مهندسی بی‌نهایت: راکت های گرماهسته‌ای؛ سفر به مریخ در ۴۵ روز

بر اساس پیش‌بینی‌های فعلی، در بهترین حالت، برای رسیدن به مریخ به زمانی حدود ۹ ماه نیاز خواهیم داشت؛ اما با در نظر گرفتن عوامل مختلفی نظیر فاصله‌ی متغیر زمین تا مریخ و موقعیت این دو سیاره نسبت به خورشید، برای انجام سفرهای سرنشین‌دار به سیاره‌ی سرخ، ممکن است به ۱۸ ماه زمان نیاز داشته باشیم. فرسودگی فیزیکی، خستگی روحی و حفظ و جیره‌بندی آب و مواد غذایی تنها چالش‌های پیش روی کیهان‌نوردان در این سفر ۱۸ ماهه نخواهند بود؛ قرار گرفتن در معرض تابش‌های مضر رادیواکتیو (آن هم به مدت طولانی) و احتمال ابتلا به سرطان نیز از جمله خطراتی هستند که کیهان‌نوردان را در این مسیر پرخطر تهدید می‌کنند.

راکت‌های شیمیایی فعلی به حداکثر ظرفیت خود رسیده‌اند و بشر برای به دست‌یابی به راهکاری مناسب‌تر برای سفرهای بین‌سیاره‌ای، نیازمند توسعه و ساخت ابزاری جدید است؛ ابزاری که بتواند انسان را در مدتی کوتاه به مقصد کیهانی مورد نظرش برساند. در این میان، مهار انرژی هسته‌ای برای سفر به سیارات دیگر، یکی از گزینه‌های پیش روی مهندسان است. تا کنون دو پیشنهاد عمده برای مهار انرژی هسته‌ای و استفاده از آن در سفرهای فضایی ارائه شده است. یکی از این پیشنهادها، استفاده از پیش‌رانش پالس هسته‌ای بوده و راهکار دیگر نیز استفاده از راکت‌های گرماهسته‌ای است. در این مطلب به معرفی و بررسی راکت‌های گرماهسته‌ای می‌پردازیم و سعی می‌کنیم در آینده و در مطلبی جداگانه، پیش‌رانش پالس هسته‌ای را نیز معرفی کنیم. امیدواریم تا انتها زومیت را همراهی کنید.

راکت گرماهسته‌ای چیست؟

در راکت‌های فضایی شیمیایی، نیروی پیش‌رانش از احتراق مواد شیمیایی حاصل می‌شود. در این راکت‌ها، سوخت (برای مثال، هیدروژن مایع) با ماده‌ی اکسید کننده (برای مثال، اکسیژن مایع) در مخازن جداگانه‌ای نگه‌داری می‌شوند. در زمان پرتاب، سوخت و ماده‌ی اکسید کننده از طریق پمپ‌هایی به محفظه‌ی احتراق تزریق می‌شوند و احتراق در این محفظه صورت می‌پذیرد. گازهای حاصل از احتراق نیز با سرعت بالایی از نازل تحتانی موشک خارج می‌شود. با توجه به جهت خروج گازهای حاصل از احتراق و بر اساس سومین قانون حرکت نیوتون (قانون کنش و واکنش)، راکت به سمت آسمان به حرکت در می‌آید. در تصویر زیر می‌توانید ساختار یک راکت شیمیایی را مشاهده کنید.

راکت شیمیایی / Chemical Rocket

ساختار راکت شیمیایی با سوخت مایع

اما شیوه‌ی فعالیت راکت‌های گرماهسته‌ای متفاوت است. در این راکت‌ها، یک رآکتور هسته‌ای وظیفه‌ی تولید گرما را بر عهده دارد؛ ماده‌ای مانند هیدروژن مایع نیز همزمان به عنوان ماده‌ی پیش‌ران و خنک کننده‌ی رآکتور عمل می‌کند. با شروع شکافت هسته‌ای و گرم شدن رآکتور، هیدروژن مایع (یا هر ماده‌ی دیگری که نقش خنک کننده و پیش‌ران را برعهده دارد) به رآکتور وارد می‌شود؛ پس از خنک شدن راکتور، هیدروژن مایع که پس از جذب حرارت تولید شده در راکتور به حالت گاز درآمده، با سرعت از نازل تحتانی موشک خارج می‌شود. همانند گازهای خارج شده از نازل خروجی راکت‌های شیمیایی، هیدروژن خارج شده از نازل موشک‌های گرماهسته‌ای نیز موجب پیش‌رانش موشک می‌شود. در تصویر ذیل می‌توانید ساختار یک راکت گرماهسته‌ای را مشاهده کنید.

راکت گرماهسته‌ای / Nuclear Thermal Rocket

ساختار راکت گرماهسته‌ای با هسته‌ی جامد

چرا به راکت‌های گرماهسته‌ای نیاز داریم؟

از زمان پرتاب اولین ماهواره‌ی ساخت بشر (اسپوتنیک ۱) به فضا؛ وظیفه‌ی رساندن انسان و دیگر محموله‌های فضایی برعهده‌ی راکت‌های شیمیایی بوده است. تاکنون موفق شده‌ایم با همین راکت‌ها به مدار زمین سفر کنیم و حتی به ماه برسیم؛ اما برای رسیدن به مقاصدی همچون مریخ و اهداف دوردست‌تر، باید به راکت‌های کارآمدتری دست پیدا کنیم. کارآمدی راکت‌های فضایی توسط مولفه‌ای موسوم به تکانه‌ی ویژه (Isp) سنجیده می‌شود؛ تکانه‌ی ویژه با تقسیم نیروی پیش‌رانش تولیدی بر سرعت خروج ماده‌ی سوختی از موتور موشک محاسبه می‌شود.

فرمول تکانه‌ی ویژه / ISP Formula

بدیهی است که اگر در یک راکت سوخت با سرعت کمتری مصرف شود یا میزان نیروی پیش‌رانش تولیدی افزایش یابد، تکانه‌ی ویژه افزایش پیدا می‌کند. یکی از برتری‌های اصلی راکت‌های گرماهسته‌ای، افزایش قابل توجه تکانه‌ی ویژه است؛ به‌طوری که تکانه‌ی ویژه‌ی این راکت‌ها بیش از دوبرابر راکت‌های شیمیایی است. برای مثال، تکانه‌ی ویژه‌ی مرحله‌ی چهارم راکت ساترن ۵ معادل ۴۲۰ ثانیه است؛ در حالی که تکانه‌ی ویژه‌ی برخی راکت‌های گرماهسته‌ای به ۸۰۰ تا ۹۰۰ ثانیه می‌رسد. از طرفی، وزن راکت‌های گرماهسته‌ای نیز کمتر است و گاهی به کمتر از نیمی از وزن راکت‌های شیمیایی می‌رسد. به این دلیل، استفاده از پیش‌رانش گرماهسته‌ای می‌تواند نوید دهنده‌ی ساخت راکت‌هایی به مراتب توانمندتر باشد.

اکنون که زمزمه‌ی سفرهای سرنشین‌دار به سوی مریخ و اهداف دورتر تبدیل به برنامه‌ها و اهدافی شده که به‌طور رسمی اعلام می‌شوند؛ نیاز به چنین راکت‌هایی بیشتر از گذشته احساس می‌شود. برای چنین سفرهایی، نمی‌توان به‌طور کامل به پنل‌های خورشیدی متکی بود و برای به‌کارگیری راکت‌های شیمیایی نیز مجبور به حمل حجم زیادی از مواد اکسید کننده و پیش‌ران هستیم.

سفرهای سریع‌تر به سیارات دوردست، اثرات منفی نبود نیروی گرانش و تابش‌های رادیواکتیو بر بدن کیهان‌نوردان را کاهش می‌دهد. برخلاف راکت‌های شیمیایی، غیرفعال شدن و فعال‌سازی مجدد پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای بسیار ساده است و این مسئله باعث می‌شود امکان لغو ماموریت‌های فضایی ساده‌تر باشد. همچنین، پس از فرود روی سطح سیاراتی مانند مریخ، می‌توان از راکت‌های گرماهسته‌ای به عنوان منبعی موقت برای تولید برق استفاده کرد.

ناسا هم اکنون در حال کار روی این راکت‌ها است و سازمان فضایی روسیه (روس‌ کاسموس) نیز اعلام کرده که در نظر دارد با استفاده از راکت‌های گرماهسته‌ای، مدت زمان لازم برای سفر از زمین به مریخ را به ۴۵ روز کاهش دهد. در ادامه، پس از آشنایی با طرح‌های مختلف ارائه شده با راکت‌های گرماهسته‌ای، با تلاش‌های پیشین و تحقیقات کنونی روی این راکت‌ها بیشتر آشنا می‌شویم.

طرح‌های مختلف پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای

تا کنون چهار طرح برای پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای ارائه‌ شده است. از میان طرح‌های ارائه شده، تنها پیش‌ران‌های هسته‌ای با هسته‌ی جامد به مرحله‌ی ساخت و آزمایش رسیده‌اند و باقی طرح‌ها صرفا در حد ایده باقی مانده‌اند و با چالش‌های تئوریک و عملی فراوانی روبه‌رو هستند.

پیش‌ران‌های دارای هسته‌ی جامد

پیش‌رانش‌های دارای هسته‌ی جامد ساده‌ترین و سبک‌ترین نوع پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای هستند. در این پیش‌ران‌ها، همانطور که پیش از این توضیح داده شد، یک ماده‌ی پیش‌ران که نقش خنک کننده‌ی رآکتور هسته‌ای را هم بازی می‌کند، از مرکز رآکتور عبور می‌کند و پس از خنک‌سازی رآکتور با دمای بالا از نازل خروجی به بیرون منتقل می‌شود. حداکثر قدرت یک پیش‌ران گرماهسته‌ای با هسته‌ی جامد به نقطه‌ی ذوب مواد به‌کار رفته‌ برای ساخت هسته‌ی رآکتور وابسته است؛ از این رو، در هسته‌ی رآکتور از موادی استفاده می‌شود که بتوانند دمای بالا را تحمل کنند.

پیش‌رانش گرماهسته‌ای می‌توانند نوید دهنده‌ی ساخت راکت‌هایی به مراتب توانمندتر باشند

همین محدودیت دمایی به پاشنه‌ی آشیل پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی جامد تبدیل شده است؛ چرا که فرایند شکافت هسته‌ای گرمای زیادی تولید می‌کند، اما پتانسیل این رآکتورها برای تولید گرما به نقطه‌ی ذوب مواد به کار رفته در آن محدود می‌شود. همچنین، از آن‌جا که ماده‌ی پیش ران تنها ماده‌ی خنک کننده در این طرح است و مکانیزم خنک کننده‌ی دیگری وجود ندارد، میله‌های سوختی مورد استفاده در رآکتور تغییرات دمایی شدیدی را تجربه می‌کنند و همین مسئله می‌تواند موجب ترک خوردن آن‌ها شود.

NRX Nuclear Propulsion System

ساختار پیش‌ران NRX؛ نوعی پیش‌ران گرماهسته‌ای با هسته‌ی ثابت

پیش‌ران‌های گرماهسته‌ی با هسته‌ی جامد که از هیدروژن مایع به‌عنوان پیش‌ران استفاده می‌کنند، می‌توانند به تکانه‌ی ویژه‌ای بین ۸۵۰ تا ۱۰۰۰ ثانیه دست پیدا کنند که دو برابر تکانه‌ی ویژه‌ی راکت‌های شیمیایی رایج است. در عین حال، مواد دیگری نظیر اکسیژن مایع و آمونیاک نیز به عنوان گزینه‌های دیگر جهت جایگزینی هیدروژن مایع پیشنهاد شده‌اند.

همچنین، وزن پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای موجود نسبت به نیروی پیش‌رانش تولید شده توسط آن‌ها زیاد است. برای مثال، در پیش‌ران‌های شیمیایی، نسبت نیروی پیش‌رانش تولیدی به وزن پیش‌ران ۷۰ به ۱ است؛ این در حالی است که برای پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای این نسبت ۷ به ۱ است.

همان‌طور که می‌دانید، اکثر راکت‌های فضایی از چندین مرحله تشکیل شده‌اند. با تفاسیر فوق، راکت‌های شیمیایی برای استفاده در مرحله‌ی اول راکت‌ها و پرواز از سطح زمین مناسب‌تر هستند؛ اما پس از قرار گرفتن راکت در شرایط بی‌وزنی، کفه‌ی ترازو به نفع پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای سنگینی خواهد کرد. به همین دلیل، این پیش‌ران‌ها بیشتر برای استفاده در مراحل ثانویه‌ی راکت‌ها مناسب خواهند بود.

پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای ضربانی

پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای ضربانی یا پالسی (با پیش‌رانش پالس هسته‌ای اشتباه گرفته نشود)، نوعی از پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی جامد هستند که می‌توانند در حالت متعارف و حالت ضربانی فعالیت کنند. از آن‌جا که زمان سکونت ماده‌ی پیش‌ران در هسته‌ی رآکتور در این حالت کمتر از حالت متعارف است، می‌توان انرژی تولیدی را به‌طور قابل توجهی افزایش داد.

در حالت ضربانی، برخلاف پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی جامد، ماده‌ی پیش‌ران توسط شار نوترونی شدید حاصل از ضربان‌ها گرم می‌شود و این گرما به‌سرعت تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود؛ در چنین حالتی، از نظر تئوریک ماده‌ی پیش‌ران می‌تواند حتی از سوخت هسته‌ای نیز بیشتر گرم شود. با این وجود، برخلاف پیش‌ران‌های گرمایشی هسته‌ای کلاسیک، در پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای ضربانی، انرژی حاصل از شکافت‌های هسته‌ای ناخواسته است.

در عین حال، طرح این نوع پیش‌ران که اکنون تنها در حد یک ایده باقی‌مانده با چالش‌هایی روبه‌رو است. فراهم کردن سیستمی که بتواند هسته‌ی رآکتور را در حالت ضربانی قرار دهد و چندهزار ضربان در هر ثانیه تولید کند امری چالش برانگیز است؛ چرا که ابزارهای مکانیکی موجود به هیچ وجه نمی‌توانند چنین نیازی را برآورده کنند. همچنین، از آن‌جا که انرژی حاصل از شکافت هسته‌ای در حالت ضربانی ناخواسته است، باید مکانیزم جداگانه‌ای برای دفع گرمای حاصل از شکافت هسته‌ای ایجاد شود که این امر نیز موجب پیچیدگی این طرح خواهد شد.

منظومه‌ی شمسی / Solar System

پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی مایع

از نظر تئوریک، می‌توان سوخت هسته‌ای و ماده‌ی پیش‌ران را با یکدیگر ترکیب کرد؛ چنین‌ کاری اجازه می‌دهد واکنش هسته‌ای درون این ترکیب انجام شود. به‌طور نظری، چنین ترکیبی می‌تواند اجازه دهد که هسته‌ی پیش‌ران گرماهسته‌ای در دمایی بالاتر از نقطه‌ی ذوب سوخت هسته‌ای کار کند.

در این راکت‌ها، حداکثر دمای کاری پیش‌ران برابر با دمای ذوب دیوار‌ه‌های محفظه‌ای است که ماده‌ی پیش‌ران و سوخت هسته‌ای در آن نگه‌داری می‌شوند. در چنین طرحی، سوخت هسته‌ای به‌طور فعال توسط هیدروژن خنک می‌شود. چنین پیش‌رانی می‌تواند به تکانه‌ی ویژه‌ای بین ۱۳۰۰ تا ۱۵۰۰ ثانیه دست پیدا کند.

ساخت چنین پیش‌رانی با تکنیک‌های موجود فعلی تقریبا غیرممکن است. با توجه به این که زمان واکنش سوخت هسته‌ای بسیار طولانی‌تر از زمان گرم شدن ماده‌ی پیش‌ران است؛ بایستی به دنبال راه‌حلی بود تا ضمن گیر انداختن سوخت هسته‌ای، بتوان اجازه داد ماده‌ی پیش‌ران به‌سادگی از نازل خروجی تخلیه شود.

ساخت چنین پیش‌رانی با تکنیک‌های موجود فعلی تقریبا غیرممکن است

طرح‌های فعلی بر چرخش ترکیب سوخت هسته‌ای و ماده‌ی پیش‌ران با سرعت بالا تمرکز دارند؛ از آن‌جا که اورانیوم متراکم‌تر از هیدروژن است، با تکیه بر نیروی مرکزگرا، می‌توان هیدروژن را از سوخت هسته‌ای جدا کرد و از درون پیش‌ران تخلیه کرد. پیشنهادهایی نیز برای طرح‌های ساده‌تری ارائه شده‌اند که اجازه می‌دهند سوخت هسته‌ای و ماده‌ی پیش‌ران به‌طور همزمان از درون پیش‌ران تخلیه شوند. یکی از مشکلات اساسی این پیشنهاد، خروج مواد رادیواکتیو از نازل خروجی پیش‌ران است؛ از این‌رو، استفاده از چنین پیش‌ران‌هایی تنها در مناطقی فراتر از جو زمین یا مغناطیس‌سپهر (منطقه‌ی مغناطیسی پیرامون زمین) منطقی است.

پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی گازی

استفاده از هسته‌های گازی نیز یکی دیگر از پیشنهادهای مطرح شده برای پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای است. در این طرح، ماده‌ی پیش‌ران به سرعت چرخانده می‌شود؛ این چرخش باعث می‌شود اورانیوم به‌صورت توده‌ای گازی و به شکل یک چنبره (شکل پایین) در هسته‌ی پیش‌ران قرار بگیرد و هیدروژن نیز حول این توده قرار خواهد گرفت. در چنین حالتی، سوخت هسته‌ای با دیواره‌های رآکتور تماس نخواهد داشت، پس از نظر تئوریک می‌توان به دمایی در حد چندین هزار درجه سانتی‌گراد دست پیدا کرد. این به معنی دست‌یابی به تکانه‌ی ویژه‌ای بین ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ ثانیه است.

طرح چنبره / Toroidal Shape

شکل چنبره

چنین طرحی «چرخه‌ی باز» نامیده می‌شود و در آن امکان پیش‌گیری از خروج تمام سوخت هسته‌ای تقریبا غیرممکن است. به دلیل خطرات ناشی از خروج سوخت هسته‌ای از رآکتور، گونه‌ی دیگری از پیش‌ران‌های دارای هسته‌ی گازی پیشنهاد شده‌اند که «چرخه‌ی بسته» نامیده می‌شوند. در رآکتورهای دارای چرخه‌ی بسته، سوخت هسته‌ای در محفظه‌ای از جنس کوارتز نگه‌داری می‌شود و هیدروژن نیز دور این محفظه به گردش در می‌آید. بدیهی است که در چنین حالتی، حداکثر دمای قابل تحمل در رآکتور برابر با حداکثر دمایی است که محفظه‌ی کوارتزی می‌تواند تحمل کند. در چنین طرحی حداکثر تکانه‌ی ویژه به ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ ثانیه محدود می‌شود.

پیش‌ران گرماهسته‌ای با هسته‌ی گازی و چرخه‌ی بسته

پیش‌ران گرماهسته‌ای با هسته‌ی گازی و چرخه‌ی بسته

پیشینه‌ی تحقیقات روی راکت‌های گرماهسته‌ای

دو کشور به‌طور فعال دست به تحقیق در زمینه‌ی راکت‌های گرماهسته‌ای زده‌اند و به نتایج کمابیش امیدبخشی هم دست پیدا کرده‌اند. همان‌طور که می‌توانید حدس بزنید، این دو کشور، اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده بوده‌اند. در حقیقت، کار روی راکت‌های گرماهسته‌ای را می‌توان به عنوان گوشه‌ای از رقابت تنگاتنگ میان دو ابرقدرت به شمار آورد. در ادامه با فعالیت‌ها و تحقیقات این دو کشور در این زمینه آشنا می‌شویم.

راکت‌های گرماهسته‌ای در ایالات متحده

پروژه‌ی تحقیقات و طراحی راکت‌های گرماهسته‌ای در ایالات متحده از سال ۱۹۵۵ و تحت فرمان کمیسیون انرژی هسته‌ای این کشور شروع شد. هدف این پروژه که Rover نام گرفته بود، دست‌یابی به طرحی مناسب برای راکت‌های گرماهسته‌ای بود. محصول نهایی این طرح، یک پیش‌ران تحقیقاتی موسوم به KIWI بود؛ در کنار KIWI، پیش‌ران‌های تحقیقاتی فوبیوس، Pewee و Nuclear Furnace نیز طراحی شدند.

اولین آزمایش‌ها KIWI از ماه ژولای ۱۹۵۹ شروع شد؛ رآکتور اولیه‌ی طراحی شده که KIWI 1 نام داشت، فاقد چرخه‌ی سوخت کامل بود و صرفا با اهداف آزمایشی طراحی شده بود. پس از آن، رآکتور KIWI B توسعه داده شد که دارای سیستم سوخت کامل بود؛ اما در آزمایش‌ها اولیه، این رآکتور بر اثر گرما و لرزش شدید دچار ترک‌خوردگی در خوشه‌های سوختی (مجموعه‌ای از میله‌های سوخت هسته‌ای) می‌شد. مواد گرافیتی استفاده شده در هسته‌ی رآکتور نیز اگرچه در مقابل گرما مقاوم بودند؛ اما فشار بالای جریان مداوم هیدروژنِ بسیار داغ موجب فرسایش آن‌ها می‌شد. در پایان آزمایش‌ها، مشکل ترک‌خوردگی خوشه‌های سوختی تا اندازه‌ای حل شد؛ اما معضلات مربوط به پوشش پیش‌ران و پوشش میله‌های سوختی هیچ‌گاه به‌طور کامل حل نشدند.

آزمایش‌ها پیش‌ران آزمایشی KIWI

رآکتور دیگری موسوم به فوبیوس نیز بر پایه‌ی KIWI توسعه داده شد. این رآکتور که از نظر اندازه به‌مراتب بزرگ‌تر از KIWI بود در سه سری تولید شد و توان تولیدی آن‌ها بین ۱۰۹۰ تا ۴۰۰۰ مگاوات متغیر بود؛ این رآکتورها در زمان خود قدرتمند‌ترین رآکتورهای هسته‌ای به شمار می‌رفتند. Pewee نیز رآکتوری کوچک‌تر از KIWI بود که برای آزمایش پوشش‌های کاربید زیرکونیم تولید شده بود.

هرچند از سال ۱۹۵۸ بیشتر بخش‌های پروژه‌ی Rover تحت رهبری ناسا، که در آن زمان سازمانی نوپا بود، اداره می‌شد؛ اما از سال ۱۹۶۱، این سازمان پروژه‌ی دیگری با نام NERVA را شروع کرد. عبارت NERVA مخفف Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications، به معنی «موتور هسته‌ای جهت به‌کارگیری در راکت‌ها» بود. هدف پروژه‌ی NERVA، تبدیل دست‌آوردهای پروژه‌ی Rover به محصولی نهایی جهت استفاده در ماموریت‌های فضایی بود. دانشمندان در صدد تولید پیش‌رانی گرماهسته‌ای بودند که بتواند نیروی پیش‌رانش ۳۳۴ کیلونیوتونی تولید کند و حتی بتوان از آن به‌عنوان پیش‌ران مرحله‌ی دوم و سوم راکت ساترن ۵ استفاده کرد.

مشکلات آشکار شده در آزمایش‌ها KIWI

حاصل پروژه‌ی NERVA، راکتی بود که NRX (مخفف Nuclear Rocket Experimental به معنی راکت هسته‌ای آزمایشی) نامیده می‌شد؛ آزمون‌های پیش‌ران توسعه داده شده برای این راکت از سپتامبر ۱۹۶۴ شروع شد. تمام پیش‌ران‌های آزمایشی تولید شده در جریان پروژه‌ی NERVA نیروی ۱۱۰۰ مگاواتی تولید می‌کردند و تست‌های آن‌ها در محیط شبیه‌سازی شده‌ی خلاء نیز به انجام رسید. علاوه بر پیش‌ران‌های سری NRX، پیش‌ران‌هایی با نام Nuclear Furnace نیز در جریان این پروژه تولید شدند؛ هدف از طراحی این پیش‌ران‌ها انجام آزمایش‌ها روی برخی از مواد پیشنهادی جهت استفاده در راکت بود.

در دهه‌ی هفتاد و پس از موفقیت انسان برای رسیدن به ماه، تب رقابت فضایی فروکش کرد و آرزوی رسیدن به مریخ نیز (هرچند به‌طور موقت) به فراموشی سپرده شد. از سویی، فشارهای فعالان سیاسی-اجتماعی و بدبینی عمومی نسبت به فناوری‌های هسته‌ای، باعث لغو شدن پروژه‌ی NERVA شد.

راکتور تحقیقاتی KIWI Reactor

رآکتور تحقیقاتی KIWI

لیکن، در جریان برنامه‌ی دفاعی استراتژیک ایالات متحده که بعدها به نام «جنگ ستارگان» شهرت یافت، بین سال‌های ۱۹۸۷ تا ۱۹۹۱، پروژه‌ی جدیدی موسوم به Timberwind کلید خورد؛ هدف این پروژه، طراحی و تولید پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای پیشرفته‌تر بود. به لطف پیشرفت‌های حاصل شده در تولید مواد مقاوم در مقابل گرما، مدل‌سازی رایانه‌ای و دست‌آوردهای جدید در مهندسی رآکتورهای هسته‌ای، پیش‌ران‌های طراحی شده در پروژه‌ی Timberwind برتری کاملی بر پیش‌ران‌های طراحی شده در پروژه‌ی NERVA داشتند. برای مثال، وزن پیش‌ران‌های STNP که در جریان پروژه‌ی Timberwind تولید شدند، کمتر از یک سوم پیش‌ران‌ NRX بود؛ اما می‌توانستند تکانه‌ی ویژه‌ای بین ۹۳۰ تا ۱۰۰۰ ثانیه تولید کنند.

راکت‌های گرماهسته‌ای در اتحاد جماهیر شوروی

ایده‌ی اولیه‌ی ساخت راکت‌های گرماهسته‌ای در اتحاد شوروی در سال ۱۹۴۷ و توسط چهار دانشمند برجسته‌ی این کشور مطرح شد؛ ویتالی ایولِو، فیزیک‌دان سرشناس روس، ایگور کورچاتُف، پدر بمب اتمی شوروی، مستیسلاف کِلدیش، نظریه‌پرداز ارشد برنامه‌ی فضایی شوروی و سرگئی کارولیوف، معمار و طراح افسانه‌ای برنامه‌ی فضایی شوروی چهار شخصیتی بودند که ایده‌ی ساخت راکت‌های گرماهسته‌ای را مطرح کردند. مقامات شوروی ابتدا در نظر داشتند موشک‌های کروزی تولید کنند که به پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای مجهز باشند؛ اما پس از برخی بررسی‌ها، استفاده از چنین پیش‌رانی برای موشک‌های بالستیک و راکت‌های فضایی مناسب‌تر تشخیص داده شد.

کارولیوف - کورچاتف - کلدیش

از راست به چپ: کلدیش، کورچاتُف و کارولیوف

در سال ۱۹۵۵ گروهی تحقیقاتی به رهبری ایولو برای ارائه‌ی طرح مفهومی پیش‌ران گرماهسته‌ای تشکیل شد و پروژه‌ی ساخت راکت گرماهسته‌ای در سال ۱۹۵۶ شروع شد و کارولیوف نیز به عنوان طراح ارشد این پروژه انتخاب شد. دو سال بعد، مقامات شوروی دستورات لازم را برای ساخت نمونه‌های اولیه‌ی راکت‌های طراحی شده صادر کردند و آماده‌سازی یک مرکز آزمایشی در منطقه‌ی سمیپالاتینسک در قزاقستان نیز در دستور برنامه قرار گرفت. نتیجه‌ی فعالیت‌های تحقیقاتی روس‌ها، پیش‌رانی موسوم به RD-0410 بود. هرچند که هنوز هم اطلاعات کاملی در مورد این پیش‌ران در دسترس نیست؛ اما به‌نظر می‌رسد آزمایش‌ها این پیش‌ران از سال ۱۹۶۵ تا ۱۹۸۰ در جریان بوده‌است و نتایج کمابیش موفقیت‌آمیزی داشته است. به‌طوری که ولادیمیر چلومی، یکی از طراحان سرشناس راکت‌های فضایی در شوروی، در دهه‌ی ۶۰ طرح راکت غول‌آسایی موسوم به UR-700A را برپایه‌ی پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای و جهت رسیدن به ماه ارائه داده بود.

از نظر فنی، پیش‌ران طراحی شده توسط روس‌ها (با تکانه‌ی ویژه‌ی ۹۱۰ ثانیه در خلاء) از پیش‌ران آمریکایی NRX (با تکانه‌ی ویژه‌ی ۸۵۰ ثانیه در خلاء) اندکی کارامدتر است. در پیش‌ران طراحی شده توسط روس‌ها، از کاربید اورانیوم و کاربید تنگستن برای ساخت میله‌های سوخت استفاده شده بود و هیدرات زیرکونیم نیز نقش میانجی را بازی می‌کرد. هیدروژن نیز وظیفه‌ی خنک کردن هسته‌ی رآکتور را برعهده داشت؛ هیدروژن ابتدا ماده‌ی میانجی (هیدرات زیرکونیم) را خنک می‌کرد و سپس خنک‌سازی میله‌های سوختی انجام می‌شد. برای پیش‌گیری از واکنش هسته‌ای میان کاربید و هیدروژن، پس از عبور هیدروژن از میانجی، یک درصد هپتان نیز به هیدروژن تزریق می‌شد.

پیش ران RD-0410

پیش‌ران آزمایشی RD-0410

اطلاعات مربوط به پیش‌ران RD-0410 هنوز هم به‌طور کامل فاش نشده‌اند و به همین دلیل جزئیات کاملی از ابعاد و طراحی این پیش‌ران در دسترس نیست. گفته می‌شود که میله‌های سوختی به کار رفته در RD-0410 شکلی پیچ‌خورده داشته‌اند و سطح مقطع آن‌ها شبیه به گلبرگ بوده؛ استفاده از چنین طرح خاصی از خروج ناخواسته‌ی میله‌های سوخت پیش‌گیری می‌کند. دلیل استفاده از کاربید اورانیوم در ساخت میله‌های سوخت نیز مقاومت بهتر آن در مقابل دمای بالای هسته‌ی رآکتور بوده است. در کنار RD-0410، طرح‌هایی برای ساخت دو راکت گرماهسته‌ای دیگر با نام‌های RD-0411 و RD-600 نیز مطرح شده بودند؛ اما در اواسط دهه‌ی ۸۰، با فروکش کردن تب رقابت فضایی و افزایش مشکلات مالی در اتحاد شوروی، این برنامه‌ها لغو شدند.

توجه دوباره به راکت‌های گرماهسته‌ای

در سال‌های اخیر، تب سفرهای سرنشین‌دار به مریخ و دیگر سیارات دوردست دوباره بالا گرفته است. از این رو، سازمان‌های فضایی مجددا در اندیشه‌ی به کارگیری راکت‌های گرماهسته‌ای هستند. ناسا از سال ۲۰۱۳ مجددا مشغول کار روی پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای است و سازمان فضایی روسیه نیز از سال ۲۰۱۶ اعلام کرده که فعالیت روی پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای را از سر گرفته است.

ناسا در جستجوی جایگزینی ارزان‌تر، قوی‌تر و در عین‌حال قابل اطمینان برای پیش‌ران‌های شیمیایی است؛ در این وضعیت، پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای یک گزینه‌ی منطقی و مناسب خواهند بود. این سازمان در حال حاضر قراردادی را با شرکت BWXT که در زمینه‌ی انرژی هسته‌ای فعالیت می‌کند به امضا رسانده است؛ وظیفه‌ی BWXT کمک به ناسا در طراحی و آزمایش یک پیش‌ران گرماهسته‌ای مفهومی است که از اورانیوم با خلوص پایین به عنوان سوخت استفاده می‌کند و در طراحی المان‌های سوختی آن از سرامیک و فلز استفاده شده است. فعالیت‌های جدید ناسا در حوزه‌ی پیش‌رانش گرماهسته‌ای، بخشی از پروژه‌ی جامع ناسا موسوم به Game Changing Development Program است که بر توسعه‌ی فناوری‌های نوین فضایی تمرکز دارد. سانی میشل، مدیر پروژه‌ی پیش‌رانش گرماهسته‌ای ناسا معتقد است:

در حالی که به پیشرفت در منظومه‌ی شمسی ادامه می‌دهیم، پیش‌رانش هسته‌ای می‌تواند تنها گزینه‌ی قابل اتکا در رسیدن به سطح مریخ و دیگر جهان‌ها‌ی دوردست باشد. ما از این بابت هیجان‌زده هستیم که روی فناوری‌هایی کار می‌کنیم که می‌توانند [دروازه‌های] اعماق فضا را برای کاوش‌های انسانی باز کنند.

مریخ / Mars

مریخ؛ سیاره‌ی سرخ

در حال حاضر، پروژه‌ی پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای ناسا چهار هدف را دنبال می‌کند. اول از همه، ارائه‌ی طرحی مفهومی برای ساخت پیش‌ران گرماهسته‌ای با سوخت اورانیوم با خلوص پایین که بتواند نیروی پیش‌رانش لازم را جهت سفر به مریخ فراهم کند. دومین هدف این پروژه طراحی، ساخت و آزمایش المان‌های سوختی کوچک است. تدوین فرایندهای قابل اعتماد تولید المان‌های سوختی و هسته‌ی رآکتور نیز سومین هدف ناسا است. چهارمین هدف ناسا نیز اثبات امکان‌پذیر بودن کنترل گازهای خروجی از نازل راکت در جریان آزمایش‌ها است.

راکت هسته‌ای می‌تواند رسیدن به مریخ در مدت یک ماه تا یک ماه و نیم را امکان‌پذیر کند

سازمان فضایی روسیه، روس‌کاسموس و شرکت دولتی روس‌اتم نیز اهداف جاه‌طلبانه‌ای را برای پروژه‌ی پیش‌رانش گرماهسته‌ای خود مطرح کرده‌اند. روس‌ها معتقدند که می‌توانند با راکت‌های گرماهسته‌ای زمان لازم برای سفر به مریخ را از ۱۸ ماه به ۴۵ روز کاهش دهند؛ همچنین، از دید آن‌ها، چنین راکت‌هایی توانایی بالاتری برای مانور در فضا و انعطاف‌پذیری بیشتری جهت تعیین مسیر سفر به مریخ خواهند داشت. سرگئی کیرینکو، رئیس شرکت روس‌اتم در این باره می‌گوید:

یک راکت هسته‌ای می‌تواند رسیدن به مریخ در مدت یک ماه تا یک ماه و نیم را امکان‌پذیر کند و امکان مانور و شتاب‌گیری را هم فراهم می‌کند. [این در حالی است که] پیش‌ران‌های فعلی به مدت یک سال و نیم برای رسیدن به مریخ نیاز دارند و امکان بازگشت را هم فراهم نمی‌کنند.

شروع پروژه‌ی پیش‌ران گرماهسته‌ای در روسیه به سال ۲۰۱۰ باز می‌گردد و گروه مهندسی مربوط به این پروژه نیز در سال ۲۰۱۲ تشکیل شده بود. روس‌ها اعلام کرده‌اند که می‌خواهند آزمایش‌ها اولیه‌ی پیش‌ران گرماهسته‌ای خود را در سال ۲۰۱۸ به انجام برسانند؛ اما به کارگیری این راکت برای سفرهای مریخ تنها در سومین دهه از قرن بیست و یکم میلادی امکان‌پذیر خواهد شد. جالب اینجا است که بودجه‌ی اختصاصی روسیه برای این پروژه در سال ۲۰۱۶ معادل ۲۷۴ میلیون دلار بود؛ رقمی که برای پروژه‌های جاه‌طلبانه‌ی فضایی کوچک به‌نظر می‌رسد.

چالش‌های پیش رو

اصلی‌ترین چالش پیش‌روی راکت‌های گرماهسته‌ای، خطرات احتمالی ناشی از عملکرد نامناسب این راکت‌ها و انتشار مواد رادیواکتیو در سطح زمین یا اتمسفر است. خستگی فلزات، خطاهای احتمالی در فرایند طراحی و تولید راکت و برخورد با زباله‌های فضایی ممکن است منجر به انتشار مواد رادیواکتیو شوند. میزان آلودگی رادیواکتیو ایجاد شده به حجم راکت‌ها، شرایط آب و هوایی و پارامترهای راکت در زمان بازگشت به فضا مربوط می‌شود.

در عین حال، راکت‌های گرماهسته‌ای با هسته‌ی جامد حجم کمی از اورانیوم را با خود حمل می‌کنند و همین میزان اورانیوم حمل شده نیز در ترکیب‌های محکم کاربید یا کربن قرار دارد. از این رو، خطر پخش شدن مواد رادیواکتیو بسیار پایین خواهد بود؛ خطر آلودگی رادیواکتیو تنها زمانی که راکتورهای گرماهسته‌ای به مدت طولانی فعال بوده‌اند افزایش پیدا خواهد کرد.

تضاهرات ضد انرژی هسته‌ای / No to Nuclear

اما نباید از افکار عمومی و برخی نظرات منفی پیرامون استفاده از فناوری هسته‌ای در فضا نیز غافل شد. هرچند این اولین باری نیست که انسان دست به استفاده از انرژی هسته‌ای در فضا می‌زند؛ اما افکار عمومی ممکن است با استفاده از راکت‌های هسته‌ای مخالف باشند. با توجه به این مسئله، چالش‌های آتی سازمان‌های فضایی تنها شامل موارد فنی نخواهد شد؛ بلکه چنین موارد اجتماعی را هم در بر خواهد گرفت.

منبع: زومیت