چرا فضا در آستانه ورود به عصر هسته‌ای خود قرار دارد؟

فرارو- در نوامبر سال گذشته، روسیه یک ماهواره از کار افتاده را منفجر کرد و ترکش‌هایی را ایجاد کرد که برای چندین دهه به دور زمین خواهند چرخید. آزمایش موشک با قابلیت «صعود مستقیم» اولین آزمایش برای روسیه بود و بازتاب آزمایش تسلیحاتی مشابهی بود که توسط چین در سال ۲۰۰۷ انجام شد که ابری ماندگار از زباله را ایجاد کرد. هند و آمریکا نیز سابقه شلیک به ماهواره‌های غیرفعال را داشته‌اند اگرچه خوشبختانه اقدامات آنان بدون ایجاد زباله‌های فضایی طولانی مدت مرتبط بوده است.

به گزارش فرارو به نقل از اکونومیست، تمام این تلاش‌ها باعث نگرانی مقام‌های دفاعی امریکا شده‌اند چرا که در صورت انفجار ماهواره‌های حیاتی امکان بروز جنگ وجود دارد. بنابراین، پنتاگون می‌خواهد نسل بعدی ماهواره‌هایش قدرت کافی برای فرار از حملات را داشته باشند. پنتاگون بر این باور است که پاسخ و راه حل در نیروی محرکه هسته‌ای نهفته است.

آژانس پروژه‌های پژوهشی پیشرفته دفاعی (دارپا) وابسته به وزارت دفاع امریکا فناوری موسوم به «پیش رانش حرارتی هسته ای» را آزمایش خواهد کرد. فضاپیمای دارپا با همکاری شرکت‌های آمریکایی، از جمله بلو اوریجین، جنرال اتمیکس و لاکهید مارتین یک راکتور هسته‌ای کوچک حمل خواهد کرد. در داخل آن راکتورها اتم‌های اورانیوم برای تولید گرمای فوق العاده تقسیم می‌شوند. این گرما توسط هیدروژن مایع مکیده شده از مخزن موجود در فضاپیما جذب می‌شود.

هیدروژن که در دمای ذخیره‌سازی سردتر از منفی ۲۵۳ درجه سانتی گراد قرار دارد با گرم شدن به سرعت منبسط می‌شود و با خروج گاز گرم شده از بخش پشتی فضاپیما نیروی رانش تولید می‌شود.

چنین فضاپیمایی می‌تواند ظرف مدت چند ساعت تا مدار ثابت بالای زمین نزدیک به میزان ۳۶۰۰۰ کیلومتر بالا برود. ماهواره‌هایی که از سوخت معمولی موشک استفاده می‌کنند برای سفر این چنینی به چندین روز زمان نیاز دارند. از بین بردن ماهواره‌های هسته‌ای با قدرت فراوان نیز دشوار است چرا مسیر حرکت آن را می‌توان به قدری تغییر داد که غیرقابل پیش بینی شود.

«دارپا» در بیانیه مطبوعاتی خود توضیح داده بود که هدف از برنامه «دراکو» نمایش یک سیستم پیشرانش حرارتی هسته‌ای (NTP) در مدار نزدیک زمین در سال ۲۰۲۵ است و در صورت موفقیت این ماموریت، «دارپا» اولین موشک از این نوع را خواهد ساخت که می‌تواند زمان سفر ما را در منظومه شمسی به میزان نصف کاهش دهد. با توجه به این که پیشران حرارتی هسته‌ای هرگز در فضا آزمایش نشده است این یک جدول زمانی بلندپروازانه است.

محدودیت‌های سیستم‌های رانش الکتریکی و شیمیایی موجب می‌شود که آن‌ها قادر به دستیابی به سرعت مورد نیاز برای سفر به نقاط دورتر جهان نباشند.

واحد نوآوری دفاعی پنتاگون (DIU) دومین ابتکار عمل هسته‌ای را اجرا می‌کند. در سپتامبر ۲۰۲۱ میلادی، آن واحد خواستار دریافت پیشنهادهایی برای سیستم‌های هسته‌ای به منظور پیش رانش ماهواره‌ای شده است. شرکت‌هایی که ایده‌های خود را مطرح می‌کنند باید یک شرط مهم را رعایت نمایند: آن‌ها باید از فناوری پیشرانه حرارتی هسته‌ای که دارپا در حال حاضر روی آن کار می‌کند اجتناب ورزند.

آن‌ها باید بتوانند ظرف سه تا پنج سال یک نمونه اولیه بسازند و نیاز به یک برنامه معتبر برای آزمایش در فضا دارند. از میان ده‌ها پیشنهاد دریافت شده توسط واحد نوآوری دفاعی پنتاگون دو برنده اول قرار است اواخر ماه جاری اعلام شوند.

«رایان وید» کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده که برنامه واحد نوآوری دفاعی پنتاگون را هدایت می‌کند می‌گوید که پیشنهادات ارائه شده در دسته بندی‌های مجزا قرار می‌گیرند. برخی راکتورهای هسته‌ای را ترکیب می‌کنند، اما نه برای گرم کردن هیدروژن مایع در عوض، گرما برای تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرد که سپس بر روی گاز پیشران مانند زنون اعمال می‌شود و باعث شارژ یون‌ها شده و به دلیل وجود میدان الکتریکی یا مغناطیسی از نازل خارج شده و نیروی رانش ایجاد می‌کنند.

رانشگرهای یونی ایده جدیدی نیستند، اما یک راکتور هسته‌ای می‌تواند برق بسیار بیش‌تری را برای تامین انرژی حتی در مقایسه با یک پنل خورشیدی بزرگ تولید کند. ردیابی و غیر فعال کردن ماهواره‌های بدون پنل‌های خورشیدی برای اهداف نظامی نیز برای دشمنان دشوارتر خواهد بود.

بسیاری از طرح‌های پیشرانه‌های الکتریکی هسته ای، نیاز به فرآیند شکافت اتم‌ها دارد که در نیروگاه‌های اتمی زمینی مورد استفاده قرار می‌گیرند. کیت فضایی حداقل یک تن وزن دارند بنابراین انرژی را تنها برای ماهواره‌های بزرگ تامین می‌کنند.

پیشنهادات دیگر برای ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (RTGs) است. گونه‌ای باتری اتمی است که گرمای به دست آمده از واپاشی هسته‌ای را به جریان برق تبدیل می‌کند.

طرز کار باتری اتمی از نوع RTG با استانداردهای اتمی ساده است. بیش‌تر این باتری‌ها از ترموکوپل برای تبدیل گرمای حاصل از واپاشی هسته‌ای به انرژی پتانسیل الکتریکی استفاده می‌کنند. محفظه محکمی حاوی ماده پرتوزا است که ترموکوپل‌هایی در اطراف دیواره‌های محفظه قرار گرفته‌اند و سر دیگر ترموکوپل‌ها به یک خنک کننده متصل شده است. واپاشی هسته‌ای سوخت اتمی، گرمایی تولید می‌کند که از طریق ترموکوپل‌ها به سمت خنک کننده جریان پیدا می‌کند و در این فرایند جریان الکتریسیته تولید می‌شود.

این نوع «باتری‌های هسته‌ای» مدت هاست که برای تامین انرژی کاوشگرهایی که به اعماق فضا فرستاده می‌شوند استفاده می‌شوند جایی که به طور خاص انرژی ضعیف است. به جای ساخت یک راکتور هسته ای، یک RTG از دستگاه‌هایی به نام ترموکوپل برای تولید وات متوسطی از گرمای آزاد شده توسط فروپاشی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو استفاده می‌کند.

پلوتونیوم-۲۳۸ که محصول جانبی توسعه تسلیحات است توسط ناسا برای تامین انرژی هر دو کاوشگر وویجر که در دهه ۱۹۷۰ پرتاب شد و هنوز کار می‌کند و هم چنین مریخ نورد کنجکاوی که در حال حاضر در اطراف مریخ می‌چرخد استفاده شده است. با این وجود، پلوتونیوم -۲۳۸ به شدت تنظیم شده و کمبود ذخیره دارد و با نیمه عمر ۸۷.۷ سال، گرمایی که از فروپاشی رادیواکتیو تولید می‌کند در مدت طولانی پخش می‌شود؛ بنابراین واحد نوآوری دفاعی پنتاگون به دنبال جایگزین‌هایی با نیمه عمر کوتاه‌تر و چگالی توان حرارتی بسیار بالاتر است.

کبالت - ۶۰ با نیمه عمر ۵.۳ سال، یک جایگزین امیدوار کننده و در دسترس تجاری است. هدف واحد نوآوری دفاعی پنتاگون آن است که RTGها برق را برای نیروی رانش و هم چنین لوازم الکترونیکی داخل هواپیما و برای ماهواره‌هایی که به اندازه یک ماشین لباسشویی هستند تامین کنند.

با این حال، ارسال دستگاه‌های هسته‌ای به ویژه راکتورها به فضا تا چه میزان ایمن است؟ «ناتان گرینر» یک سرگرد نیروی هوایی امریکا که برنامه دارپا را هدایت می‌کند می‌گوید که یکی از نگرانی‌هایی که اغلب وجود دارد و درباره آن پرسش‌هایی از وی مطرح می‌شود درباره انفجار احتمالی فضاپیمای دراکو در سکوی پرتاب است. او می‌گوید که چنین رویدادی خطری بیش‌تر از انفجار یک فضاپیمای معمولی نخواهد داشت، زیرا راکتور در آن نقطه روشن نمی‌شود و سوخت اورانیوم آن هیچ خطر رادیولوژیکی ایجاد نخواهد کرد.

با این وجود، اگر راکتور هسته‌ای در دریا سقوط کند مشکل بزرگ‌تر خواهد بود. آب می‌تواند آغاز یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را تشویق کند که در آن اتم‌های اورانیوم شکافته شده و نوترون‌هایی را آزاد می‌کنند که می‌توانند شکافت اتم‌های اورانیوم بیش‌تری را موجب شوند.

اگر این واکنش زنجیره‌ای کنترل نشود می‌تواند منجر به ذوب شود؛ بنابراین دراکو به گونه‌ای پیکربندی شده است که حتی اگر در اب غوطه‌ور شود سیم‌های ساخته شده از عنصر بور در جای خود باقی می‌مانند. بور در راکتورهای هسته‌ای برای تعدیل یا حتی توقف شکافت هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خطر دیگر ورود مجدد تصادفی به جو است. اتحاد جماهیر شوروی حداقل ۳۳ ماهواره جاسوسی را با راکتورهای هسته‌ای برای تولید انرژی پرتاب کرد. در یک حادثه، راکتور ماهواره‌ای به نام کاسموس ۹۵۴ در پایان ماموریت خود نتوانست به اندازه کافی صعود کرده و به یک مدار دفع برسد.

زمانی که کاسموس ۹۵۴ در سال ۱۹۷۸ میلادی درهم شکست تکه‌هایی از آن از طریق جو زمین در کشور کانادا افتادند. «تابیتا دودسون» مهندس ارشد دراکو می‌گوید برای جلوگیری از حادثه مشابه، راکتور هسته‌ای دارپا در مدارهای پایین پرواز نخواهد کرد.

برای مدت زمان طولانی، دانشمندان بر این باور بودند برای این که یک راکتور هسته‌ای بتواند روی موشک قرار گیرد باید با سوختی کار کند که مبنای آن اورانیوم ۲۳۵ بسیار غنی شده است یعنی ایزوتوپی از اورانیوم که به راحتی از هم جدا می‌شود. به عنوان مثال، سوخت کاسموس ۹۵۴ شوروی، اورانیوم ۲۳۵ با درجه غنای ۹۰ درصد بود مشابه ماده‌ای که در بمب اتمی منفجر شده بر فراز هیروشیما در سال ۱۹۴۵ استفاده شده بود.

با توجه به ظرفیت نگران کننده چنین سوختی برای استفاده دوگانه دانشمندان مجبور شده‌اند با بوروکراسی سخت گیرانه، تاخیرهای طولانی مدت و هزینه‌های هنگفت هنگام ساخت راکتورهای هسته‌ای دست و پنجه نرم کنند.

با این وجود، مدل‌سازی رایانه‌ای بهتر در سال‌های اخیر به دانشمندان این امکان را داده است که راکتورهایی را طراحی کنند که در آن سوخت مورد استفاده اورانیوم ۲۳۵ با غنای کم‌تر از ۲۰ درصد باشد. این میزان غنای اورانیوم بسیار کم‌تر از درجه غنای اورانیوم مورد نیاز برای ساخت سلاح اتمی است. بنابراین، محدودیت‌های دولتی درباره استفاده از آن اورانیوم با سخت گیری کم‌تری همراه خواهند بود.

این تنها آمریکا نیست که در حال تلاش برای پیشرفت هسته‌ای فضایی است. چین و روسیه نیز قدرت هسته‌ای را برای استفاده در فضا توسعه می‌دهند و در حال ساخت و آزمایش ناوگانی از شاتل‌های فضایی هسته‌ای در سالیان اخیر بوده اند. روسیه یک فضاپیما به نام زئوس را طراحی می‌کند که مجهز به راکتور هسته‌ای خواهد بود. آژانس فضایی روسیه (روسکوموس) امیدوار است که آن فضاپیما را در سال ۲۰۳۰ میلادی راه اندازی کند.

علاقه مندی به انرژی هسته‌ای تنها مربوط به پنتاگون نیست. ناسا نیز مشتاق اعزام فضانوردان به مریخ در حال مطالعه برای توسعه نیروی حرارتی هسته‌ای است. سیستم دوم به نام موتور مریخ یا PADME-Power نامگذاری شده است و نمونه اولیه آن در سال ۲۰۲۶ آزمایش خواهد شد.

PADME حدود ۳.۵ تن وزن خواهد داشت و با یک بار قرارگیری در مدار قادر به سرعت بخشیدن به یک فضاپیمای بزرگ در مسافتی ۱۲ کیلومتر در حدود ۱۵ دقیقه است. ناسا می‌خواهد آن را در یک مأموریت ارسال محموله احتمالی به مریخ در سال‌های ۲۰۳۰ آزمایش کند.

تا پایان دهه فعلی، ناسا هم چنین می‌خواهد یک نیروگاه هسته‌ای با قابلیت تولید برق را به ماه پرتاب کند. پیشنهادات برای تولید ۱۰ کیلووات برق در فضا تا اواسط فوریه به آژانس فضایی خواهد رسید. این بدان معنی است که فضا به عصر هسته‌ای خود وارد می‌شود.