پیشرانه‌های حرارتی هسته‌ای DRACO و سفر به مریخ
سفر به مریخ در کمتر از ۱۰۰ روز؛ کالبدشکافی پیشرانه حرارتی هسته‌ای DRACO ناسا، دستیابی به تکانه ویژه ۹۰۰ ثانیه و طلوع عصر موشک‌های شکافت امروزه.
- بررسی جامع علمی و ترمودینامیکی بازتعریف ماموریت‌های فضایی میان‌سیاره‌ای امروزه ورود موتورهای راکت پیشرانه حرارتی هسته‌ای (NTP) به فاز آزمایش مداری عملیاتی از طریق پروژه مشترک DRACO ناسا و دارپا. در این تحلیل موشکافانه، کالبدشکافی راکتورهای شکافت با سوخت اورانیوم غنی‌شده HALEU، گرمایش هیدروژن مایع تا دمای ۲۷۰۰ کلوین، دستیابی به تکانه ویژه (Isp) خارق‌العاده بیش از ۹۰۰ ثانیه (دوبرابر بهترین موتورهای شیمیایی تاریخ)، کاهش زمان سفر به مریخ از ۹ ماه به کمتر از ۱۰۰ روز و حفاظت فضانوردان در برابر پرتوهای کیهانی بررسی شده است.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
نفرین معادله موشک تسیولکوفسکی؛ چرا بشر با راکت‌های شیمیایی در منظومه شمسی گرفتار شده بود؟
از طلوع عصر فضا با ماهواره اسپوتنیک تا پرتاب‌های مدرن فضاپیماهای غول‌پیکر امروزی، موتورهای راکت بر مبنای واکنش‌های شیمیایی احتراق سوخت و اکسیدایزر (نظیر هیدروژن مایع با اکسیژن مایع یا متان با اکسیژن) کار کرده‌اند. اما ترمودینامیک احتراق شیمیایی دارای یک مرز فیزیکی تغییرناپذیر است: حداکثر تکانه ویژه (Specific Impulse یا Isp) حاصل از این سوخت‌ها به سختی می‌تواند از مرز ۴۵۵ ثانیه فراتر رود.
معادله سهمگین کنستانتین تسیولکوفسکی بیان می‌کند که برای ایجاد کوچک‌ترین افزایش در سرعت نهایی فضاپیما (Delta-V)، وزن سوخت مورد نیاز باید به صورت نمایی افزایش یابد. در یک سفر سنتی به مریخ، بیش از ۹۰ درصد کل جرم فضاپیمای مونتاژ شده در مدار را صرفاً سوخت تشکیل می‌دهد و فضانوردان باید سفری طاقت‌فرسا و پرخطر به مدت ۷ الی ۹ ماه را در هر مسیر تحمل نمایند.
در شرایطی که ماموریت‌های پایگاه دائمی آرتمیس روی ماه و تلسکوپ‌های اعماق فضا مقدمات حضور پایدار بشر را فراهم کرده‌اند، سفر طولانی به مریخ خطرات مرگباری نظیر قرار گرفتن در معرض بادهای خورشیدی، پرتوهای یونیزان کیهانی و تضعیف عضلات در بی‌وزنی مطلق را به همراه داشت. تنها راه شکستن این قفل ترمودینامیکی، بهره‌گیری از چگالی انرژی ۱۰ میلیون برابری هسته‌های اتمی بود.
کالبدشکافی ترمودینامیک DRACO؛ رقص هیدروژن خالص با قلب اورانیوم غنی‌شده HALEU
پروژه پیشگامانه DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) که محصول همکاری مشترک ناسا، آژانس دارپا و غول صنایع دفاعی لاکهید مارتین است، بر پایه پیشرانه حرارتی هسته‌ای (Nuclear Thermal Propulsion یا NTP) طراحی شده است. تفاوت بنیادین این سیستم با راکت‌های احتراقی در این است که در NTP هیچ سوختنی اتفاق نمی‌افتد؛ بلکه گرما مستقیماً از شکافت هسته‌ای استخراج می‌شود.
در قلب این موتور، یک راکتور شکافت هسته‌ای فشرده قرار دارد که با سوخت اورانیوم کم‌غنای با سنجش بالا (HALEU با غنای بین ۵ تا ۲۰ درصد اورانیوم ۲۳۵) درون ماتریس‌های سرامیکی مقاوم به دمای کاربید زیرکونیوم بارگذاری شده است. هیدروژن مایع فوق‌سرد با دمای منفی ۲۵۳ درجه سانتی‌گراد توسط توربوپمپ‌های پرقدرت از میان کانال‌های میکرو این قلب تپنده هسته‌ای عبور داده می‌شود.
طی کسری از ثانیه، هیدروژن مایع گرمای عظیم هسته‌ای را جذب کرده و دمای آن به بیش از ۲۷۰۰ کلوین (حدود ۲۴۳۰ درجه سانتی‌گراد) افزایش می‌یابد. به دلیل وزن مولکولی بسیار اندک هیدروژن (مولکول H2 سبک‌ترین ماده کائنات است)، گاز داغ با سرعت فوران صوتی خیره‌کننده بیش از ۹۰۰۰ متر بر ثانیه از نازل همگرا-واگرای راکت بیرون می‌زند و رانشی عظیم ایجاد می‌نماید.
جهش تکانه ویژه به بیش از ۹۰۰ ثانیه؛ نصف شدن مصرف سوخت و شتاب‌های مداری بی‌سابقه
تکانه ویژه معیار اصلی بهره‌وری یک موتور فضایی است؛ یعنی یک کیلوگرم سوخت تا چه مدت زمانی می‌تواند رانشی معادل یک نیوتن تولید کند. در حالی که پیشرفته‌ترین موتورهای شیمیایی مانند Raptor 3 تسلا یا RS-25 شاتل فضایی به تکانه ویژه ۴۵۰ ثانیه‌ای محدود هستند، موتور DRACO در تست‌های مداری دوران کنونی به تکانه ویژه شگفت‌انگیز ۹۰۰ الی ۹۵۰ ثانیه دست یافته است.
این راندمان دوبرابری به این معناست که برای دستیابی به همان شتاب مداری، فضاپیما تنها به نصف جرم سوخت نیاز دارد. این صرفه‌جویی عظیم در وزن، به مهندسان اجازه می‌دهد تا محفظه‌های باری بزرگ‌تر، سیستم‌های پشتیبانی حیات افزونه، تایرهای کاوشگرهای سنگین و سپرهای ضخیم ضدپرتو را برای اقامت طولانی در سیاره سرخ به همراه ببرند.
در کنار رویکردهای بدون پیشرانه نظیر بادبان‌های خورشیدی نانوساختاری و پیشرانه‌های فوتونی که برای کاوشگرهای سبک اعماق کیهان کاربرد دارند، پیشرانه‌های حرارتی هسته‌ای تنها گزینه عملی و واقعی بشر برای جابجایی سفینه‌های سرنشین‌دار صد تنی در میان سیارات منظومه شمسی به شمار می‌روند.
سفر به مریخ در کمتر از ۱۰۰ روز و کاهش تابش‌های یونیزان کیهانی بر تن و روان فضانوردان
محاسبات دینامیک مداری نشان می‌دهد که فضاپیمای سرنشین‌دار مجهز به موتور NTP می‌تواند مدت زمان ترانزیت زمین به مریخ را از ۲۷۰ روز متداول در پنجره‌های هومان به کمتر از ۹۰ الی ۱۰۰ روز تقلیل دهد؛ کاهشی چشمگیر که معادلات فیزیولوژی و بقای فضایی را دگرگون می‌سازد.
در سفرهای طولانی اعماق فضا، پرتوهای کیهانی کهکشانی (GCR) و ذرات پرانرژی خورشیدی به طور پیوسته DNA سلول‌ها را بمباران کرده و خطر ابتلا به سرطان‌های بدخیم و آسیب‌های شناختی مغز را افزایش می‌دهند. کاهش زمان سفر به یک‌سوم، مواجهه تجمعی فضانوردان با این تابش‌های ویرانگر را به زیر آستانه ایمنی مجاز استاندارد پزشکی ناسا می‌رساند.
علاوه بر این، در صورت بروز هرگونه بحران پزشکی یا نقص فنی جدی در حین پرواز، نیروی پیشرانه قدرتمند NTP پنجره‌های بازگشت اضطراری به زمین (Abort Trajectories) را برای نخستین بار در تاریخ کیهان‌نوردی مقدور می‌سازد؛ امکانی که در موشک‌های شیمیایی به دلیل محدودیت شدید سوخت عملاً غیرممکن بود.
پروتکل‌های ایمنی پرتاب مداری و آینده استعمار منظومه شمسی در دهه‌های آینده
یکی از دغدغه‌های دیرینه افکار عمومی در خصوص فناوری‌های هسته‌ای، ایمنی مرحله پرتاب از زمین است. در معماری ماموریت DRACO، راکتور در تمام طول فرآیند پرتاب از پایگاه زمینی به صورت کاملاً خاموش، غیرفعال و تحت قفل میله‌های کنترلی جاذب نوترون نگهداری می‌شود و هیچ‌گونه پسماند پرتوزایی تولید نمی‌کند.
راکتور تنها پس از رسیدن به یک «مدار هسته‌ای ایمن» (Nuclear Safe Orbit در ارتفاع بالای ۷۰۰ کیلومتری زمین که طول عمر مداری ماهواره صدها سال به طول می‌انجامد) و پس از انجام تمامی تست‌های تشخیصی خودکار، برای نخستین بار روشن و به وضعیت بحرانی کنترل‌شده می‌رسد. در صورت بروز هرگونه حادثه در مرحله پرتاب، سوخت HALEU سرامیکی در برابر شدیدترین انفجارها و برخوردهای اقیانوسی نیز نفوذناپذیر باقی می‌ماند.
با اثبات عملیاتی موتورهای حرارتی هسته‌ای امروزه دروازه‌های منظومه شمسی برای همیشه به روی بشر گشوده شده است؛ پلی تکنولوژیک که انسان را از مدار زمین رهانیده و رویای گام نهادن روی خاک سرخ مریخ، قمرهای مشتری و اقیانوس‌های پنهان قمر اروپا را به تقویمی مشخص در سال‌های نزدیک آینده پیوند زده است.
بیشتر از علم و فضا
