النظام الشمسي هو مكان كبير حقًا ، ويستغرق السفر من العالم إلى العالم إلى الأبد بالصواريخ الكيميائية التقليدية. لكن إحدى التقنيات التي تم تطويرها في الستينيات قد توفر طريقة لتقصير أوقات سفرنا بشكل كبير: الصواريخ النووية.
بالطبع ، إن إطلاق صاروخ يعمل بالمواد المشعة له مخاطر خاصة به أيضًا. هل يجب أن نحاول؟
لنفترض أنك أردت زيارة المريخ باستخدام صاروخ كيميائي. سوف تنطلق من الأرض وتذهب إلى مدار أرضي منخفض. ثم ، في اللحظة المناسبة ، ستطلق صاروخك ، وترفع مدارك من الشمس. يتقاطع المسار الإهليلجي الجديد الذي تتبعه مع المريخ بعد ثمانية أشهر من الرحلة.
يُعرف هذا بنقل Hohmann ، وهي الطريقة الأكثر فعالية التي نعرف بها كيفية السفر في الفضاء ، باستخدام أقل كمية من الوقود الدافع وأكبر كمية من الحمولة. المشكلة بالطبع هي الوقت الذي تستغرقه. طوال الرحلة ، سيستهلك رواد الفضاء الطعام والماء والهواء ويتعرضون لإشعاع الفضاء البعيد على المدى الطويل. ثم تضاعف مهمة العودة الحاجة إلى الموارد وتضاعف حمل الإشعاع.
نحن بحاجة للذهاب بشكل أسرع.
اتضح أن ناسا كانت تفكر فيما سيأتي بعد الصواريخ الكيميائية لما يقرب من 50 عامًا.
الصواريخ الحرارية النووية. إنهم بالتأكيد يسرعون الرحلة ، لكنهم لا يخلوون من المخاطر الخاصة بهم ، وهذا هو السبب في أنك لم تراهم. ولكن ربما حان وقتهم.
في عام 1961 ، عملت وكالة ناسا ولجنة الطاقة الذرية معًا على فكرة الدفع الحراري النووي ، أو NTP. كان هذا الأمر رائدا من قبل فيرنر فون براون ، الذي كان يأمل في أن الرحلات البشرية ستطير إلى المريخ في الثمانينيات ، على أجنحة الصواريخ النووية.
حسنًا ، هذا لم يحدث. لكنهم أجروا بعض التجارب الناجحة للدفع الحراري النووي وأثبتوا أنه يعمل.
بينما يعمل الصاروخ الكيميائي عن طريق إشعال نوع ما من المواد الكيميائية القابلة للاشتعال ثم إخراج غازات العادم من فوهة. بفضل قانون نيوتن الثالث الجيد ، كما تعلمون ، لكل فعل رد فعل متساو ومعاكس ، يتلقى الصاروخ دفعة في الاتجاه المعاكس من الغازات المطاردة.
يعمل الصاروخ النووي بطريقة مماثلة. تمر كرة بحجم رخامي من وقود اليورانيوم بعملية الانشطار ، وتطلق كمية هائلة من الحرارة. يؤدي ذلك إلى تسخين الهيدروجين إلى ما يقرب من 2500 درجة مئوية ، ثم يتم طرده من مؤخرة الصاروخ بسرعة عالية. سرعة عالية جدًا ، مما يمنح الصاروخ مرتين إلى ثلاث مرات كفاءة الدفع للصاروخ الكيميائي.
هل تذكر الأشهر الثمانية التي ذكرتها لصاروخ كيميائي؟ يمكن لصاروخ حراري نووي أن يخفض وقت العبور إلى النصف ، وربما حتى 100 يوم من الرحلات إلى المريخ. مما يعني استهلاك موارد أقل من قبل رواد الفضاء ، وانخفاض حمل الإشعاع.
وهناك فائدة كبيرة أخرى. يمكن أن يسمح دفع صاروخ نووي للمهام بالذهاب عندما لا تكون الأرض والمريخ محاذين تمامًا. الآن إذا فاتتك نافذتك ، عليك الانتظار لمدة عامين آخرين ، لكن الصاروخ النووي يمكن أن يمنحك القوة للتعامل مع تأخيرات الطيران.
بدأت الاختبارات الأولى للصواريخ النووية في عام 1955 مع Project Rover في مختبر لوس ألاموس العلمي. كان التطور الرئيسي هو تصغير المفاعلات بما يكفي لتكون قادرة على وضعها على صاروخ. على مدى السنوات القليلة المقبلة ، قام المهندسون ببناء واختبار أكثر من اثني عشر مفاعلًا من مختلف الأحجام ومخرجات الطاقة.
مع نجاح Project Rover ، وضعت ناسا نصب أعينها على المهمات البشرية إلى المريخ التي ستتبع هبوط أبولو على القمر. بسبب المسافة ووقت الرحلة ، قرروا أن الصواريخ النووية ستكون المفتاح لجعل البعثات أكثر قدرة.
إن الصواريخ النووية لا تخلو من المخاطر بالطبع. سيكون المفاعل الموجود على متن الطائرة مصدرًا صغيرًا للإشعاع لطاقم رواد الفضاء على متنها ، وسيفوق ذلك انخفاض وقت الرحلة. الفضاء العميق نفسه يشكل خطر إشعاعي هائل ، حيث يتسبب الإشعاع الكوني المجري المستمر في إتلاف الحمض النووي لرواد الفضاء.
في أواخر الستينيات ، أنشأت وكالة ناسا المحرك النووي لبرنامج تطبيق المركبات الصاروخية ، أو NERVA ، لتطوير التقنيات التي ستصبح الصواريخ النووية التي ستأخذ البشر إلى المريخ.
اختبروا صواريخ نووية أكبر وأكثر قوة ، في صحراء نيفادا ، للتنفيس عن غاز الهيدروجين عالي السرعة في الغلاف الجوي. كانت القوانين البيئية أقل صرامة في ذلك الوقت.
تم اختبار أول NERVA NRX في النهاية لمدة ساعتين تقريبًا ، مع 28 دقيقة بكامل طاقته. وبدأ تشغيل المحرك الثاني 28 مرة وتشغيل لمدة 115 دقيقة.
في النهاية ، اختبروا أقوى مفاعل نووي تم بناؤه على الإطلاق ، وهو مفاعل Phoebus-2A ، القادر على توليد 4000 ميجاوات من الطاقة. اقتحام لمدة 12 دقيقة.
على الرغم من أن المكونات المختلفة لم يتم تجميعها على الإطلاق في صاروخ جاهز للطيران ، إلا أن المهندسين كانوا راضين عن أن صاروخًا نوويًا سيلبي احتياجات رحلة إلى المريخ.
ولكن بعد ذلك ، قررت الولايات المتحدة أنها لم تعد تريد الذهاب إلى المريخ بعد الآن. لقد أرادوا مكوك الفضاء بدلاً من ذلك.
تم إغلاق البرنامج في عام 1973 ، ولم يختبر أحد الصواريخ النووية منذ ذلك الحين.
لكن التطورات الحديثة في التكنولوجيا جعلت الدفع الحراري النووي أكثر جاذبية. في الستينيات ، كان مصدر الوقود الوحيد الذي يمكن أن يستخدموه هو اليورانيوم عالي التخصيب. ولكن يعتقد المهندسون الآن أنهم يستطيعون الحصول على اليورانيوم منخفض التخصيب.
سيكون هذا أكثر أمانًا للعمل معه ، وسيسمح لمزيد من منشآت الصواريخ بإجراء الاختبارات. سيكون من الأسهل أيضًا التقاط الجسيمات المشعة في العادم والتخلص منها بشكل صحيح. سيؤدي ذلك إلى خفض التكاليف الإجمالية للعمل مع التكنولوجيا.
في 22 مايو 2019 ، وافق الكونجرس الأمريكي على تمويل بقيمة 125 مليون دولار لتطوير صواريخ الدفع الحرارية النووية. على الرغم من أن هذا البرنامج ليس له أي دور يلعبه في عودة Artemis 2024 التابع لناسا إلى القمر ، فإنه - اقتباس - "يدعو وكالة ناسا لتطوير خطة متعددة السنوات تمكن من عرض الدفع الحراري النووي بما في ذلك الجدول الزمني المرتبط بمظاهرة الفضاء ووصفًا للبعثات المستقبلية وأنظمة الدفع والطاقة التي تتيحها هذه القدرة ".
الانشطار النووي هو أحد السبل لتسخير قوة الذرة. بالطبع ، يتطلب اليورانيوم المخصب ويولد نفايات مشعة سامة. ماذا عن الانصهار؟ حيث يتم ضغط ذرات الهيدروجين في الهيليوم ، وتطلق الطاقة؟
صنعت عملية الاندماج ، بفضل كتلتها الضخمة ودرجة حرارتها الأساسية ، ولكن الاندماج الإيجابي المستدام للطاقة كان بعيد المنال من قبلنا.
تأمل تجارب ضخمة مثل ITER في أوروبا في الحفاظ على طاقة الانصهار خلال العقد القادم أو نحو ذلك. بعد ذلك ، يمكنك أن تتخيل مفاعلات الاندماج التي يتم تصغيرها لدرجة أنها يمكن أن تؤدي نفس دور مفاعل الانشطار في صاروخ نووي. ولكن حتى إذا لم تتمكن من الحصول على مفاعلات الاندماج لدرجة أنها كانت طاقة صافية إيجابية ، فلا يزال بإمكانها توفير تسارع هائل لكمية الكتلة.
وربما لا نحتاج إلى الانتظار لعقود. تعمل مجموعة بحثية في مختبر Princeton Plasma Physics Laboratory على مفهوم يسمى Direct Fusion Drive ، الذي يعتقدون أنه يمكن أن يكون جاهزًا في وقت أقرب بكثير.
ويستند إلى مفاعل اندماج التكوين العكسي في برينستون الذي طوره صموئيل كوهين عام 2002. توجد البلازما الساخنة من الهيليوم -3 والدوتريوم في حاوية مغناطيسية. يعد الهليوم 3 نادرًا على الأرض ، وقيمًا لأن تفاعلات الاندماج معها لن تولد نفس الكمية من الإشعاع الخطير أو النفايات النووية مثل مفاعلات الاندماج أو الانشطار الأخرى.
كما هو الحال مع صاروخ الانشطار ، يسخن صاروخ الاندماج الوقود الدافع إلى درجات حرارة عالية ثم ينفخه من الخلف ، وينتج عنه الدفع.
وهو يعمل عن طريق وضع مجموعة مغناطيسية خطية تحتوي على وتدور بلازما ساخنة جدًا. يتم ضبط الهوائيات حول البلازما على التردد المحدد للأيونات ، وإنشاء تيار في البلازما. يتم ضخ طاقتهم حتى النقطة التي تلتحم فيها الذرات ، وتطلق جزيئات جديدة. تتجول هذه الجسيمات عبر حقل الاحتواء حتى يتم التقاطها بواسطة خطوط المجال المغناطيسي وتتسارع خارج الجزء الخلفي من الصاروخ.
من الناحية النظرية ، سيكون صاروخ الاندماج قادرًا على توفير 2.5 إلى 5 نيوتن من الدفع لكل ميغاواط ، مع دفعة محددة تبلغ 10000 ثانية - تذكر 850 من صواريخ الانشطار ، و 450 من الصواريخ الكيميائية. سيكون أيضًا توليد الكهرباء التي تحتاجها المركبة الفضائية بعيدًا عن الشمس ، حيث الألواح الشمسية ليست فعالة للغاية.
يمكن لـ Direct Fusion Drive أن يكون قادراً على القيام بمهمة 10 أطنان إلى زحل في غضون عامين فقط ، أو مركبة فضائية وزنها 1 طن من الأرض إلى بلوتو في حوالي 4 سنوات. كانت New Horizons بحاجة إلى ما يقرب من 10.
نظرًا لأنه يحتوي أيضًا على مفاعل انصهار بقدرة 1 ميجاوات ، فإنه سيوفر أيضًا الطاقة لجميع أجهزة المركبة الفضائية عند وصولها. أكثر بكثير من البطاريات النووية التي تحملها حاليًا بعثات الفضاء البعيد مثل فوييجر ونيو هورايزونز.
تخيل أنواع المهام بين النجوم التي قد تكون على الطاولة مع هذه التكنولوجيا أيضًا.
وأنظمة Princeton Satellite ليست المجموعة الوحيدة التي تعمل على أنظمة كهذه. تقدمت شركة Applied Fusion Systems بطلب للحصول على براءة اختراع لمحرك الاندماج النووي الذي يمكن أن يوفر قوة دفع للمركبة الفضائية.
أعلم أنه مرت عقود منذ أن أجرت وكالة ناسا اختبارًا صارخًا للصواريخ النووية كوسيلة لتقصير أوقات الرحلات ، ولكن يبدو أن التكنولوجيا قد عادت. على مدى السنوات القليلة المقبلة ، أتوقع رؤية أجهزة جديدة ، واختبارات جديدة لأنظمة الدفع الحراري النووي. وأنا متحمس بشكل لا يصدق لإمكانية أن تقودنا الاندماج الفعلي إلى عوالم أخرى. كما هو الحال دائمًا ، ابق على اتصال ، سأعلمك عندما يطير المرء بالفعل.
