فضاپیمای New Horizons
چرا خبری از مأموریت های سرنشین دار به مریخ و مشتری و فراتر از آن نیست؟ چرا مأموریت های بدون سرنشین برای مرزهای منظومه شمسی موسوم به کره خورشیدی (Heliosphere) که می توانند حاوی اطلاعات مهمی در مورد پیدایش منظومه شمسی و حتی جهان باشند. در نظر گرفته نمی شوند؟ و بالاخره چرا مأموریت هایی برای رفتن به ستاره های دیگر در جستجوی سیاراتی مشابه زمین که دارای حیات هستند وجود ندارد؟
جواب این سؤالات بیانگر مهمترین مشکلی است که فعلاً پیش روی دانشمندان فضایی قرار دارد و آن این است که سیستم های پیشران (Propulsion Systems) کنونی که از فرایند سوخت شیمیایی استفاده می کنند، قادر به رساندن فضاپیماهای بدون سرنشین به سرعت های بسیار بالا (برای کاهش زمان سفر به مقاصد خارج از منظومه شمسی) یا حمل وزن زیاد فضاپیمای سرنشین دار در مسافت های طولانی (مانند فاصله تا مریخ) نیستند.
به طور کلی سوخت هایی که در فرآیند پیشرانش شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. دارای تکانش مخصوص پایینی هستند (تکانش مخصوص یا Specific Impulse با Isp نشان داده می شود و برابر با میزان Trust یا پیشرانش تولید شده در ازای میزان سوخت مورد استفاده در هر ثانیه است. به بیان ساده، هر چه تکانش مخصوص سوختی بالاتر باشد، آن سوخت انرژی بیشتری در خود دارد و برای دستیابی به سرعت های بالا مناسب تر است. زیرا مقدار کمتری از ان مورد نیاز بوده و وزن فضاپیما به خاطر آن افزایش نمی یابد.) و لذا برای دستیابی به سرعت های بالا مناسب نیستند. این مشکل مدت هاست که در برنامه حمل و نقل پیشرفته فضایی ناسا (Advanced Space Transportation Program) در دست بررسی است.
برنامه ای که فعلاً در حال بررسی چگونگی فرستادن فضاپیمایی بدون سرنشین به ستاره Alpha Centaur در مدت کمتر از 50 سال و هم چنین چگونگی فرستادن انسان به مریخ است و همانطور که گفته شد با مشکل پیشرانش فضاپیما دست و پنجه نرم می کند.
تا به حال راه حل های زیادی به صورت مفهومی پیشنهاد شده اند که برخی از آنها تا مرحله آزمون واقعی نیز پیش رفته اند. از جمله سالهاست که دانشمندان استفاده از شکافت هسته ای را راه حلی برای فرستادن انسان به مریخ دانشته اند زیرا اگر چه تکانش مخصوص و این نوع سوخت هم برای سفرهای بین ستاره ای کافی نیست ولی برای رفتن به مقاصد نزدیک تر مناسب است. متأسفانه مسائل محیطی، استفاده از این سوخت را بسیار محدود کرده و لذا استفاده از گداخت هسته ای که پاکیزه تر است، بیشتر مورد توجه واقع شده است. این فرایندهای هسته ای نیاز به انرژی ورودی بسیار دارند و هنوز راهی برای بیشتر کردن انرژی خروجی از انرژی ورودی آن به خصوص در اندازه های کوچک پیدا نشده است.
آخرین نوع از پیشرانه های جدید، پیشرانه های الکتریکی هستند که در فضاپیمای Deep Spacel مورد استفاده قرار گرفته است. متأسفانه نسبت پیشرانش این نوع سوخت به وزنش بسیار پایین است و لذا رساندن فضاپیما با استفاده از آن به سرعت های بالا عملی نیست. در طرف دیگر، استفاده از بادهای خورشیدی و لیزر برای پیشرانش نیز به عنوان منابع مجانی (البته لیزر فقط برای فضاپیما مجانی است!) انرژی جذاب هستند ولی آنها نیز محدودیت های خود را دارند.
پیشرانه های لیزری نیاز به نشانه روی دقیق و پیشرانه های فوتونی (که از بادهای خورشیدی نیرو می گیرند) نیاز به نزدیک بودن به خورشید را دارند و هم چنین هیچ کدام از این دو نوع قادر به حمل وزن زیاد نیستند.
| نوع پیشرانش | تکانش مخصوص | نسبت پیشرانش به وزن سیستم پیشران |
| سوخت شیمیایی | 200 تا 410 | 1/0 تا 10 |
| الکترومغناطیسی | 1200 تا 5000 | 4-10 تا 2-10 |
| شکافت هسته ای | 500 تا 3000 | 01/0 تا 10 |
| گداخت هسته ای | 4 10 تا 5 10 | 5-10 تا 2- 10 |
| نابودسازی ضدماده | 3 10 تا 6 10 | 3- 10 تا 1 |
نابودسازی ضدماده(Antimatter Annihilation) در واقع ترکیب مقدار مساوی ماده و ضد ماده است که منجر به تبدیل به کل ماده ترکیب شده به انرژی به صورت پرتوگاما می شود. مقدار انرژی آزاد شده را می توان با استفاده از رابطه معروف اینشتین =mc محاسبه کرد و از این رابطه می توان بدست آورد که به چه دلیل استفاده از این روش برای پیشرانش فضاپیماها، برای دانشمندان جذاب است.
اما با نگاهی به تکانش مخصوصی که از ضد ماده می توان استخراج کرد، اهمیت استفاده از آن در یک سیستم پیشران روشن می شود. به خصوص اینکه، نسبت نیروی پیشرانش به وزن سیستم مورد نیاز برای آن پایین و کاملاً قابل مقایسه با سیستم های رایج با سوخت شیمیایی است این بدین معناست که استفاده از تکنولوژی ضد ماده بهترین راه حل پیش روی ما برای دستیابی به نقاط دوردست گیتی و هم چنین فرستادن انسان به سیارات منظومه شمسی است. در واقع چگالی انرژی در ضد ماده، از هر ماده دیگری که تا به حال روی زمین شناخته شده است بیشتر است. به طوری که فقط 100 میلی گرم ضد ماده می تواند به اندازه کل سوخت شاتل فضایی انرژی تولید کند.
سؤالاتی که فعلاً در گروه پیشرانش ضدماده در دانشگاه پنسیلوانیا در حال بررسی هستند عبارتند از: 1- چقدر ضد ماده برای فرستادن انسان به مریح یا فرستادن یک فضاپیمای بدون سرنشین به ابراورت (Oort Cloud) مورد نیاز است؟ 2- چگونه این مقدار ضد ماده باید تا قبل از استفاده ذخیره سازی شود؟ 3- چگونه می توان این مقدار ضدماده را روی زمین تولید کرد؟
حقیقت این است که اگر از روش نابود سازی و خروج تک به تک ضدماه توسط ماده استفاده شود، روش تابش به هسته (Beamed Core) چیزی بین 1 تا 100 گرم ضد ماده مورد نیاز است و با توجه به اینکه آزمایشگاه Fermilab در شیکاگو و CERN در سؤیس تنها قادر به تولید 1 تا 10 نانوگرم ضدماده در سال هستند. این روش در آینده نزدیک عملی نیست و باید راه های بهتری برای تولید و نگهداری ضدماده ابداع شود. به همین دلیل است که گروه تحقیقاتی ضدماده در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، روش شکافت هسته ای القا شده توسط ضدماده را پیشنهاد کرده اند. این روش که ACMF: Antiproton Catalyzed Microfission نام دارد. اجازه می دهد تمامی انرژی حاصل از شکافت هسته ای به ماده پیشران منتقل شود (بر خلاف روش فعلی که فقط بخشی از آن را انتقال می دهد) و بدین ترتیب یک موتور شکافت هسته ای بسیار کارآتر تولید گردد. تکانش مخصوص این موتور 13500ت واحد است که با توجه به نسبت وزن به پیشرانش خوب موتور شکافت، قابلیت سفر انسان به فواصل دوردست منظومه شمسی را فراهم می کند.
فضاپیمای |CAN-|| که توسط این گروه طراحی شده است و از موتور ACMF استفاده می کند. برای فرستادن انسان به مریخ تنها 140 نانوگرم ضدماده نیاز دارد و این مقداری است که قابلیت تولید در زمان معقول با تکنولوژی فعلی را دارد. هم چنین برای حذف اثرات منفی شکافت هسته ای روی محیط، می توان موتور فضاپیما را در مدار و خارج از محیط جو زمین انجام داد. البته برای رفع این مشکل، روش دیگری با عنوان موتور AIM: Antiproton initiated Microfission /fusion ابداع شده است که در آن از ضدماده برای شروع فرایند شکافت یا گداخت استفاده می شود و مقدار مورد نیاز آن 30 تا 130 میکروگرم است.
اگرچه این مقدار از ACMF بیشتر است. تکانش مخصوص بالاتر از حدود 61 هزار واحد) آن را برای سفرهای بدون سرنشین به ستاره های دوردست ایده آل می کند. با وجود اینکه تولید ضد ماده در این مقادیر عملی است، نگهداری آن مشکلی دیگر است، ضدماده را نمی توان مثل سوخت معمولی در ظرف نگهداری کرد زیرا به هر ماده ای برخورد کند، با آن ترکیب شده و انرژی آزاد می کند.
Mark 1 عنوان پروژه ای است که در سال های اخیر ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده و عبارت است از طراحی، تولید و آزمایش یک تله ضد ماده (در اصطلاح تخصصی یک Penning Trap) که بتواند 10 10 عدد ضد پروتون را برای مدت یک هفته در خود نگهدارد. سازمان فضایی ایالات متحده ناسا نیز از نتایج این پروژه برای ساخت مخزن دیگری که 12 10 ضد پروتون را نگهداری می کند، بهره گرفته است که این مقدار ضدپروتون برای انجام چندین آزمایش کافی است. هم چنین آزمایشگاه ملی Fermilab، دستگاهی را ساخته که قادر به تولید 14 نانوگرم ضدماده در سال است و این مقدار با کمی اصلاحات می تواند 10 برابر شود.
بنابر این انتظار می رود در آینده ای نه چندان دور استفاده از پیشرانش ضدماده، بشر را قادر به دستیابی به نقاطی از فضا نماید که فعلا برایش میسر نیست.
گردآوری و تنظیم: محسن مرادی
