مستقبل إنتاج المركبات الفضائية: الكهرباء والنووية وما بعدها

إن مستقبل تداول المركبات الفضائية هو في منعطف محوري، حيث يمكن أن تؤدي عمليات الانطلاق في الفيزياء وعلم المواد والوعد الهندسي إلى إعادة تعريف وصول البشرية إلى الكون، وقد تكون الصواريخ الكيميائية، لأكثر من نصف قرن، هي الآفاق التي تؤدي إلى السفر في الفضاء، ولكن قيودها على الكفاءة والسرعة والقدرة على الدفع قد دفعت الباحثين إلى استكشاف نُهج جديدة جذرية.

حدود التبريد الكيميائي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الصواريخ الكيميائية، سواء كانت سائلة أو صلبة، تعمل عن طريق حرق الوقود والأوكسيديزر في غرفة الاحتراق وطرد الغازات الساخنة من خلال مصباح، وتنتج هذه الطريقة دفعة عالية، تكفي لرفع الحمولات الثقيلة من سطح الأرض، ولكنها تعاني من ضعف القاذورات المحددة (Isp) - مقياس كفاءة الوقود.

Propulsion: Efficiency for Long-Duration Missions

وتستخدم نظم الدفع الكهربائي الطاقة الكهربائية، التي عادة ما تكون من الألواح الشمسية أو المفاعلات النووية، للتعجيل بإيونات الوقود أو البلازما إلى سرعة عالية جدا، وفي حين أنها تنتج دفعة منخفضة - وكثيرا ما تكون مقاسة في مطاحن الطائر - يمكن أن تعمل باستمرار لمدة أشهر أو حتى سنوات، وتزداد سرعة تدريجيا، مما يجعلها مثالية بالنسبة للبعثات الفضائية العميقة، ومسك المحطات المدارية، وقطع الشحنات التي تتطلب قدرا كبيرا من الأندفاعا، ولكن الوقت أقل أهمية.

Ion Thrusters

وقد أثبت المدافعون الأيونون فائدتهم في بعثة الفضاء الأولى في ناسا )١٩٩٨( ثم في مركبة داون الفضائية التي زارت الكويكب فيستا وكوكب القزم، وفي مدفع إيون، يُقصف غاز محايد مثل Xenon بالكهرباء لخلق أجسام محملة على نحو إيجابي، ثم تتسارع هذه الصواريخ من خلال شبكة كهربائية أعلى من ٠٠٠ ٣٠ كيلومتر/ثانية.

(هال إيفيتر)

ويستخدم مدافع الهالونات على مبدأ مماثل، ولكن يستخدم حقل مغناطيسي لضبط الإلكترونيات وخلق تفريغ بالبلازما، مما يؤدي إلى تعجيل الآبار، ويعرضان كثافة دفع أعلى من مدافع الأيون القائمة على الشبكة، ويمتد نطاقها إلى ٥٠٠ ١-٣٣ ثانية، وتستعمل معدات التوليد ذات الاستعمال التجاري الواسع النطاق: مثلا تستخدم حافلات الدفع بواسطة الساتل BOBISBSBOBOBOBOBOBOBOBSHSBOX(24)

VASIMR and Other Plasma Drives

وتستخدم شبكة " ماغنيتوبلازما " (Variable) الموجات اللاسلكية لتسخين غاز الدفع إلى درجات حرارة عالية للغاية، مما يشكل بلازما توجهها بعد ذلك الحقول المغناطيسية لإنتاج الدفع، حيث يمكن أن تتطورها شركة آسترا روكيت، وهي اختبارات يمكن أن تخفف من حدة الدافع والتوجهات المحددة، مما يجعلها قابلة للتكيف مع مختلف مراحل البعثة.

المزايا والتحديات التي تواجه الانتظام الكهربائي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الفائدة الأساسية للكهرباء هي كفاءة الوقود - وهو عامل يتراوح بين ٥ و ١٠ مرات عن النظم الكيميائية، وهذا يترجم إلى كتلة أقل من الإطلاق، وانخفاض التكاليف، والقدرة على حمل حمولات علمية أكبر، ولا تزال الحياة التشغيلية الطويلة للقوى الكهربائية )التي تمتد لعشرات الآلاف من الساعات في اختبارات الفراغ( ملائمة تماما لبعثات تمتد لعقود، غير أن سعة الدفع المنخفض لا يمكن أن تستهلك للمدارات التي تكون فيها الجاذبية ضعيفة أو أثناءها.

Propulsion: Power and Speed for Crewed Missions

فالدفع النووي يوفر مساراً للدفع العالي والكفاءة العالية والقدرة على الوصول إلى الكواكب البعيدة بسرعة - حرجة للتقليل إلى أدنى حد من التعرض للإشعاع الفلكي ومدة البعثة، ويوجد هيكلان رئيسيان هما: الاندفاع الحراري النووي والدفع النووي، ويعتمد كلاهما على مفاعلات الانشطار، ولكنهما يحولان الحرارة إلى حركة مختلفة.

التكاثر الحراري النووي

وفي النظام الوطني للكيمياء، يسخن مفاعل نووي غاز الهيدروجين المروحي إلى درجات حرارة تزيد عن ٥٠٠ ٢ كيلو متر. ويتوسع الهيدروجين الساخن من خلال زهرة، ويولد زخما، ونظرا لأن جزيئات الهيدروجين خفيفة، يمكن التعجيل بها إلى مستويات عالية جدا من السرعة، مما يؤدي إلى مقياس يتراوح بين ٨٠٠ و ٠٠٠ ١ ثانية، مما يزيد من ضعف مستويات الصواريخ الكيميائية الفضلى)٩(.

:: إنتاج الكهرباء النووية

ويجمع هذا المفاعل النووي بين مفاعل نووي محركات كهربائية )أيون أو مؤثرات هالة( - يوفر المفاعل حرارة مستمرة لدورة حرارية تولد الكهرباء، وتزود المدافع بالكهرباء، وفي حين أن الدافع لكل محرك كهربائي منخفض )مثل كل الدفع الكهربائي(، فإن المفاعل يمكن أن يوفر طاقة وفرة للعديد من أجهزة الدفع العاملة في نفس الوقت، ويوفر هذا النظام قيما مقسمة تتراوح بين ٠٠٠ ٢ و ٠٠٠ ٥ ثانية ويمكن أن يحافظ على وجود هياكل أساسية مثالية على الازدراءعة على مدى سنوات.

Project Orion and Fission Fragments

ومن بين المفاهيم النووية المكرّسة التي تستخدم التفجيرات النووية الصغيرة خلف مركبة فضائية لدفعها إلى الأمام، ومع أن الدراسات التي لم تتدفق أبدا، فإن أوريون قد تحقق من الناحية النظرية زخما وكفاءة عاليين جدا، فالنبات الحديثة، مثل " أوريون المتحرك " أو الصواريخ ذات الفتيلات، تهدف إلى استخراج الطاقة مباشرة من شظايا الأنشطة دون وجود جوهر مفاعلات هندسية متطورة.

السلامة والتنظيم

كما أن هناك حاجزا كبيرا في مجال الدفع النووي يتمثل في التصور العام وخطر إطلاق المواد المشعة، إذ أن الولايات المتحدة لديها مبادئ توجيهية صارمة فيما بين الوكالات، ويجب أن يكون أي محرك نووي مصمما للبقاء على قيد الحياة في حادث إطلاق دون إطلاق مواد، كما أن التقدم في تصميم المفاعلات - مثل استخدام اليورانيوم المنخفض التخصيب العالي التخصيب، وبساط الطاقة الكهربائية - تعمل على تحسين السلامة.

التكنولوجيات الناشئة والمفاهيم المستقبلية

فإلى جانب النظم الكهربائية والنووية، يمكن أن تؤدي مجموعة من الأفكار الجديدة للدفع إلى إحداث ثورة في أوقات السفر وإلى الحد من الحاجة إلى الوقود الدفعي بالكامل، ويعتمد بعضها على قوى سلبية مثل ضوء الشمس؛ بينما يعتمد البعض الآخر على الفيزياء الغريبة أو الكثافة القصوى للطاقة.

Solar Sails

ويحتاج الأشرعة الشمسية إلى قوة دفع من الصور من الشمس أو من الليزر ذو الطاقة العالية إلى دفع بحر كبير ومعكس، ولا حاجة إلى أي ناقل؛ ويُقدم الدفع من الضغط المستمر للضوء، وقد أثبتت بعثة جمعية الكوكبية " لايت سايل " )٢٠١٩( أن جهازاً للأشعة يمكن أن يغير مداره باستخدام الشمسي فقط.

الاندفاع

إن عملية الاندماج النووي - نفس العملية التي تخول الشمس - يمكن أن توفر قوة دفع وكفاءة غير محدودة تقريباً، وستستخدم صواريخ التوأم ردود فعل الصمامات على محرك الهيدروجين الحراري، وتتحقق قيماً ثابتة تتراوح بين 000 10 و000 100 ثانية، وقوى محددة تتجاوز حدود الانشطار، وتشمل مشاريع مثل " محرك الوقود الخفيف " التابع لمختبر برينستون أو شركة مفاعلات الصمامات الخفية التي مقرها في المملكة المتحدة.

Antimatter Propulsion

وتستعمل محركات مكافحة الترميز إبادة المواد والبعثات المضادة لإطلاق الطاقة بأرفع كثافة ممكنة (E=mc2). ويمكن أن ينتج كيلوغرام من مضادات الارتطام الطاقة في المستقبل ما يعادل عشرات الأطنان من الوقود الكيميائي، ومن الناحية النظرية، يمكن أن تحقق مختبرات مضادة للارتطام السرعة النسبية، مما يتيح السفر بين النجوم، غير أن من الصعب إنتاج مضادات الارتداد في السنة.

البلاستيك والكهرباء الدخيلة

وقد تم استكشاف مفاهيم جديدة مثل صاروخ " ماغنيتوبلاسما " في إطار برنامج VASIMR، ومن بين مفاهيم أخرى مدفع " قوة لورنتس بلا طائل " (ELF) و " النيستر المطلق " الذي يعجل بلازما دون الكهروديس، ويحد من التحات، وسيستخدم " لوح الصخر الحراري " الذي يُ أرضي في مفاعل لارس.

"إفطار "ستارشوت" و"الجيل القادم

ومن أكثر المفاهيم طموحاً في مجال الصواريخ مبادرة " النجمة " ، التي أُعلن عنها في عام 2016، وهي تقترح استخدام مجموعة تدريجية من الليزر على الأرض للتعجيل بصنع مركبة نانوفتية بحافة تصل إلى 20 في المائة ج.

مقارنة الخيارات: مستقبل الاستقلال في البعثة

ولا يمكن أن تهيمن أي طريقة واحدة للدفع على جميع السيناريوهات، فالخيار يتوقف على احتياجات البعثات: كتلة الحمولة، والوقت المطلوب للسفر، والطاقة المتاحة، والتكاليف، وبالنسبة لسواتل الأرض القريبة من الأرض، والشحنات بين الكواكب، والدفع الكهربائي )وبخاصة مدافع الهالوتيل( هو المعيار الذي يتيح للبعثات المطيرة إلى المريخ، فإن الدفع الحراري النووي يوفر أفضل توازن بين المنظومات السريعة والسلامة والموثوقية ضمن التكنولوجيا الحالية.

النظرة إلى الرأس: الطريق إلى الأمام

أما فيما يتعلق بأجهزة الفضاء والشركات الخاصة فهي تستثمر بشدة في الجيل القادم من الجيل التالي، أما مشروع " التكاثر النووي " الذي أعدته الوكالة الوطنية للملاحة الفضائية فهو يرسم تصميمات للقوى العاملة في المستقبل من أجل الاستخدام المحتمل للمحركات في الثلاثينات، أما وكالة مشاريع البحوث المتقدمة في الولايات المتحدة فتمول مفهومي " الدافع الفضائي " () فيجريدة الفضاء (FLT:1) من أجل إظهار الصاروخة النووية.

For further reading, see NASA’s overview of electric propulsion systems] and the nuclear propulsion program].