نسل جديد كاوشگرهاي فضايي در راه است

كاوشگر فضايي ناسا موسوم به داون(Dawn )كه سپتامبر سال 2007 زمين را به مقصد فضا ترك كرده است همچنان با هدف دستيابي به يافته‌هايي جديددرباره شكل‌گيري منظومه‌شمسي، فراتر از مدار مريخ به سمت ستارك‌‌ها و سيارات‌ بينمريخ و مشتري در حال حركت است. اين سفينه فضايي رباتيك در تلاش است تا بتوانداطلاعات ارزشمندي را درباره سيارك‌هاي وستا و سرس كه دو تا از سيارك‌هاي بزرگباقيمانده از تشكيل‌ سيارات بزرگ منظومه‌شمسي از 57/4 ميليارد سال پيش هستند را دراختيار محققان اين رشته قرار دهد.
اما‌ آنچه در اين ماموريت فضايي حائز اهميتبوده است تنها هدف پيش‌بيني شده براي انجام اين ماموريت نيست بلكه ويژگي منحصر بهفرد اين كاوشگر در اين است كه نيروي لازم براي حركت آن از طريق يك فناوري پيشرانفضايي تامين مي‌شود كه در‌ آينده‌اي نزديك به عنوان يك موتور موشك پلاسما تحولعظيمي را در انجام ماموريت‌هاي فضايي به مسافت‌هاي بسيار دوردست به وجود خواهدآورد. در اين موتورها كه به صورت پيشرفته طراحي شده‌اند بر خلاف موشك‌هاي معمولي بهجاي سوخت شيميايي مايع يا گاز از پيشران حركتي گازي يونيزه شده كه به روش الكتريكيتوليد مي‌شود براي تامين نيروي محركه لازم براي پرتاب كاوشگرهاي فضايي استفادهمي‌شود. به گفته محققان مركز ملي تحقيقات فضانوردي آمريكا از آنجايي كه يك موتورپلاسما براي رسيدن به سيارك‌هاي مورد نظر تنها به يك دهم سوخت شيميايي موتور موشكينياز داشته و در مقابل از كارايي بيشتري برخوردار خواهد بود در طراحي سيستم پرتابه،كاوشگر فضايي داون نيز از موتور پلاسما استفاده شده است. اين در حالي است كه اگر دراين كاوشگر از موتورهاي معمولي استفاده شده بود تنها مي‌‌توانست به يكي ازسيارك‌هاي وستا و سرس برسد. در حقيقت مي‌توان گفت كه موشك‌هاي الكتريكي يا موتورهايالكتريكي يكي از بهترين سيستم‌هاي پيشران براي ارسال كاوشگرهاي فضايي به نقاطدوردست هستند. با توجه به دستاوردهاي منحصربه فرد اين فناوري در صنعت فضانوردي،محققان و فضانوردان آمريكايي، اروپايي و ژاپني كه آرزوي سفر به اعماق فضا را در سرمي‌پرورانند اميدوارند بتوانند در آينده‌اي نه چندان دور با بهره‌گيري از امكاناتموتورهاي پلاسما ماموريت‌هاي فضايي جديدي را به منظور كاوش در سيارات خارجي، جستجويسياراتي شبيه به زمين در خارج از منظومه شمسي و همچنين استفاده از فضا به عنوانآزمايشگاهي به منظور مطالعه و بررسي اصول بنيادين علم فيزيك طراحي و برنامه‌ريزيكنند. اگرچه همچنان لازم است زيرساخت‌هاي متعددي به منظور استفاده از نسل جديدموتورهاي پيشران در ماموريت‌هاي فضايي به دوردست‌ها فراهم شود اما در حال حاضرمحققان در تلاش هستند اقدامات لازم براي به اجرا درآوردن اين طرح در آينده‌اينه‌چندان دور را انجام دهند. اگر نواقص موجود در سيستم‌هاي پيشران حركتي را كه درپرتاب كاوشگرهاي فضايي از آنها استفاده مي‌شود مورد توجه قرار دهيد، بدون ترديد بيشاز پيش به ويژگي‌هاي متمايز موتورهاي الكتريكي پي خواهيد برد. تصور عمومي بر ايناست كه وقتي يك فضاپيما يا كاوشگر فضايي در فضايي تاريك به طرف سياره‌اي دوردست درحال حركت است دود غليظي در خروجي مخزن سوخت آن خارج مي‌شود كه رد‌پايي از حركت آنرا در فضا برجاي خواهد گذاشت. اما حقيقت اين است كه معمولا بخش عمده‌اي از سوختداخل مخزن پرتابه كاوشگر در نخستين دقايق پس از پرتاب مصرف شده و در نهايت آنكاوشگر به سمت هدف در نظر گرفته شده حركت خواهد كرد. اگر چه پرتابه‌ها يا موتورهايشيميايي نقش بسيار مهمي در ارسال كاوشگر‌ها به فضا دارند اما از آنجايي كه برايانجام ماموريت‌هاي فضايي به خارج از منظومه شمسي به حجم زيادي سوخت نياز دارند بايدتغييراتي را در سيستم پيشران اين نوع كاوشگرها در ماموريت‌هاي فضايي به مناطقدوردست ايجاد كنيم تا بتوانيم به اهداف پيش‌بيني شده دست يابيم. جالب است بدانيد كهبا استفاده از سيستم‌هاي پيشران موجود، انتقال يك پوند از هر جسمي به مدار زمينبيش‌ از 10 هزار دلار هزينه دربرخواهد داشت.

فراتر از مرزهاي پيشين

شايد اين سوال براي شما مطرح شده باشد كه چرا محققان تاكنون نتوانسته‌اندراهكار موثر براي ارسال سوخت كافي به فضا براي انجام ماموريت‌هاي فضايي به دوردستپيدا كنند. در ماموريت‌‌هاي فضايي از فرمولي به نام معادله پرتابه يا معادله موشكبراي محاسبه نيروي محركه مورد نياز يك ماموريت فضايي استفاده مي‌شود كه براي نخستينبار در سال 1903 توسط يكي از فضانوردان روسي معرفي شد. براساس اين معادله هر چهسرعت جدا شدن يك سفينه فضايي از پيشران حركتي بيشتر باشد نيروي محركه كمتري برايحركت اين سفينه فضايي در يك مسير مشخص نياز خواهيد داشت. با توجه به اين‌كه برايافزايش طول مسير حركت لازم است نيروي پيشران حركتي را نيز به حداكثر برسانيمبنابراين بايد بيش از صددرصد سوخت موجود در مخزن را كه براساس نوع پيشران طراحيمي‌شود مورد استفاده قرار دهيم كه در اين صورت فضاي مورد نياز براي نصب ديگرتجهيزات سخت‌افزاري و يا حداكثر قابليت حمل بار در اين سيستم به مراتب كاهش خواهديافت. بنابراين براي انجام ماموريت‌هاي فضايي و كاوش در مرزهاي فراتر از منظومهشمسي، پرتابه‌هاي شيميايي كارايي لازم را نخواهند داشت مگر اين‌كه بتوانيم با ايجادتغييراتي در طراحي اوليه اين سيستم‌ها سرعت تركيب سوخت با اكسيژن و نيروي خروجي ازپيشران را به حداكثر برسانيم. در موتورهاي پلاسما براي ايجاد نيروي محركه مورد نيازپرتاب كاوشگر، سرعت ابرهاي پلاسماي متشكل از اتم‌ها يا موكول‌هايي كه داراي بارالكتريكي هستند، افزايش پيدا مي‌كند. نيروي الكتريكي مورد نياز براي توليد و افزايشسرعت حركت ذرات پلاسما از پيل‌هاي خورشيدي كه از قابليت جمع‌آوري انرژي آزاد شده ازتابش نور آفتاب برخوردار هستند تامين مي‌شود، اما از آنجايي‌كه انرژي خورشيدي درفواصل دورتر از خورشيد بسيار ضعيف مي‌شود در فضا پيماهايي كه قرار است به فواصليدورتر از مريخ سفر كنند از انرژي هسته‌‌اي استفاده مي‌شود.

اگر چه امروزهدر كاوشگرهاي فضايي رباتيك كه ماموريت‌هاي فضايي به دوردست‌ها را به صورت آزمايشيتجربه مي‌كنند از ابزارهاي ترموالكتريكي (وابسته به رابطه نيروي الكتريكي وحرارتي)‌ براي تامين حرارت مورد نياز اين فرآيند استفاده مي‌شود، اما بدون ترديد درسفرهاي فضايي آينده كه ماموريت‌هايي فراتر از مرزهاي كنوني براي آنها در نظر گرفتهخواهد شد بايد از رآكتورهاي هسته‌اي استفاده كنيم.

امروزه محققان در تلاشهستند با ايجاد تغييراتي در موتورهايي كه نيروي پرتاب مورد نياز كاوشگر‌ها را ازطريق ذرات پلاسما تامين مي‌كنند، نيروي محركه اوليه را افزايش دهند تا بر اين اساسبتوانند كارايي اين كاوشگر‌ها را در ماموريت‌هاي فضايي به مراتب افزايش دهند. آنهاهمچنين قصد دارند قابليت سفينه‌هاي فضايي را نيز براي دوره‌هاي چند ساله كهاكتشافات مورد نظر براي انجام ماموريت‌هايي فراتر از منظومه شمسي به طول خواهدانجاميد به حداكثر برسانند. به همين منظور در مراحل اوليه انجام اين طرح تحقيقاتي،الكترودهايي را در سطح ديواره اين موتورها قرار داده‌اند. اين الكترودها يك ميدانالكتريكي داخلي را در موتور ايجاد مي‌كنند كه ذرات پلاسما را در يك باريكه خروجيمتمركز مي‌كند. اين طرح خروج ذرات اضافي در نيروي خروجي موتور را به حداقل مي‌رساندو با دور نگه داشتن ذرات پلاسما از ديواره موتور سبب افزايش عمر مفيد سيستم مي‌شود.

ايده‌هايي جديد در عرصه فضانوردي

به گفته محققان، يك موتور پلاسمابه اندازه يك سطل كوچك مي‌تواند با استفاده از انرژي حاصل از يك منبع انرژي خورشيدييا هسته‌اي، يك ميليون وات انرژي الكتريكي در نيروي محركه خروجي توليد كند كهمي‌تواند انرژي مورد نياز 10 هزار لامپ معمولي را تامين كند. اين در حالي است كهازنظر ابعاد، اين موتور يكي از كوچك‌ترين موتورهايي است كه براي تامين نيروي محركهكاوشگرها يا سفينه‌هاي فضايي طراحي شده است. علاوه بر موتورهاي پلاسماي طراحي شدهاز قابليت‌هاي دريچه كنترل به بخار يا سوخت كه در موتورهاي معمولي وجود دارند نيزبرخوردارند. به اين ترتيب با تغيير مقدار جريان الكتريكي يا به عبارت ديگر تنظيممقدار نيروي پيشران مي‌توان سرعت اوليه حركت كاوشگر را تحت كنترل قرار داد و خط سيرحركت كاوشگر را براي حركت به سمت مقصدي تعيين شده در دور دست و فراتر از منظومهتغيير داد. در حال حاضر گروهي از محققان ناسا، در تلاش هستند عملكرد طرحي جديد درموتورهاي كاوشگرها را مورد بررسي و مطالعه قرار دهند. اين طرح كه براساس آخرينفناوري‌ها و دستاوردهاي جديد در ساخت موتورهاي ليتيومي ارائه شده است، از تواناييتامين پيشران حركتي مورد نياز براي پرتاب سفينه‌هاي فضايي براي انتقال محموله‌هايبسيار سنگين و حمل تعدادي مسافر فضايي به ماه و مريخ برخوردار بوده و از نظر عملكرددر مقايسه با ماموريت‌هاي فضايي رباتيك و بدون سرنشين به سيارات خارج از منظومهشمسي در سطح يكساني قرار خواهد داشت. اگرچه طرح‌هاي مختلف موتورهاي پلاسمايالكتريكي هريك در مقايسه با ديگري از مزايا و ويژگي‌هاي منحصر به فردي برخورداراست، اما بدون ترديد اين نوع موتورها، يكي از جديدترين فناوري‌هايي هستند كهمي‌توانند آينده صنعت فضانوردي را به ميزان قابل توجهي تحت تاثير خود قرار دهند.