استفاده از موشک حرارتی خورشیدی؛ راهی احتمالی برای رسیدن به فضای میان ستاره ای - وبلاگ ارم گفتگو

به گزارش وبلاگ ارم گفتگو، ایده ساخت موشکی که نیروی خود را از خورشید تأمین می نماید، به دهه ها پیش بازمی شود؛ اما دانشمندان در ناسا به تازگی چگونگی عملکرد این نوع پیشرانه را آزمایش کردند.

به گزارش وبلاگ ارم گفتگو به نقل از زومیت، جیسون بنکاسکی، پژوهشگر آزمایشگاه فیزیک کاربردی (APL) در دانشگاه جانز هاپکینز، چندی پیش به همراه همکارانش وسیله ای آزمایش کرد که ممکن است روزی راستا رسیدن ما به فضای میان ستاره ای را هموار کند. این ابزار شبیه سازی خورشیدی است که به اندازه بیست خورشید می تواند بدرخشد. وقتی شبیه ساز حین آزمایش به شدت داغ شد، بنکاسکی پمپاژ هلیوم مایع به لوله کوچک جاسازشده درون ورقه ای تخت را آغاز کرد. هلیوم با عبور از مجرا گرمای ناشی از هزاران LED را جذب کرد و تا آنجا منبسط شد که درنهایت، ازطریق نازلی کوچک به بیرون رفت.

وسیله موجود در آزمایشگاه فیزیک کاربردی شباهت زیادی به پیشرانه حرارتی خورشیدی ندارد؛ اما بنکاسکی و تیمش عملکرد تقریبی این سامانه را با آزمایش یادشده آزمودند. پیشرانه حرارتی خورشیدی موتور موشکی فرضی است که از حرارت خورشید نیرو می گیرد و به باور پژوهشگران، می تواند عنصری ضروری در کاوش های میان ستاره ای باشد.

تا امروز، تنها دو فضاپیمای وویجر 1 و وویجر 2 منظومه شمسی ما را ترک نموده اند. بااین حال، ورود دو فضاپیما به فضای میان ستاره ای پاداشی علمی پس از اتمام مأموریت اصلی آن ها در کاوش مشتری و زحل به حساب می آید. هیچ کدام از فضاپیماهای وویجر برای مطالعه مرز بین قلمرو کیهانی ما و سایر بخش های دنیا به ابزار مناسب مجهز نیستند. همچنین، دوقلوهای وویجر با سرعت تقریبا 48 هزار کیلومتربرساعت، آن چنان آهسته حرکت می نمایند که گریز از تأثیر خورشید برایشان نزدیک به نیم قرن طول کشید.

داده هایی که فضاپیماهای وویجر از لبه منظومه شمسی فرستاده اند، هیجان انگیز است. این اطلاعات نشان داده اند که بخش عمده ای از پیش بینی های فیزیک دانان درباره مرز محله کیهانی ما اشتباه بود. ازاین رو، گروهی بزرگ از اخترفیزیک دانان و کیهان شناسان و دانشمندان سیاره شناس مصرانه به دنبال ساخت کاوشگر اختصاصی میان ستاره ای برای کاوش این محدوده کشف نشده هستند.

سال 2019، ناسا آزمایشگاه فیزیک کاربردی را مسئول مطالعه طرح های مفهومی برای مأموریت اختصاصی میان ستاره ای کرد. در سرانجام سال بعدی، تیم این آزمایشگاه پژوهشش را در آنالیز ده سالانه آموزشگاه ملی علوم، مهندسی و پزشکی ارائه خواهد داد. این آنالیز اولویت های علمی ده سال آینده مرتبط با خورشید را مشخص خواهد نمود. پژوهشگران آزمایشگاه فیزیک کاربردی مشغول کار روی برنامه کاوشگر میان ستاره ای هستند و تمام جنبه های این مأموریت از برآورد هزینه تا ابزارها را مطالعه می نمایند. بااین حال، صرفا فهمیدن اینکه چگونه می توان در زمانی معقول به فضای میان ستاره ای رسید، تا امروز بزرگ ترین و مهم ترین بخش پازل بوده است.

لبه منظومه شمسی با نام هلیوسفر منطقه ای به شدت دور از دسترس است. زمانی که فضاپیما به پلوتو برسد، تنها یک سوم از راستا رسیدن به فضای میان ستاره ای را پیموده است. تیم APL طرح مفهومی کاوشگری را مطالعه می نماید که سه برابر دورتر از لبه منظومه شمسی خواهد رفت و با صرف نصف زمان سپری شده برای رسیدن وویجر به هلیوسفر، این سفر تقریبا 80 میلیارد کیلومتری را انجام خواهد داد. برای اجرای این نوع مأموریت، پژوهشگران به کاوشگری نیازمند خواهند بود که به کلی با هر نمونه ساخته شده تا به امروز تفاوت دارد. بنکاسکی می گوید:

فضاپیمایی می خواهیم که سریع تر و دورتر خواهد رفت و بیش از هر کاوشگر ساخته شده تا امروز به خورشید نزدیک خواهد شد. این مأموریت همانند سخت ترین کاری است که احتمالا می توانید انجام دهید.

در اواسط نوامبر، پژوهشگران کاوشگر میان ستاره ای در کنفرانس اینترنتی یک هفته ای شرکت کردند تا هم زمان با ورود مطالعه به سال سرانجامی اش، به روزرسانی ها درباره آن را به اشتراک بگذارند. در کنفرانس، تیم هایی از APL و ناسا نتایج کار خود روی پیشرانه حرارتی خورشیدی را به اشتراک گذاشتند که به باورشان، سریع ترین راه برای رساندن کاوشگر به فضای میان ستاره ای است. ایده چنین پیشرانه ای این است که موشک به جای احتراق، نیروی خود را از گرمای خورشید تأمین کند. براساس برآوردهای بنکاسکی، این موتور سه برابر بهینه تر از بهترین پیشرانه های شیمیایی مرسومی است که امروزه دردسترس هستند. بنکاسکی می گوید ازنظر فیزیکی، این تصور برایش بسیار سخت است که موتوری بتواند پیشرانه حرارتی خورشیدی را در زمینه بهینگی شکست دهد.

برخلاف موتور مرسوم که در انتهای موشک نصب می گردد، پیشرانه حرارتی خورشیدی که پژوهشگران در حال مطالعه آن هستند، با سپر فضاپیما ادغام خواهد شد. این پوسته سخت و تخت از فوم کربن سیاه ساخته و یک طرف آن با مواد بازتابنده سفید پوشانده می گردد. از بیرون، این پوسته به سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر شباهت زیادی خواهد داشت؛ اما تفاوت مهم لوله کشی پیچ وخم دار نهفته زیر سطح آن است. اگر کاوشگر میان ستاره ای از نزدیکی خورشید گذر کند و هیدروژن را به درون لوله های سپرش بکشاند، هیدروژن منبسط و از نازل انتهای لوله مشتعل خواهد شد و درنهایت، سپر حرارتی نیروی رانش ایجاد خواهد نمود.

ایده مذکور از نظر تئوری ساده، اما پیاده سازی آن درعمل فوق العاده سخت است. موشک حرارتی خورشیدی فقط درصورتی کارآمد است که پیروز گردد مانور اوبرت را انجام دهد؛ حرکتی مداری که خورشید را به پرتابگری بزرگ تبدیل می نماید. گرانش خورشید همانند تقویت نماینده نیرو عمل می نماید و اگر فضاپیما هنگام چرخیدن به دور خورشید موتورهایش را روشن کند، سرعت آن را به نحو چشمگیر افزایش می دهد. هرچه فضاپیما حین مانور اوبرت به خورشید نزدیک تر گردد، سریع تر حرکت خواهد نمود. در مأموریتی که APL طراحی نموده است، کاوشگر میان ستاره ای به فاصله تنها 1/6 میلیون کیلومتر از سطح جوشان خورشید خواهد رسید.

در مقام مقایسه باید اشاره نمود وقتی کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا در سال 2025 نزدیک ترین گذرش را از کنار خورشید انجام دهد، در فاصله تقریبا 6/5 میلیون کیلومتری از سطح آن خواهد بود و در سرعت نزدیک به 69 هزار کیلومتربرساعت، خورشید را مطالعه خواهد نمود. این تقریبا دو برابر سرعتی محسوب می گردد که کاوشگر میان ستاره ای میخواهد به آن دست یابد. کاوشگر خورشیدی پارکر سرعت یادشده را با کشش گرانشی خورشید و زهره در طول راستای هفت ساله به دست خواهد آورد. کاوشگر میان ستاره ای در گردشی به دور خورشید باید سرعت خود را از تقریبا 48 هزار کیلومتربرساعت به حدود 321 هزار کیلومتربرساعت برساند که این امر مستلزم نزدیکی بیش از حد به خورشید است.

دین شیک، کارشناس مواد در آزمایشگاه پیش رانش جت ناسا، به تازگی در کنفرانسی مطالعه ای موردی درباره موشک حرارتی خورشیدی ارائه داد. او می گوید نزدیک شدن به انفجاری گرماهسته ای به اندازه خورشید مشکلاتی مختلفی برای مواد به وجود می آورد. برای مأموریت APL، کاوشگر با انجام مانور اوبرت نزدیک به دوونیم ساعت را در دمای تقریبی 2،500 درجه سانتی گراد سپری خواهد نمود.

این میزان گرما به راحتی می تواند سپر حرارتی کاوشگر خورشیدی پارکر را ذوب کند؛ درنتیجه، تیم شیک در ناسا مواد جدیدی پیدا نموده است که می تواند سطح بیرونی را بپوشاند تا انرژی حرارتی را بازتاب دهد. این پوشش در ترکیب با اثر خنک نمایندگی هیدروژن در حال جریان درون لوله های سپر حرارتی، کاوشگر میان ستاره ای را هنگام نزدیکی بیش از حد به خورشید خنک می نماید. شیک می گوید: می خواهید مقدار انرژی در حال بازتاب را به حداکثر برسانید. حتی تفاوت های کوچک در بازتابندگی مواد، افزایش چشمگیر گرمای فضاپیما را آغاز می نماید.

مشکل بزرگ تر کنترل جریان هیدروژن داغ درون لوله ها است. هیدروژن در دمای بسیار زیاد به کلی باعث خوردگی هسته کربنی سپر حرارتی می گردد؛ درنتیجه به منظور اجتناب از این امر، داخل لوله ها را باید با مواد قدرتمندتر پوشاند. تیم پژوهشی چند ماده را شناسایی نموده است که می توانند وظیفه محافظت را برعهده بگیرند؛ اما داده های چندانی درباره عملکرد آن ها، به ویژه در دمای بسیار شدید موجود نیست. شیک می گوید: مواد زیادی وجود ندارد که بتواند نیازهای ما را برآورده کند. این محدودیت از بعضی جهات مطلوب است؛ زیرا باید همان چند نمونه معدود را آنالیز کنیم. درعین حال نامطلوب هم است؛ زیرا گزینه های چندانی دراختیار نداریم.

به گفته شیک، عامل بازدارنده بزرگ در پژوهش این است که پیش از فرستادن موشک حرارتی خورشیدی به پیرامون خورشید، آزمایش های فراوانی روی مواد سپر حرارتی باید انجام گردد؛ اما این مسئله موجب کنارگذاشتن مأموریت نمی گردد. درواقع، پیشرفت های خیره نماینده در علم مواد موجب شده است اکنون ایده موشک حرارتی خورشیدی درمقایسه با زمان طرح آن از طریق مهندسان نیروی هوایی آمریکا در بیش از 60 سال گذشته، دست یافتنی تر به نظر آید. بنکاسکی می گوید:

تصور کردم به طورمستقل در ذهنم به این ایده رسیدم؛ اما در سال 1956، افرادی در حال صحبت درباره آن بودند. فراوری فزاینده یکی از مؤلفه های اصلی ایده محسوب می گردد و نمی توانستیم بیست سال پیش آن را انجام دهیم. اکنون می توانم فلز را در آزمایشگاه چاپ سه بعدی کنم.

بنکاسکی شاید نخستین کسی نباشد که ایده پیشرانه حرارتی خورشیدی را مطرح می نماید؛ اما او معتقد است اولین کسی خواهد بود که نمونه ای آزمایشی این موتور را به نمایش خواهد گذاشت. بنکاسکی و تیمش هنگام آزمایش نشان دادند که فراوری نیروی رانش با استفاده از نور خورشید هنگام عبور آن از درون مجاری جاسازی شده در سپر حرارتی امکان پذیر است؛ بااین حال، آزمایش ها محدودیت های زیادی داشتند. پژوهشگران از همان مواد یا پیشرانه ای استفاده نکردند که در مأموریت واقعی به کار خواهد رفت. همچنین، آزمایش ها در دمایی بسیار کمتری رخ داد که کاوشگر میان ستاره ای تجربه خواهد نمود.

به گفته بنکاسکی، نکته مهم این است که داده ها از آزمایش های دمای پایین با مدل هایی تطابق داشت که چگونگی عملکرد کاوشگر را پس از اعمال اصلاحات برای مواد متفاوت در مأموریت واقعی پیش بینی می نماید. بنکاسکی می گوید:

آزمایش را روی سامانه ای انجام دادیم که هیچ وقت واقعا پرواز نخواهد نمود. اکنون، گام دوم این است که هریک از این قطعات را با نمونه ای جایگزین کنیم که در فضاپیمایی واقعی برای مانور اوبرت به کار خواهد رفت.

طرح مفهومی فضاپیمای حرارتی خورشیدی پیش از آمادگی برای استفاده در مأموریت، راستای طولانی پیش رو دارد. وقتی بنکاسکی و همکارانش در APL گزارش خود را سال آینده ارائه دهند، انبوهی از داده ها را به دست خواهند آورد که راستا را برای انجام آزمایش ها در فضا هموار می نماید. تضمینی وجود ندارد که آموزشگاه ملی طرح مفهومی کاوشگر میان ستاره ای را به عنوان اولولیتی اصلی برای دهه پیش رو انتخاب کند. بااین حال، هر زمان برای ترک قلمرو خورشید آماده شویم، موشک حرارتی به احتمال زیاد بلیت خروج ما از منظومه شمسی خواهد بود.