عصر جديد لاستكشاف الفضاء وراء محركات الصواريخ الاندماجية

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

تحلم ناسا وإيلون ماسك بالمريخ ، وستصبح مهمات الفضاء السحيق المأهولة حقيقة واقعة قريبًا. ربما ستفاجأ ، لكن الصواريخ الحديثة تطير أسرع قليلاً من صواريخ الماضي.

تعد سفن الفضاء السريعة أكثر ملاءمة لمجموعة متنوعة من الأسباب ، وأفضل طريقة للتسريع هي من خلال الصواريخ التي تعمل بالطاقة النووية. تتمتع هذه الصواريخ بالعديد من المزايا مقارنة بالصواريخ التي تعمل بالوقود التقليدي أو الصواريخ الكهربائية الحديثة التي تعمل بالطاقة الشمسية ، ولكن في السنوات الأربعين الماضية ، أطلقت الولايات المتحدة ثمانية صواريخ فقط تعمل بالطاقة النووية.

ومع ذلك ، في العام الماضي ، تغيرت القوانين المتعلقة بالسفر إلى الفضاء النووي ، وبدأ بالفعل العمل على الجيل التالي من الصواريخ.

لماذا السرعة مطلوبة؟

في المرحلة الأولى من أي رحلة إلى الفضاء ، هناك حاجة إلى مركبة إطلاق - تأخذ السفينة إلى المدار. تعمل هذه المحركات الكبيرة بالوقود القابل للاشتعال - وعادة عندما يتعلق الأمر بإطلاق الصواريخ ، فهي مصممة. إنهم لن يذهبوا إلى أي مكان في أي وقت قريب - مثل قوة الجاذبية.

ولكن عندما تدخل السفينة الفضاء ، تصبح الأمور أكثر إثارة للاهتمام. للتغلب على جاذبية الأرض والذهاب إلى الفضاء السحيق ، تحتاج السفينة إلى تسارع إضافي. هذا هو المكان الذي تلعب فيه الأنظمة النووية. إذا أراد رواد الفضاء استكشاف شيء ما وراء القمر أو حتى المريخ أكثر من ذلك ، فسيتعين عليهم الإسراع. الكون ضخم والمسافات كبيرة نوعًا ما.

هناك سببان لكون الصواريخ السريعة مناسبة بشكل أفضل للسفر في الفضاء لمسافات طويلة: الأمان والوقت.

في طريقهم إلى المريخ ، يواجه رواد الفضاء مستويات عالية جدًا من الإشعاع ، محفوفًا بمشاكل صحية خطيرة ، بما في ذلك السرطان والعقم. يمكن أن يساعد التدريع الإشعاعي ، لكنه ثقيل للغاية وكلما طالت المهمة ، زادت قوة التدريع. لذلك ، فإن أفضل طريقة لتقليل جرعة الإشعاع هي ببساطة الوصول إلى وجهتك بشكل أسرع.

لكن سلامة الطاقم ليست هي الفائدة الوحيدة. كلما خططنا لرحلات أطول ، كلما احتجنا سريعًا إلى بيانات من المهمات غير المأهولة. استغرق الأمر فوييجر 2 12 عامًا للوصول إلى نبتون - وبينما كانت تحلق بالقرب منه ، التقطت بعض الصور المذهلة. إذا كان لدى Voyager محرك أكثر قوة ، لكانت هذه الصور والبيانات قد ظهرت في علماء الفلك قبل ذلك بكثير.

لذا فإن السرعة ميزة. لكن لماذا الأنظمة النووية أسرع؟

أنظمة اليوم

بعد التغلب على قوة الجاذبية ، يجب أن تأخذ السفينة في الاعتبار ثلاثة جوانب مهمة.

دفع- ما التسارع الذي ستتلقاه السفينة.

كفاءة الوزن- مقدار الدفع الذي يمكن للنظام إنتاجه لكمية معينة من الوقود.

استهلاك الطاقة المحدد- مقدار الطاقة الذي تطلقه كمية معينة من الوقود.

اليوم ، المحركات الكيميائية الأكثر شيوعًا هي الصواريخ التقليدية التي تعمل بالوقود والصواريخ الكهربائية التي تعمل بالطاقة الشمسية.

توفر أنظمة الدفع الكيميائي قدرًا كبيرًا من الدفع ، ولكنها ليست فعالة بشكل خاص ، ووقود الصواريخ ليس كثيفًا للطاقة. حمل صاروخ ساتورن 5 الذي حمل رواد فضاء إلى القمر 35 مليون نيوتن من القوة عند الإقلاع وحمل 950 ألف جالون (4318787 لترًا) من الوقود. ذهب معظمها إلى دخول الصاروخ إلى المدار ، لذا فإن القيود واضحة: أينما ذهبت ، فأنت بحاجة إلى الكثير من الوقود الثقيل.

تولد أنظمة الدفع الكهربائية قوة دفع باستخدام الكهرباء من الألواح الشمسية. الطريقة الأكثر شيوعًا لتحقيق ذلك هي استخدام مجال كهربائي لتسريع الأيونات ، على سبيل المثال ، كما هو الحال في دافع حث هول. تُستخدم هذه الأجهزة لتشغيل الأقمار الصناعية ، وتبلغ كفاءتها في الوزن خمسة أضعاف كفاءة الأنظمة الكيميائية. لكن في نفس الوقت يعطون قوة دفع أقل بكثير - حوالي 3 نيوتن.هذا يكفي فقط لتسريع السيارة من 0 إلى 100 كيلومتر في الساعة في حوالي ساعتين ونصف. تعتبر الشمس في الأساس مصدر طاقة لا نهاية له ، ولكن كلما ابتعدت السفينة عنها ، قل فائدتها.

أحد الأسباب التي تجعل الصواريخ النووية واعدة بشكل خاص هو كثافة طاقتها المذهلة. يحتوي وقود اليورانيوم المستخدم في المفاعلات النووية على طاقة تصل إلى أربعة ملايين ضعف محتوى الهيدرازين ، وهو وقود صاروخي كيميائي نموذجي. وإن نقل بعض اليورانيوم إلى الفضاء أسهل بكثير من نقله إلى مئات الآلاف من الغالونات من الوقود.

ماذا عن كفاءة الجر والوزن؟

خياران نوويان

بالنسبة للسفر عبر الفضاء ، طور المهندسون نوعين رئيسيين من الأنظمة النووية.

الأول هو محرك نووي حراري. هذه الأنظمة قوية للغاية وذات كفاءة عالية. يستخدمون مفاعل انشطار نووي صغير - مثل تلك الموجودة في الغواصات النووية - لتسخين غاز (مثل الهيدروجين). ثم يتم تسريع هذا الغاز من خلال فوهة الصاروخ لتوفير الدفع. حسب مهندسو ناسا أن الرحلة إلى المريخ باستخدام محرك نووي حراري ستكون أسرع بنسبة 20-25٪ من صاروخ بمحرك كيميائي.

تعد محركات الاندماج أكثر كفاءة من المحركات الكيميائية بمرتين. هذا يعني أنها تقدم ضعف قوة الدفع لنفس الكمية من الوقود - ما يصل إلى 100000 نيوتن من الدفع. هذا يكفي لتسريع السيارة إلى سرعة 100 كيلومتر في الساعة في حوالي ربع ثانية.

النظام الثاني هو محرك صاروخي كهربائي نووي (نيب). لم يتم إنشاء أي منها حتى الآن ، ولكن الفكرة هي استخدام مفاعل انشطاري قوي لتوليد الكهرباء ، والتي ستعمل بعد ذلك على تشغيل نظام دفع كهربائي مثل محرك هول. سيكون ذلك فعالاً للغاية - حوالي ثلاث مرات أكثر كفاءة من محرك الاندماج. نظرًا لأن قوة المفاعل النووي هائلة ، يمكن للعديد من المحركات الكهربائية المنفصلة العمل في نفس الوقت ، وسيصبح الدفع صلبًا.

ربما تكون محركات الصواريخ النووية هي الخيار الأفضل للمهام بعيدة المدى للغاية: فهي لا تتطلب طاقة شمسية ، وهي فعالة للغاية وتوفر قوة دفع عالية نسبيًا. ولكن على الرغم من طبيعتها الواعدة ، لا يزال نظام الدفع بالطاقة النووية يعاني من الكثير من المشاكل التقنية التي يجب حلها قبل تشغيلها.

لماذا لا يوجد حتى الآن صواريخ تعمل بالطاقة النووية؟

تمت دراسة المحركات النووية الحرارية منذ الستينيات ، لكنها لم تطير بعد إلى الفضاء.

بموجب ميثاق السبعينيات ، تم النظر في كل مشروع فضاء نووي على حدة ولا يمكن المضي قدمًا دون موافقة عدد من الوكالات الحكومية والرئيس نفسه. إلى جانب نقص التمويل للبحث في أنظمة الصواريخ النووية ، أدى ذلك إلى إعاقة تطوير المزيد من المفاعلات النووية لاستخدامها في الفضاء.

لكن كل هذا تغير في أغسطس 2019 عندما أصدرت إدارة ترامب مذكرة رئاسية. مع الإصرار على أقصى درجات الأمان لعمليات الإطلاق النووية ، لا يزال التوجيه الجديد يسمح بالبعثات النووية بكميات منخفضة من المواد المشعة دون موافقة معقدة بين الوكالات. يعتبر التأكيد من قبل وكالة راعية مثل ناسا أن المهمة تمتثل لتوصيات السلامة كافياً. تمر المهمات النووية الكبيرة بنفس الإجراءات المتبعة في السابق.

إلى جانب هذه المراجعة للقواعد ، تلقت وكالة ناسا 100 مليون دولار من ميزانية عام 2019 لتطوير المحركات النووية الحرارية. تعمل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة أيضًا على تطوير محرك فضاء نووي حراري لعمليات الأمن القومي خارج مدار الأرض.

بعد 60 عامًا من الركود ، من الممكن أن يصل صاروخ نووي إلى الفضاء في غضون عقد من الزمن. هذا الإنجاز المذهل سيدشن حقبة جديدة من استكشاف الفضاء. سيذهب الإنسان إلى المريخ ، وستؤدي التجارب العلمية إلى اكتشافات جديدة في جميع أنحاء النظام الشمسي وما بعده.