فضاپيماي New Horizons
چرا خبري از مأموريت هاي سرنشين دار به مريخ و مشتري و فراتر از آن نيست؟ چرا مأموريت هاي بدون سرنشين براي مرزهاي منظومه شمسي موسوم به کره خورشيدي (Heliosphere) که مي توانند حاوي اطلاعات مهمي در مورد پيدايش منظومه شمسي و حتي جهان باشند. در نظر گرفته نمي شوند؟ و بالاخره چرا مأموريت هايي براي رفتن به ستاره هاي ديگر در جستجوي سياراتي مشابه زمين که داراي حيات هستند وجود ندارد؟
جواب اين سؤالات بيانگر مهمترين مشکلي است که فعلاً پيش روي دانشمندان فضايي قرار دارد و آن اين است که سيستم هاي پيشران (Propulsion Systems) کنوني که از فرايند سوخت شيميايي استفاده مي کنند، قادر به رساندن فضاپيماهاي بدون سرنشين به سرعت هاي بسيار بالا (براي کاهش زمان سفر به مقاصد خارج از منظومه شمسي) يا حمل وزن زياد فضاپيماي سرنشين دار در مسافت هاي طولاني (مانند فاصله تا مريخ) نيستند.
به طور کلي سوخت هايي که در فرآيند پيشرانش شيميايي مورد استفاده قرار مي گيرند. داراي تکانش مخصوص پاييني هستند (تکانش مخصوص يا Specific Impulse با Isp نشان داده مي شود و برابر با ميزان Trust يا پيشرانش توليد شده در ازاي ميزان سوخت مورد استفاده در هر ثانيه است. به بيان ساده، هر چه تکانش مخصوص سوختي بالاتر باشد، آن سوخت انرژي بيشتري در خود دارد و براي دستيابي به سرعت هاي بالا مناسب تر است. زيرا مقدار کمتري از ان مورد نياز بوده و وزن فضاپيما به خاطر آن افزايش نمي يابد.) و لذا براي دستيابي به سرعت هاي بالا مناسب نيستند. اين مشکل مدت هاست که در برنامه حمل و نقل پيشرفته فضايي ناسا (Advanced Space Transportation Program) در دست بررسي است.
برنامه اي که فعلاً در حال بررسي چگونگي فرستادن فضاپيمايي بدون سرنشين به ستاره Alpha Centaur در مدت کمتر از 50 سال و هم چنين چگونگي فرستادن انسان به مريخ است و همانطور که گفته شد با مشکل پيشرانش فضاپيما دست و پنجه نرم مي کند.
تا به حال راه حل هاي زيادي به صورت مفهومي پيشنهاد شده اند که برخي از آنها تا مرحله آزمون واقعي نيز پيش رفته اند. از جمله سالهاست که دانشمندان استفاده از شکافت هسته اي را راه حلي براي فرستادن انسان به مريخ دانشته اند زيرا اگر چه تکانش مخصوص و اين نوع سوخت هم براي سفرهاي بين ستاره اي کافي نيست ولي براي رفتن به مقاصد نزديک تر مناسب است. متأسفانه مسائل محيطي، استفاده از اين سوخت را بسيار محدود کرده و لذا استفاده از گداخت هسته اي که پاکيزه تر است، بيشتر مورد توجه واقع شده است. اين فرايندهاي هسته اي نياز به انرژي ورودي بسيار دارند و هنوز راهي براي بيشتر کردن انرژي خروجي از انرژي ورودي آن به خصوص در اندازه هاي کوچک پيدا نشده است.
آخرين نوع از پيشرانه هاي جديد، پيشرانه هاي الکتريکي هستند که در فضاپيماي Deep Spacel مورد استفاده قرار گرفته است. متأسفانه نسبت پيشرانش اين نوع سوخت به وزنش بسيار پايين است و لذا رساندن فضاپيما با استفاده از آن به سرعت هاي بالا عملي نيست. در طرف ديگر، استفاده از بادهاي خورشيدي و ليزر براي پيشرانش نيز به عنوان منابع مجاني (البته ليزر فقط براي فضاپيما مجاني است!) انرژي جذاب هستند ولي آنها نيز محدوديت هاي خود را دارند.
پيشرانه هاي ليزري نياز به نشانه روي دقيق و پيشرانه هاي فوتوني (که از بادهاي خورشيدي نيرو مي گيرند) نياز به نزديک بودن به خورشيد را دارند و هم چنين هيچ کدام از اين دو نوع قادر به حمل وزن زياد نيستند.
| نوع پيشرانش | تکانش مخصوص | نسبت پيشرانش به وزن سيستم پيشران |
| سوخت شيميايي | 200 تا 410 | 1/0 تا 10 |
| الکترومغناطيسي | 1200 تا 5000 | 4-10 تا 2-10 |
| شکافت هسته اي | 500 تا 3000 | 01/0 تا 10 |
| گداخت هسته اي | 4 10 تا 5 10 | 5-10 تا 2- 10 |
| نابودسازي ضدماده | 3 10 تا 6 10 | 3- 10 تا 1 |
نابودسازي ضدماده(Antimatter Annihilation) در واقع ترکيب مقدار مساوي ماده و ضد ماده است که منجر به تبديل به کل ماده ترکيب شده به انرژي به صورت پرتوگاما مي شود. مقدار انرژي آزاد شده را مي توان با استفاده از رابطه معروف اينشتين =mc محاسبه کرد و از اين رابطه مي توان بدست آورد که به چه دليل استفاده از اين روش براي پيشرانش فضاپيماها، براي دانشمندان جذاب است.
اما با نگاهي به تکانش مخصوصي که از ضد ماده مي توان استخراج کرد، اهميت استفاده از آن در يک سيستم پيشران روشن مي شود. به خصوص اينکه، نسبت نيروي پيشرانش به وزن سيستم مورد نياز براي آن پايين و کاملاً قابل مقايسه با سيستم هاي رايج با سوخت شيميايي است اين بدين معناست که استفاده از تکنولوژي ضد ماده بهترين راه حل پيش روي ما براي دستيابي به نقاط دوردست گيتي و هم چنين فرستادن انسان به سيارات منظومه شمسي است. در واقع چگالي انرژي در ضد ماده، از هر ماده ديگري که تا به حال روي زمين شناخته شده است بيشتر است. به طوري که فقط 100 ميلي گرم ضد ماده مي تواند به اندازه کل سوخت شاتل فضايي انرژي توليد کند.
سؤالاتي که فعلاً در گروه پيشرانش ضدماده در دانشگاه پنسيلوانيا در حال بررسي هستند عبارتند از: 1- چقدر ضد ماده براي فرستادن انسان به مريح يا فرستادن يک فضاپيماي بدون سرنشين به ابراورت (Oort Cloud) مورد نياز است؟ 2- چگونه اين مقدار ضد ماده بايد تا قبل از استفاده ذخيره سازي شود؟ 3- چگونه مي توان اين مقدار ضدماده را روي زمين توليد کرد؟
حقيقت اين است که اگر از روش نابود سازي و خروج تک به تک ضدماه توسط ماده استفاده شود، روش تابش به هسته (Beamed Core) چيزي بين 1 تا 100 گرم ضد ماده مورد نياز است و با توجه به اينکه آزمايشگاه Fermilab در شيکاگو و CERN در سؤيس تنها قادر به توليد 1 تا 10 نانوگرم ضدماده در سال هستند. اين روش در آينده نزديک عملي نيست و بايد راه هاي بهتري براي توليد و نگهداري ضدماده ابداع شود. به همين دليل است که گروه تحقيقاتي ضدماده در دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا، روش شکافت هسته اي القا شده توسط ضدماده را پيشنهاد کرده اند. اين روش که ACMF: Antiproton Catalyzed Microfission نام دارد. اجازه مي دهد تمامي انرژي حاصل از شکافت هسته اي به ماده پيشران منتقل شود (بر خلاف روش فعلي که فقط بخشي از آن را انتقال مي دهد) و بدين ترتيب يک موتور شکافت هسته اي بسيار کارآتر توليد گردد. تکانش مخصوص اين موتور 13500ت واحد است که با توجه به نسبت وزن به پيشرانش خوب موتور شکافت، قابليت سفر انسان به فواصل دوردست منظومه شمسي را فراهم مي کند.
فضاپيماي |CAN-|| که توسط اين گروه طراحي شده است و از موتور ACMF استفاده مي کند. براي فرستادن انسان به مريخ تنها 140 نانوگرم ضدماده نياز دارد و اين مقداري است که قابليت توليد در زمان معقول با تکنولوژي فعلي را دارد. هم چنين براي حذف اثرات منفي شکافت هسته اي روي محيط، مي توان موتور فضاپيما را در مدار و خارج از محيط جو زمين انجام داد. البته براي رفع اين مشکل، روش ديگري با عنوان موتور AIM: Antiproton initiated Microfission /fusion ابداع شده است که در آن از ضدماده براي شروع فرايند شکافت يا گداخت استفاده مي شود و مقدار مورد نياز آن 30 تا 130 ميکروگرم است.
اگرچه اين مقدار از ACMF بيشتر است. تکانش مخصوص بالاتر از حدود 61 هزار واحد) آن را براي سفرهاي بدون سرنشين به ستاره هاي دوردست ايده آل مي کند. با وجود اينکه توليد ضد ماده در اين مقادير عملي است، نگهداري آن مشکلي ديگر است، ضدماده را نمي توان مثل سوخت معمولي در ظرف نگهداري کرد زيرا به هر ماده اي برخورد کند، با آن ترکيب شده و انرژي آزاد مي کند.
Mark 1 عنوان پروژه اي است که در سال هاي اخير ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده و عبارت است از طراحي، توليد و آزمايش يک تله ضد ماده (در اصطلاح تخصصي يک Penning Trap) که بتواند 10 10 عدد ضد پروتون را براي مدت يک هفته در خود نگهدارد. سازمان فضايي ايالات متحده ناسا نيز از نتايج اين پروژه براي ساخت مخزن ديگري که 12 10 ضد پروتون را نگهداري مي کند، بهره گرفته است که اين مقدار ضدپروتون براي انجام چندين آزمايش کافي است. هم چنين آزمايشگاه ملي Fermilab، دستگاهي را ساخته که قادر به توليد 14 نانوگرم ضدماده در سال است و اين مقدار با کمي اصلاحات مي تواند 10 برابر شود.
بنابر اين انتظار مي رود در آينده اي نه چندان دور استفاده از پيشرانش ضدماده، بشر را قادر به دستيابي به نقاطي از فضا نمايد که فعلا برايش ميسر نيست.
گردآوري و تنظيم: محسن مرادي