ساخت راکتورهای تامین سوخت، سرعت‌گیر سفر به مریخ

به گزارش گروه علمی آباجان به نقل از ایرنا از فیز، ناسا در نظر دارد در دهه آینده ماموریت‌های سرنشین‌داری را به سیاره مریخ اعزام کند اما این مسافرت ۲۲۵ میلیون کیلومتری به سیاره سرخ می‌تواند از چندین ماه تا چند سال به طول انجامد.

این زمان انتقال نسبتا طولانی نتیجه استفاده از سوخت شیمیایی متعارف موشک است. یک فناوری جایگزین برای راکت‌های به پیش رونده (با سوخت) شیمیایی که ناسا هم‌اکنون آن را توسعه می‌دهد، پیشران گرمایی هسته‌ای (NTP) نامیده می‌شود که از شکاف هسته‌ای استفاده می‌کند و در آینده می‌تواند نیروی راکت‌هایی را تامین کند که سفر به مریخ را در نیمی از زمان ذکر شده انجام دهد.

شکاف هسته‌ای در برگیرنده استفاده از مقادیر خارق‌العاده انرژی است که در زمان شکاف یک اتم توسط یک نوترون آزاد می‌شود. این پدیده به عنوان واکنش شکاف شناخته می‌شود. فناوری شکاف در زمینه تولید برق و زیردریایی‌های با سوخت هسته‌ای به خوبی جا افتاده است و کاربرد آن برای تامین سوخت یک راکت می‌تواند روزی یک جایگزین سریع‌تر و قدرتمندتر برای راکت‌های با سوخت شیمیایی فراهم کند.

سازمان فضایی ناسا و سازمان «پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی» به طور مشترک در حال توسعه فناوری NTP هستند. آنها قصد دارند قابلیت‌های یک سامانه نمونه را در سال ۲۰۲۷ در فضا به نمایش بگذارند و به طور بالقوه آن را به یکی از اولین‌ نمونه‌ها از این نوع تبدیل کنند.

فناوری پیشران گرمایی هسته‌ای همچنین می‌تواند یک روز انرژی مورد نیاز برای پلتفرم‌های فضایی مانورپذیر را تامین کند؛ پلتفرم‌هایی که از ماهواره‌های آمریکا در مدار زمین و فراتر از آن محافظت خواهند کرد. اما این فناوری هنوز در مرحله توسعه قرار دارد.

در این حال یک گروه تحقیقاتی در «موسسه فناوری جورجیا» در حال ساخت مدل‌ها و شبیه‌سازی‌هایی برای بهبود و بهینه‌سازی طراحی برای سامانه‌های پیشران گرمایی هسته‌ای است. این محققان امیدوارند بتوانند به طراحی موتور پیشران گرمایی هسته‌ای برای انتقال یک ماموریت همراه با سرنشین (فضانوردان) به سیاره مریخ یاری برسانند.

پیشران هسته‌ای در برابر شیمیایی

سامانه‌های پیشران شیمیایی متعارف از یک واکنش شیمیایی در بر دارنده موادی مانند هیدروژن و یک اکسید کننده استفاده می‌کنند. این سامانه‌ها نیازمند هیچگونه سیستم احتراق نیستند و از این رو قابل اتکا هستند. اما این راکت‌ها باید اکسیژن را با خود به فضا حمل کنند که مشکل اضافه وزن ایجاد می‌کند. اما سامانه‌های پیشران گرمایی هسته‌ای بر واکنش‌های شکاف هسته‌ای متکی هستند. در بسیاری از واکنش‌های شکاف هسته‌ای، یک نوترون به سمت یک ایزوتوپ سبک‌تر اورانیوم (اورانیوم ۲۳۵) فرستاده می‌شود. اورانیوم این نوترون را جذب می‌کند و اورانیوم ۲۳۶ ایجاد می‌شود و این اورانیوم سپس به دو بخش تقسیم می‌شود و این واکنش برخی ذرات را ساطع می‌کند.

دولت آمریکا برای مدت چند دهه فناوری پیشران گرمایی هسته‌ای را تامین اعتبار کرده است. بین سال‌های ۱۹۵۵ و ۱۹۷۳ برنامه‌هایی در ناسا و برخی شرکت‌های آمریکایی ۲۰ موتور پیشران گرمایی هسته‌ای را تولید و بر روی زمین آزمایش کردند. اما این طراحی‌های پیش از سال ۱۹۷۳ بر سوخت اورانیوم با سطح غنی‌شدگی بالا متکی بودند. این سوخت به علت خطرات اشاعه مواد و فناوری هسته‌ای، دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

در این حال برخی نهادهای آمریکایی قصد دارند بسیاری از این راکتورهای استفاده کننده از سوخت اورانیوم با غنای بالا را به سوخت اورانیوم با غنای پایین یا HALEU‌ تبدیل کنند. این سوخت حاوی مواد کمتری با قابلیت شکاف هسته‌ای است و از این رو لازم است که راکت‌ها سوخت بیشتری از این نوع با خود حمل کنند که موجب سنگین‌تر شدن آن می‌شود. برای حل این مشکل، محققان در حال بررسی مواد خاصی هستند که در این راکتورها از سوخت با بهره‌وری بیشتری استفاده کنند.

موتورهای پیشران گرمایی هسته‌ای با همه سامانه‌های نیروی شکاف هسته‌ای متفاوت خواهند بود و از این رو لازم است که مهندسان، ابزارهای نرم‌افزاری برای کار با این موتور جدید بسازند.

گروه تحقیقاتی موسسه فناوری جورجیا با استفاده از مدل‌هایی اقدام به طراحی و آنالیز رآکتورهای پیشران گرمایی هسته‌ای می‌کند. آنها این راکتورهای پیچیده را مدل‌سازی می‌کنند تا تاثیرات احتمالی عواملی مانند تغییرات دمایی بر رآکتور و ایمنی راکت را بررسی کنند. اما شبیه‌سازی این تاثیرات مستلزم قدرت محاسباتی گسترده‌ای است و این محققان در حال کار برای ابداع ابزارهای محاسباتی جدید برای مدل‌سازی این راکتورها هستند.