نسل جدید کاوشگرهای فضایی در راه است

 اما‌ آنچه در این ماموریت فضایی حائز اهمیت بوده است تنها هدف پیش‌بینی شده برای انجام این ماموریت نیست بلکه ویژگی منحصر به فرد این کاوشگر در این است که نیروی لازم برای حرکت آن از طریق یک فناوری پیشران فضایی تامین می‌شود که در‌ آینده‌ای نزدیک به عنوان یک موتور موشک پلاسما تحول عظیمی را در انجام ماموریت‌های فضایی به مسافت‌های بسیار دوردست به وجود خواهد آورد. در این موتورها که به صورت پیشرفته طراحی شده‌اند بر خلاف موشک‌های معمولی به جای سوخت شیمیایی مایع یا گاز از پیشران حرکتی گازی یونیزه شده که به روش الکتریکی تولید می‌شود برای تامین نیروی محرکه لازم برای پرتاب کاوشگرهای فضایی استفاده می‌شود. به گفته محققان مرکز ملی تحقیقات فضانوردی آمریکا از آنجایی که یک موتور پلاسما برای رسیدن به سیارک‌های مورد نظر تنها به یک دهم سوخت شیمیایی موتور موشکی نیاز داشته و در مقابل از کارایی بیشتری برخوردار خواهد بود در طراحی سیستم پرتابه، کاوشگر فضایی داون نیز از موتور پلاسما استفاده شده است. این در حالی است که اگر در این کاوشگر از موتورهای معمولی استفاده شده بود تنها می‌‌توانست به یکی از سیارک‌های وستا و سرس برسد. در حقیقت می‌توان گفت که موشک‌های الکتریکی یا موتورهای الکتریکی یکی از بهترین سیستم‌های پیشران برای ارسال کاوشگرهای فضایی به نقاط دوردست هستند. با توجه به دستاوردهای منحصربه فرد این فناوری در صنعت فضانوردی، محققان و فضانوردان آمریکایی، اروپایی و ژاپنی که آرزوی سفر به اعماق فضا را در سر می‌پرورانند امیدوارند بتوانند در آینده‌ای نه چندان دور با بهره‌گیری از امکانات موتورهای پلاسما ماموریت‌های فضایی جدیدی را به منظور کاوش در سیارات خارجی، جستجوی سیاراتی شبیه به زمین در خارج از منظومه شمسی و همچنین استفاده از فضا به عنوان آزمایشگاهی به منظور مطالعه و بررسی اصول بنیادین علم فیزیک طراحی و برنامه‌ریزی کنند. اگرچه همچنان لازم است زیرساخت‌های متعددی به منظور استفاده از نسل جدید موتورهای پیشران در ماموریت‌های فضایی به دوردست‌ها فراهم شود اما در حال حاضر محققان در تلاش هستند اقدامات لازم برای به اجرا درآوردن این طرح در آینده‌ای نه‌چندان دور را انجام دهند. اگر نواقص موجود در سیستم‌های پیشران حرکتی را که در پرتاب کاوشگرهای فضایی از آنها استفاده می‌شود مورد توجه قرار دهید، بدون تردید بیش از پیش به ویژگی‌های متمایز موتورهای الکتریکی پی خواهید برد. تصور عمومی بر این است که وقتی یک فضاپیما یا کاوشگر فضایی در فضایی تاریک به طرف سیاره‌ای دوردست در حال حرکت است دود غلیظی در خروجی مخزن سوخت آن خارج می‌شود که رد‌پایی از حرکت آن را در فضا برجای خواهد گذاشت. اما حقیقت این است که معمولا بخش عمده‌ای از سوخت داخل مخزن پرتابه کاوشگر در نخستین دقایق پس از پرتاب مصرف شده و در نهایت آن کاوشگر به سمت هدف در نظر گرفته شده حرکت خواهد کرد. اگر چه پرتابه‌ها یا موتورهای شیمیایی نقش بسیار مهمی در ارسال کاوشگر‌ها به فضا دارند اما از آنجایی که برای انجام ماموریت‌های فضایی به خارج از منظومه شمسی به حجم زیادی سوخت نیاز دارند باید تغییراتی را در سیستم پیشران این نوع کاوشگرها در ماموریت‌های فضایی به مناطق دوردست ایجاد کنیم تا بتوانیم به اهداف پیش‌بینی شده دست یابیم. جالب است بدانید که با استفاده از سیستم‌های پیشران موجود، انتقال یک پوند از هر جسمی به مدار زمین بیش‌ از 10 هزار دلار هزینه دربرخواهد داشت.

فراتر از مرزهای پیشین

شاید این سوال برای شما مطرح شده باشد که چرا محققان تاکنون نتوانسته‌اند راهکار موثر برای ارسال سوخت کافی به فضا برای انجام ماموریت‌های فضایی به دوردست پیدا کنند. در ماموریت‌‌های فضایی از فرمولی به نام معادله پرتابه یا معادله موشک برای محاسبه نیروی محرکه مورد نیاز یک ماموریت فضایی استفاده می‌شود که برای نخستین بار در سال 1903 توسط یکی از فضانوردان روسی معرفی شد. براساس این معادله هر چه سرعت جدا شدن یک سفینه فضایی از پیشران حرکتی بیشتر باشد نیروی محرکه کمتری برای حرکت این سفینه فضایی در یک مسیر مشخص نیاز خواهید داشت. با توجه به این‌که برای افزایش طول مسیر حرکت لازم است نیروی پیشران حرکتی را نیز به حداکثر برسانیم بنابراین باید بیش از صددرصد سوخت موجود در مخزن را که براساس نوع پیشران طراحی می‌شود مورد استفاده قرار دهیم که در این صورت فضای مورد نیاز برای نصب دیگر تجهیزات سخت‌افزاری و یا حداکثر قابلیت حمل بار در این سیستم به مراتب کاهش خواهد یافت. بنابراین برای انجام ماموریت‌های فضایی و کاوش در مرزهای فراتر از منظومه شمسی، پرتابه‌های شیمیایی کارایی لازم را نخواهند داشت مگر این‌که بتوانیم با ایجاد تغییراتی در طراحی اولیه این سیستم‌ها سرعت ترکیب سوخت با اکسیژن و نیروی خروجی از پیشران را به حداکثر برسانیم. در موتورهای پلاسما برای ایجاد نیروی محرکه مورد نیاز پرتاب کاوشگر، سرعت ابرهای پلاسمای متشکل از اتم‌ها یا موکول‌هایی که دارای بار الکتریکی هستند، افزایش پیدا می‌کند. نیروی الکتریکی مورد نیاز برای تولید و افزایش سرعت حرکت ذرات پلاسما از پیل‌های خورشیدی که از قابلیت جمع‌آوری انرژی آزاد شده از تابش نور آفتاب برخوردار هستند تامین می‌شود، اما از آنجایی‌که انرژی خورشیدی در فواصل دورتر از خورشید بسیار ضعیف می‌شود در فضا پیماهایی که قرار است به فواصلی دورتر از مریخ سفر کنند از انرژی هسته‌‌ای استفاده می‌شود.

اگر چه امروزه در کاوشگرهای فضایی رباتیک که ماموریت‌های فضایی به دوردست‌ها را به صورت آزمایشی تجربه می‌کنند از ابزارهای ترموالکتریکی (وابسته به رابطه نیروی الکتریکی و حرارتی)‌ برای تامین حرارت مورد نیاز این فرآیند استفاده می‌شود، اما بدون تردید در سفرهای فضایی آینده که ماموریت‌هایی فراتر از مرزهای کنونی برای آنها در نظر گرفته خواهد شد باید از رآکتورهای هسته‌ای استفاده کنیم.

امروزه محققان در تلاش هستند با ایجاد تغییراتی در موتورهایی که نیروی پرتاب مورد نیاز کاوشگر‌ها را از طریق ذرات پلاسما تامین می‌کنند، نیروی محرکه اولیه را افزایش دهند تا بر این اساس بتوانند کارایی این کاوشگر‌ها را در ماموریت‌های فضایی به مراتب افزایش دهند. آنها همچنین قصد دارند قابلیت سفینه‌های فضایی را نیز برای دوره‌های چند ساله که اکتشافات مورد نظر برای انجام ماموریت‌هایی فراتر از منظومه شمسی به طول خواهد انجامید به حداکثر برسانند. به همین منظور در مراحل اولیه انجام این طرح تحقیقاتی، الکترودهایی را در سطح دیواره این موتورها قرار داده‌اند. این الکترودها یک میدان الکتریکی داخلی را در موتور ایجاد می‌کنند که ذرات پلاسما را در یک باریکه خروجی متمرکز می‌کند. این طرح خروج ذرات اضافی در نیروی خروجی موتور را به حداقل می‌رساند و با دور نگه داشتن ذرات پلاسما از دیواره موتور سبب افزایش عمر مفید سیستم می‌شود.

ایده‌هایی جدید در عرصه فضانوردی

به گفته محققان، یک موتور پلاسما به اندازه یک سطل کوچک می‌تواند با استفاده از انرژی حاصل از یک منبع انرژی خورشیدی یا هسته‌ای، یک میلیون وات انرژی الکتریکی در نیروی محرکه خروجی تولید کند که می‌تواند انرژی مورد نیاز 10 هزار لامپ معمولی را تامین کند. این در حالی است که ازنظر ابعاد، این موتور یکی از کوچک‌ترین موتورهایی است که برای تامین نیروی محرکه کاوشگرها یا سفینه‌های فضایی طراحی شده است. علاوه بر موتورهای پلاسمای طراحی شده از قابلیت‌های دریچه کنترل به بخار یا سوخت که در موتورهای معمولی وجود دارند نیز برخوردارند. به این ترتیب با تغییر مقدار جریان الکتریکی یا به عبارت دیگر تنظیم مقدار نیروی پیشران می‌توان سرعت اولیه حرکت کاوشگر را تحت کنترل قرار داد و خط سیر حرکت کاوشگر را برای حرکت به سمت مقصدی تعیین شده در دور دست و فراتر از منظومه تغییر داد. در حال حاضر گروهی از محققان ناسا، در تلاش هستند عملکرد طرحی جدید در موتورهای کاوشگرها را مورد بررسی و مطالعه قرار دهند. این طرح که براساس آخرین فناوری‌ها و دستاوردهای جدید در ساخت موتورهای لیتیومی ارائه شده است، از توانایی تامین پیشران حرکتی مورد نیاز برای پرتاب سفینه‌های فضایی برای انتقال محموله‌های بسیار سنگین و حمل تعدادی مسافر فضایی به ماه و مریخ برخوردار بوده و از نظر عملکرد در مقایسه با ماموریت‌های فضایی رباتیک و بدون سرنشین به سیارات خارج از منظومه شمسی در سطح یکسانی قرار خواهد داشت. اگرچه طرح‌های مختلف موتورهای پلاسمای الکتریکی هریک در مقایسه با دیگری از مزایا و ویژگی‌های منحصر به فردی برخوردار است، اما بدون تردید این نوع موتورها، یکی از جدیدترین فناوری‌هایی هستند که می‌توانند آینده صنعت فضانوردی را به میزان قابل توجهی تحت تاثیر خود قرار دهند.

فرانک فراهانی