تنها در نصف زمان انجام دهد.
شکافت هستهای شامل بهرهبرداری از مقدار باور نکردنی انرژی آزاد شده هنگام شکافت یک اتم توسط یک نوترون است. این واکنش به عنوان واکنش شکافت شناخته میشود. فناوری شکافت در تولید برق و زیردریاییهای هستهای کاملاً تثبیت شده است و کاربرد آن برای هدایت یا تأمین انرژی یک موشک میتواند روزی به ناسا یک جایگزین سریعتر و قدرتمندتر نسبت به موشکهای شیمیایی بدهد.
ناسا و آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفته دفاعی در حال توسعه مشترک فناوری NTP هستند. آنها قصد دارند این سیستم را در سال 2027 در فضا مستقر و قابلیتهای آن را نشان دهند – که احتمالاً یکی از اولین نمونههای ساخته شده و راهاندازی شده توسط ایالات متحده خواهد بود.
پیشرانش حرارتی هستهای همچنین میتواند روزی پلتفرمهای فضایی مانورپذیری را تأمین کند که از ماهوارههای آمریکایی در داخل و فراتر از مدار زمین محافظت میکنند. اما این فناوری هنوز در حال توسعه است.
من استادیار مهندسی هستهای در موسسه فناوری جورجیا هستم که گروه تحقیقاتی من مدلها و شبیهسازیهایی را برای بهبود و بهینهسازی طرحهای سیستمهای پیشرانش حرارتی هستهای میسازد. امید و اشتیاق من کمک به طراحی موتور پیشرانش حرارتی هستهای است که یک مأموریت سرنشیندار را به مریخ خواهد برد.
پیشرانش هستهای در مقابل پیشرانش شیمیایی
سیستمهای پیشرانش شیمیایی معمولی از یک واکنش شیمیایی شامل یک پیشران سبک مانند هیدروژن و یک اکسید کننده استفاده میکنند. هنگام مخلوط شدن، این دو مشتعل میشوند که منجر به خروج پیشران از نازل با سرعت بسیار زیاد برای پیشران موشک میشود.
این سیستمها به هیچ نوع سیستم جرقه زنی نیاز ندارند، بنابراین قابل اعتماد هستند. اما این موشکها باید اکسیژن را با خود به فضا ببرند که میتواند آنها را سنگین کند. بر خلاف سیستمهای پیشرانش شیمیایی، سیستمهای پیشرانش حرارتی هستهای برای گرم کردن پیشران که سپس از نازل خارج میشود تا نیروی محرکه یا رانش ایجاد کند، به واکنشهای شکافت هستهای متکی هستند.
در بسیاری از واکنشهای شکافت، محققان یک نوترون را به سمت ایزوتوپ سبکتر اورانیوم، اورانیوم-235، میفرستند. اورانیوم نوترون را جذب میکند و اورانیوم-236 را ایجاد میکند. اورانیوم-236 سپس به دو قطعه – محصولات شکافت – تقسیم میشود و واکنش برخی ذرات متنوع را منتشر میکند.
در حال حاضر بیش از 400 راکتور هستهای در سراسر جهان از فناوری شکافت هستهای استفاده میکنند. اکثریت این راکتورهای هستهای در حال بهرهبرداری، راکتورهای آب سبک هستند. این راکتورهای شکافت از آب برای کند کردن نوترونها و جذب و انتقال گرما استفاده میکنند. آب میتواند بخار را مستقیماً در هسته یا در یک مولد بخار ایجاد کند که توربینی را برای تولید برق میچرخاند.
سیستمهای پیشرانش حرارتی هستهای به روش مشابهی کار میکنند، اما از سوخت هستهای متفاوتی استفاده میکنند که اورانیوم-235 بیشتری دارد. آنها همچنین در دمای بسیار بالاتری کار میکنند که آنها را بسیار قدرتمند و فشرده میکند. سیستمهای پیشرانش حرارتی هستهای حدود 10 برابر چگالی توان بیشتری نسبت به یک راکتور آب سبک سنتی دارند.
پیشرانش هستهای میتواند به چند دلیل بر پیشرانش شیمیایی برتری داشته باشد.
پیشرانش هستهای پیشران را با سرعت بسیار بالایی از نازل موتور خارج میکند و رانش بالایی تولید میکند. این رانش بالا به موشک اجازه میدهد تا سریعتر شتاب بگیرد.
این سیستمها همچنین دارای تکانه ویژه بالایی هستند. تکانه ویژه اندازه گیری میکند که پیشران چقدر کارآمد برای تولید رانش استفاده میشود. سیستمهای پیشرانش حرارتی هستهای تقریباً دو برابر تکانه ویژه موشکهای شیمیایی دارند، به این معنی که میتوانند زمان سفر را به نصف کاهش دهند.