ad

پیشنهاد سردبیر

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

تاریخ انتشار : 02 خرداد 1397
ناشر : محمد مهدی عبدی
مهندسی بی‌نهایت: راکت های گرماهسته‌ای؛ سفر به مریخ در ۴۵ روز

در این مطلب با راکت‌های گرماهسته‌ای آشنا می‌شویم؛ راکت‌هایی که می‌توانند خیال‌پردازی‌های کیهانی بشر را به حقیقت تبدیل کنند.

ad

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.

nuclear-thermal-rockets-mars-45-days

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.

nuclear-thermal-rockets-mars-45-days

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.

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.

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.

nuclear-thermal-rockets-mars-45-days

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.

nuclear-thermal-rockets-mars-45-days

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.

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.

دسته بندی :
علوم پایه و مهندسی
اشتراک گذاری :
نظرات :
نظری یافت نشد!

همین حالا اولین نظر را به ثبت برسانید!

ad
ad
آبتیس
صفحه اصلی
موبایل
تکنولوژی
خودرو
بازی و نرم افزار
تبلیغات
درباره ما