سفر به مریخ در ۴۵ روز
زوميت/ در اين مطلب با راکتهاي گرماهستهاي آشنا ميشويم؛ راکتهايي که ميتوانند خيالپردازيهاي کيهاني بشر را به حقيقت تبديل کنند. بر اساس پيشبينيهاي فعلي، در بهترين حالت، براي رسيدن به مريخ به زماني حدود ۹ ماه نياز خواهيم داشت؛ اما با در نظر گرفتن عوامل مختلفي نظير فاصلهي متغير زمين تا مريخ و موقعيت اين دو سياره نسبت به خورشيد، براي انجام سفرهاي سرنشيندار به سيارهي سرخ، ممکن است به ۱۸ ماه زمان نياز داشته باشيم. فرسودگي فيزيکي، خستگي روحي و حفظ و جيرهبندي آب و مواد غذايي تنها چالشهاي پيش روي کيهاننوردان در اين سفر ۱۸ ماهه نخواهند بود؛ قرار گرفتن در معرض تابشهاي مضر راديواکتيو (آن هم به مدت طولاني) و احتمال ابتلا به سرطان نيز از جمله خطراتي هستند که کيهاننوردان را در اين مسير پرخطر تهديد ميکنند. راکتهاي شيميايي فعلي به حداکثر ظرفيت خود رسيدهاند و بشر براي به دستيابي به راهکاري مناسبتر براي سفرهاي بينسيارهاي، نيازمند توسعه و ساخت ابزاري جديد است؛ ابزاري که بتواند انسان را در مدتي کوتاه به مقصد کيهاني مورد نظرش برساند. در اين ميان، مهار انرژي هستهاي براي سفر به سيارات ديگر، يکي از گزينههاي پيش روي مهندسان است. تا کنون دو پيشنهاد عمده براي مهار انرژي هستهاي و استفاده از آن در سفرهاي فضايي ارائه شده است. يکي از اين پيشنهادها، استفاده از پيشرانش پالس هستهاي بوده و راهکار ديگر نيز استفاده از راکتهاي گرماهستهاي است. در اين مطلب به معرفي و بررسي راکتهاي گرماهستهاي ميپردازيم و سعي ميکنيم در آينده و در مطلبي جداگانه، پيشرانش پالس هستهاي را نيز معرفي کنيم. اميدواريم تا انتها زوميت را همراهي کنيد. راکت گرماهستهاي چيست؟ در راکتهاي فضايي شيميايي، نيروي پيشرانش از احتراق مواد شيميايي حاصل ميشود. در اين راکتها، سوخت (براي مثال، هيدروژن مايع) با مادهي اکسيد کننده (براي مثال، اکسيژن مايع) در مخازن جداگانهاي نگهداري ميشوند. در زمان پرتاب، سوخت و مادهي اکسيد کننده از طريق پمپهايي به محفظهي احتراق تزريق ميشوند و احتراق در اين محفظه صورت ميپذيرد. گازهاي حاصل از احتراق نيز با سرعت بالايي از نازل تحتاني موشک خارج ميشود. با توجه به جهت خروج گازهاي حاصل از احتراق و بر اساس سومين قانون حرکت نيوتون (قانون کنش و واکنش)، راکت به سمت آسمان به حرکت درميآيد. در تصوير زير ميتوانيد ساختار يک راکت شيميايي را مشاهده کنيد. ساختار راکت شيميايي با سوخت مايع اما شيوهي فعاليت راکتهاي گرماهستهاي متفاوت است. در اين راکتها، يک رآکتور هستهاي وظيفهي توليد گرما را بر عهده دارد؛ مادهاي مانند هيدروژن مايع نيز همزمان بهعنوان مادهي پيشران و خنککنندهي رآکتور عمل ميکند. با شروع شکافت هستهاي و گرم شدن رآکتور، هيدروژن مايع (يا هر مادهي ديگري که نقش خنککننده و پيشران را برعهده دارد) به رآکتور وارد ميشود؛ پس از خنک شدن راکتور، هيدروژن مايع که پس از جذب حرارت توليدشده در راکتور به حالت گاز درآمده، با سرعت از نازل تحتاني موشک خارج ميشود. همانند گازهاي خارجشده از نازل خروجي راکتهاي شيميايي، هيدروژن خارجشده از نازل موشکهاي گرماهستهاي نيز موجب پيشرانش موشک ميشود. در تصوير ذيل ميتوانيد ساختار يک راکت گرماهستهاي را مشاهده کنيد. چرا به راکتهاي گرماهستهاي نياز داريم؟ از زمان پرتاب اولين ماهوارهي ساخت بشر (اسپوتنيک ۱) به فضا؛ وظيفهي رساندن انسان و ديگر محمولههاي فضايي برعهدهي راکتهاي شيميايي بوده است. تاکنون موفق شدهايم با همين راکتها به مدار زمين سفر کنيم و حتي به ماه برسيم؛ اما براي رسيدن به مقاصدي همچون مريخ و اهداف دوردستتر، بايد به راکتهاي کارآمدتري دست پيدا کنيم. کارآمدي راکتهاي فضايي توسط مولفهاي موسوم به تکانهي ويژه (Isp) سنجيده ميشود؛ تکانهي ويژه با تقسيم نيروي پيشرانش توليدي بر سرعت خروج مادهي سوختي از موتور موشک محاسبه ميشود. بديهي است که اگر در يک راکت سوخت با سرعت کمتري مصرف شود يا ميزان نيروي پيشرانش توليدي افزايش يابد، تکانهي ويژه افزايش پيدا ميکند. يکي از برتريهاي اصلي راکتهاي گرماهستهاي، افزايش قابل توجه تکانهي ويژه است؛ بهطوري که تکانهي ويژهي اين راکتها بيش از دوبرابر راکتهاي شيميايي است. براي مثال، تکانهي ويژهي مرحلهي چهارم راکت ساترن ۵ معادل ۴۲۰ ثانيه است؛ درحاليکه تکانهي ويژهي برخي راکتهاي گرماهستهاي به ۸۰۰ تا ۹۰۰ ثانيه ميرسد. از طرفي، وزن راکتهاي گرماهستهاي کمتر است و گاهي به کمتر از نيمي از وزن راکتهاي شيميايي ميرسد. به اين دليل، استفاده از پيشرانش گرماهستهاي ميتواند نويددهندهي ساخت راکتهايي بهمراتب توانمندتر باشد. اکنون که زمزمهي سفرهاي سرنشيندار به سوي مريخ و اهداف دورتر تبديل به برنامهها و اهدافي شده است که بهطور رسمي اعلام ميشوند؛ نياز به چنين راکتهايي بيشتر از گذشته احساس ميشود. براي چنين سفرهايي، نميتوان بهطور کامل به پنلهاي خورشيدي متکي بود و براي بهکارگيري راکتهاي شيميايي نيز مجبور به حمل حجم زيادي از مواد اکسيدکننده و پيشران هستيم. سفرهاي سريعتر به سيارات دوردست، اثرات منفي نبود نيروي گرانش و تابشهاي راديواکتيو بر بدن کيهاننوردان را کاهش ميدهد. برخلاف راکتهاي شيميايي، غيرفعال شدن و فعالسازي مجدد پيشرانهاي گرماهستهاي بسيار ساده است و اين مسئله باعث ميشود امکان لغو مأموريتهاي فضايي سادهتر باشد. همچنين، پس از فرود روي سطح سياراتي مانند مريخ، ميتوان از راکتهاي گرماهستهاي بهعنوان منبعي موقت براي توليد برق استفاده کرد. ناسا اکنون در حال کار روي اين راکتها است و سازمان فضايي روسيه (روس کاسموس) نيز اعلام کرده که در نظر دارد با استفاده از راکتهاي گرماهستهاي، مدتزمان لازم براي سفر به مريخ را به ۴۵ روز کاهش دهد. در ادامه، پس از آشنايي با طرحهاي مختلف ارائهشده با راکتهاي گرماهستهاي، با تلاشهاي پيشين و تحقيقات کنوني روي اين راکتها بيشتر آشنا ميشويم. طرحهاي مختلف پيشرانهاي گرماهستهاي تا کنون چهار طرح براي پيشرانهاي گرماهستهاي ارائه شده است. از ميان طرحهاي ارائهشده، تنها پيشرانهاي هستهاي با هستهي جامد به مرحلهي ساخت و آزمايش رسيدهاند و باقي طرحها صرفا در حد ايده باقي ماندهاند و با چالشهاي تئوريک و عملي فراواني روبهرو هستند. پيشرانهاي داراي هستهي جامد پيشرانشهاي داراي هستهي جامد سادهترين و سبکترين نوع پيشرانهاي گرماهستهاي هستند. در اين پيشرانها، همانطور که پيش از اين توضيح داده شد، يک مادهي پيشران که نقش خنککنندهي رآکتور هستهاي را هم بازي ميکند، از مرکز رآکتور عبور ميکند و پس از خنکسازي رآکتور با دماي بالا از نازل خروجي به بيرون منتقل ميشود. حداکثر قدرت يک پيشران گرماهستهاي با هستهي جامد به نقطهي ذوب مواد بهکاررفته براي ساخت هستهي رآکتور وابسته است؛ از اين رو، در هستهي رآکتور از موادي استفاده ميشود که بتوانند دماي بالا را تحمل کنند. همين محدوديت دمايي به پاشنهي آشيل پيشرانهاي گرماهستهاي با هستهي جامد تبديل شده است؛ چرا که فرايند شکافت هستهاي گرماي زيادي توليد ميکند، اما پتانسيل اين رآکتورها براي توليد گرما به نقطهي ذوب مواد بهکاررفته در آن محدود ميشود. همچنين، از آنجا که مادهي پيش ران تنها مادهي خنککننده در اين طرح است و مکانيزم خنککنندهي ديگري وجود ندارد، ميلههاي سوختي مورد استفاده در رآکتور تغييرات دمايي شديدي را تجربه ميکنند و همين مسئله ميتواند موجب ترک خوردن آنها شود. ساختار پيشران NRX؛ نوعي پيشران گرماهستهاي با هستهي ثابت پيشرانهاي گرماهستهي با هستهي جامد که از هيدروژن مايع بهعنوان پيشران استفاده ميکنند، ميتوانند به تکانهي ويژهاي بين ۸۵۰ تا ۱۰۰۰ ثانيه دست پيدا کنند که دو برابر تکانهي ويژهي راکتهاي شيميايي رايج است. در عين حال، مواد ديگري نظير اکسيژن مايع و آمونياک نيز بهعنوان گزينههاي ديگر جهت جايگزيني هيدروژن مايع پيشنهاد شدهاند. همچنين، وزن پيشرانهاي گرماهستهاي موجود نسبت به نيروي پيشرانش توليدشده توسط آنها زياد است. براي مثال، در پيشرانهاي شيميايي، نسبت نيروي پيشرانش توليدي به وزن پيشران ۷۰ به ۱ و براي پيشرانهاي گرماهستهاي اين نسبت ۷ به ۱ است. همانطور که ميدانيد، اکثر راکتهاي فضايي از چندين مرحله تشکيل شدهاند. با تفاسير فوق، راکتهاي شيميايي براي استفاده در مرحلهي اول راکتها و پرواز از سطح زمين مناسبتر هستند؛ اما پس از قرار گرفتن راکت در شرايط بيوزني، کفهي ترازو به نفع پيشرانهاي گرماهستهاي سنگيني خواهد کرد. به همين دليل، اين پيشرانها بيشتر براي استفاده در مراحل ثانويهي راکتها مناسب خواهند بود. پيشرانهاي گرماهستهاي ضرباني پيشرانهاي گرماهستهاي ضرباني يا پالسي (با پيشرانش پالس هستهاي اشتباه گرفته نشود)، نوعي از پيشرانهاي گرماهستهاي با هستهي جامد هستند که ميتوانند در حالت متعارف و حالت ضرباني فعاليت کنند. از آنجا که زمان سکونت مادهي پيشران در هستهي رآکتور در اين حالت کمتر از حالت متعارف است، ميتوان انرژي توليدي را بهطور قابل توجهي افزايش داد. در حالت ضرباني، برخلاف پيشرانهاي گرماهستهاي با هستهي جامد، مادهي پيشران توسط شار نوتروني شديد حاصل از ضربانها گرم ميشود و اين گرما بهسرعت تبديل به انرژي جنبشي ميشود؛ در چنين حالتي، از نظر تئوريک مادهي پيشران ميتواند حتي از سوخت هستهاي نيز بيشتر گرم شود. با اين وجود، برخلاف پيشرانهاي گرمايشي هستهاي کلاسيک، در پيشرانهاي گرماهستهاي ضرباني، انرژي حاصل از شکافتهاي هستهاي ناخواسته است. در عين حال، طرح اين نوع پيشران که اکنون تنها در حد يک ايده باقيمانده با چالشهايي روبهرو است. فراهم کردن سيستمي که بتواند هستهي رآکتور را در حالت ضرباني قرار دهد و چندهزار ضربان در هر ثانيه توليد کند امري چالش برانگيز است؛ چرا که ابزارهاي مکانيکي موجود به هيچ وجه نميتوانند چنين نيازي را برآورده کنند. همچنين، از آنجا که انرژي حاصل از شکافت هستهاي در حالت ضرباني ناخواسته است، بايد مکانيزم جداگانهاي براي دفع گرماي حاصل از شکافت هستهاي ايجاد شود که اين امر نيز موجب پيچيدگي اين طرح خواهد شد. پيشرانهاي گرماهستهاي با هستهي مايع از نظر تئوريک، ميتوان سوخت هستهاي و مادهي پيشران را با يکديگر ترکيب کرد؛ چنين کاري اجازه ميدهد واکنش هستهاي درون اين ترکيب انجام شود. بهطور نظري، چنين ترکيبي اجازه ميدهد که هستهي پيشران گرماهستهاي در دمايي بالاتر از نقطهي ذوب سوخت هستهاي کار کند. در اين راکتها، حداکثر دماي کاري پيشران برابر با دماي ذوب ديوارههاي محفظهاي است که مادهي پيشران و سوخت هستهاي در آن نگهداري ميشوند. در چنين طرحي، سوخت هستهاي بهطور فعال توسط هيدروژن خنک ميشود. چنين پيشراني ميتواند به تکانهي ويژهاي بين ۱۳۰۰ تا ۱۵۰۰ ثانيه دست پيدا کند. ساخت چنين پيشراني با تکنيکهاي موجود فعلي تقريبا غير ممکن است. با توجه به اينکه زمان واکنش سوخت هستهاي بسيار طولانيتر از زمان گرم شدن مادهي پيشران است؛ بايد به دنبال راهحلي بود تا ضمن گير انداختن سوخت هستهاي، بتوان اجازه داد مادهي پيشران بهسادگي از نازل خروجي تخليه شود. ساخت چنين پيشراني با تکنيکهاي موجود فعلي تقريبا غير ممکن است طرحهاي فعلي بر چرخش ترکيب سوخت هستهاي و مادهي پيشران با سرعت بالا تمرکز دارند؛ از آنجا که اورانيوم متراکمتر از هيدروژن است، با تکيه بر نيروي مرکزگرا، ميتوان هيدروژن را از سوخت هستهاي جدا و از درون پيشران تخليه کرد. پيشنهادهايي نيز براي طرحهاي سادهتري ارائه شدهاند که اجازه ميدهند سوخت هستهاي و مادهي پيشران بهطور همزمان از درون پيشران تخليه شوند. يکي از مشکلات اساسي اين پيشنهاد، خروج مواد راديواکتيو از نازل خروجي پيشران است؛ از اينرو، استفاده از چنين پيشرانهايي تنها در مناطقي فراتر از جو زمين يا مغناطيسسپهر (منطقهي مغناطيسي پيرامون زمين) منطقي است. پيشرانهاي گرماهستهاي با هستهي گازي استفاده از هستههاي گازي نيز يکي ديگر از پيشنهادهاي مطرحشده براي پيشرانهاي گرماهستهاي است. در اين طرح، مادهي پيشران بهسرعت چرخانده ميشود؛ اين چرخش باعث ميشود اورانيوم بهصورت تودهاي گازي و به شکل يک چنبره (شکل پايين) در هستهي پيشران قرار بگيرد و هيدروژن نيز حول اين توده قرار خواهد گرفت. در چنين حالتي، سوخت هستهاي با ديوارههاي رآکتور تماس نخواهد داشت، پس از نظر تئوريک ميتوان به دمايي در حد چندين هزار درجه سانتيگراد دست پيدا کرد. اين به معني دستيابي به تکانهي ويژهاي بين ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ ثانيه است. چنين طرحي «چرخهي باز» ناميده ميشود و در آن امکان پيشگيري از خروج تمام سوخت هستهاي تقريبا غير ممکن است. به دليل خطرات ناشي از خروج سوخت هستهاي از رآکتور، گونهي ديگري از پيشرانهاي داراي هستهي گازي پيشنهاد شدهاند که «چرخهي بسته» ناميده ميشوند. در رآکتورهاي داراي چرخهي بسته، سوخت هستهاي در محفظهاي از جنس کوارتز نگهداري ميشود و هيدروژن نيز دور اين محفظه به گردش درميآيد. بديهي است که در چنين حالتي، حداکثر دماي قابل تحمل در رآکتور برابر با حداکثر دمايي است که محفظهي کوارتزي ميتواند تحمل کند. در چنين طرحي حداکثر تکانهي ويژه به ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ ثانيه محدود ميشود. پيشينهي تحقيقات روي راکتهاي گرماهستهاي دو کشور بهطور فعال دست به تحقيق در زمينهي راکتهاي گرماهستهاي زدهاند و به نتايج کمابيش اميدبخشي هم دست پيدا کردهاند. همانطور که ميتوانيد حدس بزنيد، اين دو کشور، اتحاد جماهير شوروي و ايالات متحده بودهاند. در حقيقت، کار روي راکتهاي گرماهستهاي را ميتوان بهعنوان گوشهاي از رقابت تنگاتنگ ميان دو ابرقدرت به شمار آورد. در ادامه با فعاليتها و تحقيقات اين دو کشور در اين زمينه آشنا ميشويم. راکتهاي گرماهستهاي در ايالات متحده پروژهي تحقيقات و طراحي راکتهاي گرماهستهاي در ايالات متحده از سال ۱۹۵۵ و تحت فرمان کميسيون انرژي هستهاي اين کشور شروع شد. هدف اين پروژه که Rover نام گرفته بود، دستيابي به طرحي مناسب براي راکتهاي گرماهستهاي بود. محصول نهايي اين طرح، يک پيشران تحقيقاتي موسوم به KIWI بود؛ در کنار KIWI، پيشرانهاي تحقيقاتي فوبيوس، Pewee و Nuclear Furnace نيز طراحي شدند. اولين آزمايشها KIWI از ماه ژولاي ۱۹۵۹ شروع شد؛ رآکتور اوليهي طراحي شده که KIWI 1 نام داشت، فاقد چرخهي سوخت کامل بود و صرفا با اهداف آزمايشي طراحي شده بود. پس از آن، رآکتور KIWI B توسعه داده شد که داراي سيستم سوخت کامل بود؛ اما در آزمايشها اوليه، اين رآکتور بر اثر گرما و لرزش شديد دچار ترکخوردگي در خوشههاي سوختي (مجموعهاي از ميلههاي سوخت هستهاي) ميشد. مواد گرافيتي استفاده شده در هستهي رآکتور نيز اگرچه در مقابل گرما مقاوم بودند؛ اما فشار بالاي جريان مداوم هيدروژنِ بسيار داغ موجب فرسايش آنها ميشد. در پايان آزمايشها، مشکل ترکخوردگي خوشههاي سوختي تا اندازهاي حل شد؛ اما معضلات مربوط به پوشش پيشران و پوشش ميلههاي سوختي هيچگاه بهطور کامل حل نشدند. آزمايشهاي پيشران آزمايشي KIWI رآکتور ديگري موسوم به فوبيوس نيز بر پايهي KIWI توسعه داده شد. اين رآکتور که از نظر اندازه بهمراتب بزرگتر از KIWI بود در سه سري توليد شد و توان توليدي آنها بين ۱۰۹۰ تا ۴۰۰۰ مگاوات متغير بود؛ اين رآکتورها در زمان خود قدرتمندترين رآکتورهاي هستهاي به شمار ميرفتند. Pewee نيز رآکتوري کوچکتر از KIWI بود که براي آزمايش پوششهاي کاربيد زيرکونيم توليد شده بود. هرچند از سال ۱۹۵۸ بيشتر بخشهاي پروژهي Rover تحت رهبري ناسا، که در آن زمان سازماني نوپا بود، اداره ميشد؛ اما از سال ۱۹۶۱، اين سازمان پروژهي ديگري با نام NERVA را شروع کرد. عبارت NERVA مخفف Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications، به معني «موتور هستهاي جهت بهکارگيري در راکتها» بود. هدف پروژهي NERVA، تبديل دستآوردهاي پروژهي Rover به محصولي نهايي جهت استفاده در مأموريتهاي فضايي بود. دانشمندان در صدد توليد پيشراني گرماهستهاي بودند که بتواند نيروي پيشرانش ۳۳۴ کيلونيوتوني توليد کند و حتي بتوان از آن بهعنوان پيشران مرحلهي دوم و سوم راکت ساترن ۵ استفاده کرد. مشکلات آشکارشده در آزمايشهاي KIWI حاصل پروژهي NERVA، راکتي بود که NRX (مخفف Nuclear Rocket Experimental به معني راکت هستهاي آزمايشي) ناميده ميشد؛ آزمونهاي پيشران توسعه دادهشده براي اين راکت از سپتامبر ۱۹۶۴ شروع شد. تمام پيشرانهاي آزمايشي توليدشده در جريان پروژهي NERVA نيروي ۱۱۰۰ مگاواتي توليد ميکردند و تستهاي آنها در محيط شبيهسازي شدهي خلأ نيز به انجام رسيد. علاوه بر پيشرانهاي سري NRX، پيشرانهايي با نام Nuclear Furnace نيز در جريان اين پروژه توليد شدند؛ هدف از طراحي اين پيشرانها انجام آزمايشها روي برخي از مواد پيشنهادي جهت استفاده در راکت بود. در دههي هفتاد و پس از موفقيت انسان براي رسيدن به ماه، تب رقابت فضايي فروکش کرد و آرزوي رسيدن به مريخ نيز (هرچند بهطور موقت) به فراموشي سپرده شد. از سويي، فشارهاي فعالان سياسي-اجتماعي و بدبيني عمومي نسبت به فناوريهاي هستهاي، باعث لغو شدن پروژهي NERVA شد. ليکن، در جريان برنامهي دفاعي استراتژيک ايالات متحده که بعدها به نام «جنگ ستارگان» شهرت يافت، بين سالهاي ۱۹۸۷ تا ۱۹۹۱، پروژهي جديدي موسوم به Timberwind کليد خورد؛ هدف اين پروژه، طراحي و توليد پيشرانهاي گرماهستهاي پيشرفتهتر بود. به لطف پيشرفتهاي حاصل شده در توليد مواد مقاوم در مقابل گرما، مدلسازي رايانهاي و دستآوردهاي جديد در مهندسي رآکتورهاي هستهاي، پيشرانهاي طراحي شده در پروژهي Timberwind برتري کاملي بر پيشرانهاي طراحي شده در پروژهي NERVA داشتند. براي مثال، وزن پيشرانهاي STNP که در جريان پروژهي Timberwind توليد شدند، کمتر از يک سوم پيشران NRX بود؛ اما ميتوانستند تکانهي ويژهاي بين ۹۳۰ تا ۱۰۰۰ ثانيه توليد کنند. راکتهاي گرماهستهاي در اتحاد جماهير شوروي ايدهي اوليهي ساخت راکتهاي گرماهستهاي در اتحاد شوروي در سال ۱۹۴۷ و توسط چهار دانشمند برجستهي اين کشور مطرح شد؛ ويتالي ايولِو، فيزيکدان سرشناس روس، ايگور کورچاتُف، پدر بمب اتمي شوروي، مستيسلاف کِلديش، نظريهپرداز ارشد برنامهي فضايي شوروي و سرگئي کاروليوف، معمار و طراح افسانهاي برنامهي فضايي شوروي چهار شخصيتي بودند که ايدهي ساخت راکتهاي گرماهستهاي را مطرح کردند. مقامات شوروي ابتدا در نظر داشتند موشکهاي کروزي توليد کنند که به پيشرانهاي گرماهستهاي مجهز باشند؛ اما پس از برخي بررسيها، استفاده از چنين پيشراني براي موشکهاي بالستيک و راکتهاي فضايي مناسبتر تشخيص داده شد. در سال ۱۹۵۵ گروهي تحقيقاتي به رهبري ايولو براي ارائهي طرح مفهومي پيشران گرماهستهاي تشکيل شد و پروژهي ساخت راکت گرماهستهاي در سال ۱۹۵۶ شروع شد و کاروليوف نيز بهعنوان طراح ارشد اين پروژه انتخاب شد. دو سال بعد، مقامات شوروي دستورات لازم را براي ساخت نمونههاي اوليهي راکتهاي طراحي شده صادر کردند و آمادهسازي يک مرکز آزمايشي در منطقهي سميپالاتينسک در قزاقستان نيز در دستور برنامه قرار گرفت. نتيجهي فعاليتهاي تحقيقاتي روسها، پيشراني موسوم به RD-0410 بود. هرچند که هنوز هم اطلاعات کاملي در مورد اين پيشران در دسترس نيست؛ اما بهنظر ميرسد آزمايشها اين پيشران از سال ۱۹۶۵ تا ۱۹۸۰ در جريان بودهاست و نتايج کمابيش موفقيتآميزي داشته است. بهطوري که ولاديمير چلومي، يکي از طراحان سرشناس راکتهاي فضايي در شوروي، در دههي ۶۰ طرح راکت غولآسايي موسوم به UR-700A را برپايهي پيشرانهاي گرماهستهاي و جهت رسيدن به ماه ارائه داده بود. از نظر فني، پيشران طراحي شده توسط روسها (با تکانهي ويژهي ۹۱۰ ثانيه در خلأ) از پيشران آمريکايي NRX (با تکانهي ويژهي ۸۵۰ ثانيه در خلأ) اندکي کارامدتر است. در پيشران طراحي شده توسط روسها، از کاربيد اورانيوم و کاربيد تنگستن براي ساخت ميلههاي سوخت استفاده شده بود و هيدرات زيرکونيم نيز نقش ميانجي را بازي ميکرد. هيدروژن نيز وظيفهي خنک کردن هستهي رآکتور را برعهده داشت؛ هيدروژن ابتدا مادهي ميانجي (هيدرات زيرکونيم) را خنک ميکرد و سپس خنکسازي ميلههاي سوختي انجام ميشد. براي پيشگيري از واکنش هستهاي ميان کاربيد و هيدروژن، پس از عبور هيدروژن از ميانجي، يک درصد هپتان نيز به هيدروژن تزريق ميشد. اطلاعات مربوط به پيشران RD-0410 هنوز هم بهطور کامل فاش نشدهاند و به همين دليل جزئيات کاملي از ابعاد و طراحي اين پيشران در دسترس نيست. گفته ميشود که ميلههاي سوختي به کار رفته در RD-0410 شکلي پيچخورده داشتهاند و سطح مقطع آنها شبيه به گلبرگ بوده؛ استفاده از چنين طرح خاصي از خروج ناخواستهي ميلههاي سوخت پيشگيري ميکند. دليل استفاده از کاربيد اورانيوم در ساخت ميلههاي سوخت نيز مقاومت بهتر آن در مقابل دماي بالاي هستهي رآکتور بوده است. در کنار RD-0410، طرحهايي براي ساخت دو راکت گرماهستهاي ديگر با نامهاي RD-0411 و RD-600 نيز مطرح شده بودند؛ اما در اواسط دههي ۸۰، با فروکش کردن تب رقابت فضايي و افزايش مشکلات مالي در اتحاد شوروي، اين برنامهها لغو شدند. توجه دوباره به راکتهاي گرماهستهاي در سالهاي اخير، تب سفرهاي سرنشيندار به مريخ و ديگر سيارات دوردست دوباره بالا گرفته است. از اين رو، سازمانهاي فضايي مجددا در انديشهي به کارگيري راکتهاي گرماهستهاي هستند. ناسا از سال ۲۰۱۳ مجددا مشغول کار روي پيشرانهاي گرماهستهاي است و سازمان فضايي روسيه نيز از سال ۲۰۱۶ اعلام کرده که فعاليت روي پيشرانهاي گرماهستهاي را از سر گرفته است. ناسا در جستجوي جايگزيني ارزانتر، قويتر و در عينحال قابل اطمينان براي پيشرانهاي شيميايي است؛ در اين وضعيت، پيشرانهاي گرماهستهاي يک گزينهي منطقي و مناسب خواهند بود. اين سازمان در حال حاضر قراردادي را با شرکت BWXT که در زمينهي انرژي هستهاي فعاليت ميکند به امضا رسانده است؛ وظيفهي BWXT کمک به ناسا در طراحي و آزمايش يک پيشران گرماهستهاي مفهومي است که از اورانيوم با خلوص پايين بهعنوان سوخت استفاده ميکند و در طراحي المانهاي سوختي آن از سراميک و فلز استفاده شده است. فعاليتهاي جديد ناسا در حوزهي پيشرانش گرماهستهاي، بخشي از پروژهي جامع ناسا موسوم به Game Changing Development Program است که بر توسعهي فناوريهاي نوين فضايي تمرکز دارد. ساني ميشل، مدير پروژهي پيشرانش گرماهستهاي ناسا معتقد است: درحاليکه به پيشرفت در منظومهي شمسي ادامه ميدهيم، پيشرانش هستهاي ميتواند تنها گزينهي قابل اتکا در رسيدن به سطح مريخ و ديگر جهانهاي دوردست باشد. ما از اين بابت هيجانزده هستيم که روي فناوريهايي کار ميکنيم که ميتوانند [دروازههاي] اعماق فضا را براي کاوشهاي انساني باز کنند. در حال حاضر، پروژهي پيشرانهاي گرماهستهاي ناسا چهار هدف را دنبال ميکند. اول از همه، ارائهي طرحي مفهومي براي ساخت پيشران گرماهستهاي با سوخت اورانيوم با خلوص پايين که بتواند نيروي پيشرانش لازم را جهت سفر به مريخ فراهم کند. دومين هدف اين پروژه طراحي، ساخت و آزمايش المانهاي سوختي کوچک است. تدوين فرايندهاي قابل اعتماد توليد المانهاي سوختي و هستهي رآکتور نيز سومين هدف ناسا است. چهارمين هدف ناسا نيز اثبات امکانپذير بودن کنترل گازهاي خروجي از نازل راکت در جريان آزمايشها است. راکت هستهاي ميتواند رسيدن به مريخ در مدت يک ماه تا يک ماه و نيم را امکانپذير کند سازمان فضايي روسيه، روسکاسموس و شرکت دولتي روساتم نيز اهداف جاهطلبانهاي را براي پروژهي پيشرانش گرماهستهاي خود مطرح کردهاند. روسها معتقدند که ميتوانند با راکتهاي گرماهستهاي زمان لازم براي سفر به مريخ را از ۱۸ ماه به ۴۵ روز کاهش دهند؛ همچنين، از ديد آنها، چنين راکتهايي توانايي بالاتري براي مانور در فضا و انعطافپذيري بيشتري جهت تعيين مسير سفر به مريخ خواهند داشت. سرگئي کيرينکو، رئيس شرکت روساتم در اين باره ميگويد: يک راکت هستهاي ميتواند رسيدن به مريخ در مدت يک ماه تا يک ماه و نيم را امکانپذير کند و امکان مانور و شتابگيري را هم فراهم ميکند. [اين در حالي است که] پيشرانهاي فعلي به مدت يک سال و نيم براي رسيدن به مريخ نياز دارند و امکان بازگشت را هم فراهم نميکنند. شروع پروژهي پيشران گرماهستهاي در روسيه به سال ۲۰۱۰ باز ميگردد و گروه مهندسي مربوط به اين پروژه نيز در سال ۲۰۱۲ تشکيل شده بود. روسها اعلام کردهاند که ميخواهند آزمايشها اوليهي پيشران گرماهستهاي خود را در سال ۲۰۱۸ به انجام برسانند؛ اما به کارگيري اين راکت براي سفرهاي مريخ تنها در سومين دهه از قرن بيست و يکم ميلادي امکانپذير خواهد شد. جالب اينجا است که بودجهي اختصاصي روسيه براي اين پروژه در سال ۲۰۱۶ معادل ۲۷۴ ميليون دلار بود؛ رقمي که براي پروژههاي جاهطلبانهي فضايي کوچک بهنظر ميرسد. اصليترين چالش پيشروي راکتهاي گرماهستهاي، خطرات احتمالي ناشي از عملکرد نامناسب اين راکتها و انتشار مواد راديواکتيو در سطح زمين يا اتمسفر است. خستگي فلزات، خطاهاي احتمالي در فرايند طراحي و توليد راکت و برخورد با زبالههاي فضايي ممکن است منجر به انتشار مواد راديواکتيو شوند. ميزان آلودگي راديواکتيو ايجاد شده به حجم راکتها، شرايط آب و هوايي و پارامترهاي راکت در زمان بازگشت به فضا مربوط ميشود. در عين حال، راکتهاي گرماهستهاي با هستهي جامد حجم کمي از اورانيوم را با خود حمل ميکنند و همين ميزان اورانيوم حمل شده نيز در ترکيبهاي محکم کاربيد يا کربن قرار دارد. از اين رو، خطر پخش شدن مواد راديواکتيو بسيار پايين خواهد بود؛ خطر آلودگي راديواکتيو تنها زماني که راکتورهاي گرماهستهاي به مدت طولاني فعال بودهاند افزايش پيدا خواهد کرد. اما نبايد از افکار عمومي و برخي نظرات منفي پيرامون استفاده از فناوري هستهاي در فضا نيز غافل شد. هرچند اين اولين باري نيست که انسان دست به استفاده از انرژي هستهاي در فضا ميزند؛ اما افکار عمومي ممکن است با استفاده از راکتهاي هستهاي مخالف باشند. با توجه به اين مسئله، چالشهاي آتي سازمانهاي فضايي تنها شامل موارد فني نخواهد شد؛ بلکه چنين موارد اجتماعي را هم در بر خواهد گرفت. همراهان عزيز، آخرين خبر را بر روي بسترهاي زير دنبال کنيد: آخرين خبر در سروش http://sapp.ir/akharinkhabar آخرين خبر در ايتا https://eitaa.com/joinchat/88211456C878f9966e5 آخرين خبر در آي گپ https://igap.net/akharinkhabar آخرين خبر در ويسپي http://wispi.me/channel/akharinkhabar آخرين خبر در بله https://bale.ai/invite/#/join/MTIwZmMyZT آخرين خبر در گپ https://gap.im/akharinkhabar