أعلن مدير وكالة ناسا جاريد إسحاقمان هذا الأسبوع أن الوكالة ستقوم بتطوير “أول مركبة فضائية بين الكواكب تعمل بالطاقة النووية” قبل الإطلاق المخطط له في عام 2028 إلى المريخ.
طموح المهمة المعروف ب مفاعل الفضاء-1 (SR1) الحرية، يذهب إلى ما هو أبعد من مهمتها المقترحة للوصول المريخ. إذا نجح هذا المشروع، فسيكون تتويجًا لأكثر من 60 عامًا من التجارب والمشاريع الفاشلة في مجال الدفع النووي، ومن المحتمل أن يحدث تغييرًا في السفر عبر الفضاء بين الكواكب.
يستمر المقال أدناه
إن فكرة المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة النووية تعيد إلى الأذهان مفاهيم مثل مشروع أوريون، تم تطويره في الخمسينيات من القرن الماضي والذي كان من شأنه أن يشهد مركبة فضائية يتم دفعها بواسطة موجات الصدمات الناتجة عن سلسلة سريعة من الانفجارات النووية خلفها. تصميم آخر يعمل بالطاقة النووية كان مشروع ديدالوس، وهو دراسة تصميمية أجرتها جمعية الكواكب البريطانية في السبعينيات والتي اقترحت استخدام محركات تعمل بالاندماج النووي.
سيستخدم مفهوم الحرية SR-1 التابع لناسا الانشطار النووي مفاعل، مثل نسخة مصغرة من نوع المحطات النووية التي تزود مدن الأرض بالطاقة، لتوليد الكهرباء التي يمكنها تشغيل محرك أيوني.
ومع ذلك، تستخدم بعثات وكالة ناسا شكلاً آخر من أشكال الطاقة النووية في الفضاء منذ عقود، في شكل طاقة نووية المولدات الحرارية النظائر المشعةأو RTGs. ما الفرق بين RTGs والدفع الكهربائي النووي الذي سيقود SR-1 Freedom؟
مدعوم من الاضمحلال النووي
تنتج المولدات الكهربائية الحرارية للنظائر المشعة الطاقة باستخدام الحرارة المنبعثة من الاضمحلال الإشعاعي من البلوتونيوم 238، الذي يبلغ عمر نصفه ما يقرب من 88 عامًا (أي أن نصف كميته، في المتوسط، ستتعرض لتحلل إشعاعي في ذلك الوقت)، مما يسمح له بتشغيل المركبات الفضائية لعقود إذا لزم الأمر.
تستخدم ناسا الطاقة النووية في الفضاء منذ زمن طويل تقريبًا مثل عصر الفضاء نفسه. وفي الستينيات، قامت الوكالة بتمويل مشروع أنظمة الطاقة النووية المساعدة، أو SNAP. كما يشير اسمه، يتضمن برنامج SNAP استخدام الطاقة المشتقة من الطاقة النووية في المهام الفضائية. وفقا لوكالة ناساأول من طار كان SNAP-3 في عام 1961، والذي كان يحمل على متنه RTG.
كان RTG الموجود على متن SNAP-3 يحمل 96 جرامًا من البلوتونيوم 238، والذي أنتج 2.5 واط من الطاقة الكهربائية. ومع ذلك، فقد قطعت الأمور شوطا طويلا منذ أوائل الستينيات. منذ ذلك الحين، طارت RTGs في مهام بين الكواكب بما في ذلك Pioneer 10 و11 وPioneer 10 و11 فوييجر 1 و 2 المركبة الفضائية إلى الخارج النظام الشمسي، ال آفاق جديدة رحلة الى بلوتو وما بعده، مركبات الهبوط Viking 1 و2 Mars والمركبات الجوالة فضول و مثابرة.
في الواقع، تم الكشف عن الحاجة إلى RTGs من خلال المركبتين السابقتين Curiosity وPerseverance، وهما Mars Exploration Rovers. روح و فرصة، والتي كانت تعمل بالطاقة الشمسية بحتة ولكنها عانت من تناقص الطاقة حيث غطى الغبار المريخي مصفوفاتها الشمسية.
الدفع الكهربائي النووي
هناك تقدم آخر يعود تاريخه إلى الستينيات وهو الدفع الكهربائي، وربما المعروف باسم محرك ايون. يعمل هذا عن طريق تأين الذرات التي تنتمي إلى الوقود الدافع الغازي، مثل الزينون أو الكريبتون، ثم تسريع تلك الأيونات من خلال فوهة لتوفير الدفع. ويمكن تحقيق هذا التسارع بطريقتين. أحدهما هو تطبيق المجالات الكهرومغناطيسية لإنتاج ما يسمى بتأثير هول الذي يعمل على تسريع الأيونات.
والطريقة الأخرى هي محرك أيوني شبكي، حيث يتم حقن الأيونات موجبة الشحنة في “غرفة التفريغ” حيث تتحرك نحو شبكة سالبة الشحنة ويتم تسريعها من خلال الثقوب الموجودة في تلك الشبكة بواسطة الجهد الكهربي، مما يؤدي إلى طردها مرة أخرى من خلال فوهة، وينتج المحرك الأيوني توهجًا أزرق ناعمًا.
في مهمات فضائية داخل الداخلية النظام الشمسي يمكن أن تتأين الأيونات بواسطة الكهرباء المنتجة عبر المصفوفات الشمسية، ومن هنا نشير إلى تكنولوجيا مثل الدفع الكهربائي الشمسي (SEP). ومع ذلك، قد تتفاجأ عندما تجد أن SEP ينتج عادةً أقل من رطل واحد من الدفع.
وهذا يتضاءل بالمقارنة مع قوة الدفع التي تبلغ 8.8 مليون رطل نظام إطلاق الفضاء سيوفر الصاروخ عندما ينفجر أرتميس 2 مهمة نحو قمر. ومع ذلك، فإن مقدار الدفع الضئيل لـ SEP يعد إضافيًا، ويتراكم بمرور الوقت لدفع المركبة الفضائية إلى سرعات تبلغ حوالي 200000 ميل (320000 كيلومتر) في الساعة، أو أكثر، بعد فترة طويلة من استنفاد صاروخ كيميائي مماثل وقوده.
تم استخدام SEP في مهمات في مدار الأرض منذ الستينيات. أول مهمة بين الكواكب مع SEP كانت وكالة ناسا الفضاء السحيق 1 في عام 1998، ومنذ ذلك الحين تم استخدامه بفعالية كبيرة في بعثات مثل مهمة SMART-1 التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية إلى القمر، وبعثة ناسا. فَجر المركبة الفضائية التي زارتها سيريس و فيستا في حزام الكويكبات، و دارت المهمة التي أثرت على المضاعفة الكويكب ديديموس و ديمورفوس في عام 2022.
إن استبدال الطاقة الشمسية بالطاقة النووية له ميزتان في الفضاء السحيق. أولاً، إنه يسهل على البعثات الفضائية نشر المحركات الأيونية في النظام الشمسي الخارجي البعيد، بعيدًا عن الأرض شمس. وثانيًا، إنها تنتج قوة أكبر بمقدار يتراوح بين واحد إلى اثنين من قوة SEP، وبالتالي تزيد من قوة الدفع وكتلة الحمولة التي يمكنها حملها.
إن مولدات RTGs ليست كافية لهذا النوع من العمل، ولهذا السبب يتطلب الدفع الكهربائي النووي (NEP) مفاعل انشطاري. وتتحول الحرارة الناتجة عن المفاعل إلى كهرباء وهي ما يؤين (يشحن كهربائيا) الغازات الدافعة لاستخدامها في المحرك الأيوني.
سيتم وضع مفاعل SR-1 Freedom الانشطاري بقدرة 20 كيلووات، والذي يحتوي على يورانيوم منخفض التخصيب وثاني أكسيد اليورانيوم، في نهاية ذراع طويل، مما يضمن المسافة بين الإشعاع الذي ينتجه وبقية المركبة الفضائية.
في سبتمبر، يتم تخصيص جزء كبير من المساحة الإجمالية للمركبة الفضائية للمصفوفات الشمسية. مع NEP، يتم إيقاف تشغيل تلك المصفوفات الشمسية لزعانف التبادل الحراري لإشعاع بعض الحرارة الزائدة من المفاعل ومنع مكونات المركبة الفضائية من الذوبان.
تجدر الإشارة إلى أن هناك شكلًا ثالثًا للمحرك النووي، وهو الدفع الحراري النووي، حيث تعمل الطاقة الناتجة عن مفاعل الانشطار على تسخين الوقود الدافع، مما يؤدي إلى تمدده وانفجاره عبر فوهة، مما ينتج عنه قوة دفع مثل صاروخ أكثر تقليدية.
المخاطر النووية
وبطبيعة الحال، تعتبر السلامة ذات أهمية قصوى عند إرسال المواد النووية إلى الفضاء، وغالباً ما يخاف الناس من كلمة “نووية”.
في عام 1997، اجتاح الجدل إطلاق وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية المشتركة كاسيني-هويجنز مهمة ل زحل. حملت على متنها ثلاث مجموعات RTG تحمل 73 رطلاً (33 كجم) من البلوتونيوم 238 بين المسبارين.
أشارت دراسة الأثر البيئي للبعثة إلى أن هناك احتمالًا بنسبة 1 من 1400 لوقوع حادث أثناء الإطلاق، و1 من 476 فرصة أثناء الرحلة عبر الغلاف الجوي للأرض، مما قد يؤدي إلى نشر المواد المشعة ليس فقط عبر فلوريدا، من حيث انطلقت كاسيني-هويجنز، ولكن عبر العالم بأكمله اعتمادًا على الارتفاع الذي وقع فيه الحادث. أدى هذا إلى مخاوف جدية من بعض الجهات، حيث طالب ميشيو كاكو، داعية العلوم المشهورة، من بين قادة الاحتجاجات بإلغاء الإطلاق، لكن مركبة كاسيني-هويجنز مضت قدمًا دون أي عوائق، كما فعلت جميع مهام RTG اللاحقة.
وبطبيعة الحال، يتم الحرص على التأكد من أنه في حالة وقوع حادث، تكون المواد المشعة محمية قدر الإمكان. يتم تقليل المخاطر عن طريق تعبئة تلك المادة المشعة داخل كتل جرافيت متينة للغاية مدعومة بطبقة من الإيريديوم ومحاطة بقشرة هوائية لحماية RTG في حالة خضوعها لإعادة الدخول إلى الغلاف الجوي.
ورغم أن هذا لا يوفر ضمانة مطلقة، فقد يتصور المرء أن أي مفاعل انشطاري يتم إطلاقه في الفضاء سوف يتطلب بروتوكولات أمان مماثلة. في الواقع، هناك قيود تنظيمية صارمة للغاية، سواء في الولايات المتحدة أو على المستوى الدولي، فيما يتعلق بذلك إرسال المواد النووية إلى الفضاء.
هناك أيضًا مشكلة أن الانشطار النووي هو عملية شديدة السمية. أنها تنطوي على تقسيم ذرةوإنتاج النفايات المشعة وكذلك الطاقة. باستخدام المفاعلات الانشطارية في الفضاء، فإننا نرسل بشكل أساسي حزمًا صغيرة من النفايات السامة عبر النظام الشمسي، والتي يمكن أن تكون خطيرة في المستقبل على أي رواد فضاء يصادفونها، أو أي محيطات حيوية قد تكون موجودة على كواكب أو أقمار أخرى، مثل المريخ أو أوروبا، في حالة تحطم إحدى هذه الطرود السامة هناك.
تاريخ الدفع الكهربائي النووي
هذه ليست المرة الأولى التي تفكر فيها ناسا في استخدام الدفع الكهربائي النووي. في عام 1965، أطلقت الوكالة مهمة SNAP-10A، والتي كانت المرة الأولى والوحيدة حتى الآن التي يتم فيها نشر الدفع الكهربائي النووي بنجاح. وكانت أيضًا المرة الأولى التي يتم فيها إطلاق مفاعل نووي إلى الفضاء. هذا المفاعل عمل بشكل جيد لمدة 43 ثلاثة أيام قبل أن يحدث خلل ويتوقف عن العمل، وفقا لوزارة الطاقة الأمريكية.
ومع ذلك، خلال 61 عامًا منذ SNAP-10A، لم تكن هناك أي مهام أخرى تثبت بنجاح الدفع الكهربائي النووي، ولكن كانت هناك العديد من المحاولات للقيام بذلك. أحدث مشروع لناسا كان دراكو، الصاروخ التوضيحي للعمليات القمرية الرشيقة، بالتعاون مع DARPA وLockheed Martin وBWX Technologies.
للأسف، تم إيقاف برنامج DRACO مؤقتًا في يناير 2025 بسبب التحديات الفنية والتنظيمية. قبل أن يتم إلغاؤها تمامًا في ذلك الصيف عندما تم استبعادها من الميزانية الفيدرالية المقترحة لعام 2026. زعمت وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (DARPA) أن تكاليف البرنامج لم تعد تتناسب مع الفوائد، نظرًا لأن تكاليف الإطلاق العادية كانت في انخفاض.
ومع ذلك، يبدو الآن أن ناسا قد غيرت أسلوبها مع اهتمامها المتجدد بالدفع الكهربائي النووي. من المؤكد أن هناك حجة قوية مفادها أن استخدام الطاقة النووية أمر بالغ الأهمية إذا أردنا إطلاق المزيد من المهام المنتظمة بين الكواكب وإرسال رواد فضاء وحمولات ضخمة إلى المريخ أو إلى أي مكان آخر.
ومع ذلك، فإن الوقت بالتأكيد يمنع ناسا من إطلاق المهمة في عام 2028 كما هو مخطط لها، ويبقى أن نرى ما إذا كانت ناسا، بعد أكثر من ستين عامًا من المحاولة، ستتمكن أخيرًا من تشغيل التكنولوجيا. إذا فعلوا ذلك، فإن زيادة الكفاءة والقوة التي يمكن أن تجلبها محركات الدفع الكهربائية يمكن أن تحدث تحولًا في السفر إلى الفضاء، سواء كان ذلك بنقل رواد الفضاء إلى المريخ أو قيادة البعثات العلمية إلى النظام الشمسي الخارجي.
التعليقات