موشک های پلاسمایی دائمی برای سفر به مریخ

استفاده از موشک های پلاسمایی می‌تواند انرژی مصرفی سفرهای فضایی را تا 90 درصد کاهش دهد.

پس از گذشت 50 سال از فرود بر روی ماه، بشر این بار به دنبال فرستادن اولین انسان‌ها به سیاره سرخ است. سفر به ماه سه روز طول کشید درحالیکه سفر به مریخ حدود یک سال زمان می‌برد. اما تفاوت‌های این دوسفر چیزی بیشتر از مسئله زمانی است. مقدار زیادی سوخت برای این سفر لازم است و زمانی که بر روی سیاره سرخ فرود بیاییم بایستی به فکر ساختن اقامت‌گاهی باشیم تا بتوانیم مدت‌زمانی را بر روی آن سپری کنیم. حمل تمامی مواد لازم برای چنین کارهایی نیازمند انقلابی در تکنولوژی موشک‌های فضایی است. کلید این اتفاق در موشک های پلاسمایی نهفته است.

موشک ساترن 5 بزرگترین موشکی بود که تا به حال ساخته شده است. این موشک مقادیر زیادی سوخت را طی زنجیره واکنش‌های شیمیایی احتراقی مصرف می‌کرد که می‌توانست فضاپیمای آپولو را در مدار قرار دهد. پس از قرارگیری در مدار، آپولو مخزن‌های خالی‌شده از سوخت را در جو رها کرده و موشک شیمیایی خودش را روشن می‌کند که حتی سوخت بیشتری مصرف می‌کند تا به ماه برسد. تقریبا نزدیک به یک میلیون گالن (3,800,000 لیتر) از سوخت‌های مختلف مصرف می‌شود تا در سفری یک‌روزه تنها چند مسافر به نزدیک‌ترین جسم فرازمینی ما سفر کنند.

ابعاد موشک ساترن 5 در مقایسه با مجسمه آزادی. (فضاپیمای آپولو و ماه در مقیاس واقعی نیستند)

پس چگونه می‌شود یک کلونی از انسان‌ها را به مریخ فرستاد که 100 مرتبه دورتر از ماه است؟ ترکیب ساترن – آپولو تنها توانسته بود جرمی معادل با یک واگن باری قطار را به ماه حمل کند. با این حساب برای ساخت خانه‌ای کوچک بر روی مریخ ده‌ها موشک ازین نوع لازم خواهد بود. متاسفانه جایگزینی برای موشک‌های شیمیایی وجود ندارد و تنها احتراق‌های شیمیایی قدرتمند می‌تواند نیروی لازم برای غلبه بر گرانش زمین را فراهم کند. اما زمانی خواهد رسید که تکنولوژی جدیدی برای موشک‌ها که از نظر سوختی بسیار مقرون به صرفه است جایگزین روش شیمیایی شود: موشک های پلاسمایی

وسایل نقلیه الکتریکی فضایی

موشک‌های فضایی تکنولوژی مدرنی هستند که سوخت را به صورت سوپ داغی از ذرات باردار الکتریکی به نام پلاسما درآورده و با پرتاب آن، شتاب لازم برای پیش‌راندن موشک را فراهم می‌آورند. استفاده از موشک های پلاسمایی به جای موشک‌های رایج شیمیایی می‌تواند انرژی کل مصرفی برای سفرهای فضایی را تا 90 درصد کاهش دهد. این یعنی که ما می‌توانیم با استفاده از همان میزان سوخت اما به صورت پلاسما تا 10 برابر محموله بیشتری را به فضا ارسال کنیم. طراحان ماموریت‌های فضایی ناسا هم‌اکنون به دنبال راهی‌اند تا برای انتقال محموله از زمین تا مریخ، از وسایل نقلیه فضایی با موشک های پلاسمایی استفاده کنند.

رانشگر 6 کیلوواتی Hall. (عکس از ناسا – JPL)

مهم‌ترین جنبه منفی موشک های پلاسمایی نیروی رانش کم آن‌هاست. نیروی رانش میزان فشاری است که موشک می‌تواند برای فضاپیما فراهم کند تا آن را به جلو پرتاب کند. قدرتمندترین موشک پلاسمایی که در فضا پرواز کرده، Hall thruster نام دارد که نیروی رانش آن تنها می‌تواند یک تکه کاغذ را از میدان جاذبه زمین خارج کند. چه باور داشته باشید چه نه، رانشگر Hall سال‌ها زمان نیاز دارد تا بتواند خودش را به مریخ برساند.

اما نگران نباشید، رانش کم موشک های پلاسمایی کار را خراب نمی‌کند. باید قدردان بازدهی انقلابی سوخت در موشک های پلاسمایی بود که به ناسا اجازه داده تا ماموریت‌هایی را به انجام برساند که با استفاده از موشک‌های شیمیایی ممکن نبود. همین اواخر ماموریت سپیده‌دم (Dawn) پتانسیل موشک های پلاسمایی را با گردش در مدار دو جرم فرازمینی نشان داد. سپیده‌دم اولین ماموریتی بود که چنین کاری را انجام می‌دهد.

با اینکه آینده موشک‌های پلاسمایی روشن است، هنوز مسائل حل‌نشده‌ای در مورد این فناوری وجود دارد. به عنوان مثال چه بر سر رانشگری خواهد آمد که برای سال‌ها مشغول حمل محموله به مریخ و بازگشت به زمین خواهد بود؟ به احتمال زیاد از بین خواهد رفت. در این بخش باید تحقیق کرد و فهمید که چگونه می‌توان موشک های پلاسمایی را جاودان ساخت.

درک سازوکار موشک های پلاسمایی

طرز کار رانشگر پلاسمایی

ما نیاز داریم تا بفهمیم که یک موشک پلاسمایی چگونه کار می‌کند. موشک با تزریق‌کردن انرژی الکتریکی درون یک سوخت گازی، آن را به پلاسما تبدیل می‌کند که باعث شده یون‌های مثبت و منفی از هم جدا شوند. سپس این یون‌ها از عقب موشک پرتاب می‌شوند که اینگونه فضاپیما به جلو رانده می‌شود. اما متاسفانه تمام انرژی موجود در پلاسما کاری بیش از جلوراندن فضاپیما انجام می‌دهد، این انرژی می‌خواهد تا هر ماده‌ای را که با آن در تماس است نابود کند. نیروهای الکتریکی از سوی بارهای منفی دیواره‌ها باعث می‌شود که یون‌ها با سرعت‌های زیاد به دیواره‌ها کوبیده شوند. این برخوردها اتم‌های دیواره را در هم شکسته و به تدریج باعث خوردگی دیواره می‌شوند. در نهایت برخوردهای زیاد تمامی دیواره را در هم شکسته و رانشگر از کار می‌افتد، آنگاه فضاپیمای شما در فضا گیر خواهد افتاد.

استفاده از مواد سخت‌تر برای مقاومت در برابر این بمباران کافی نیست. فارغ از میزان مقاومت ماده مورد استفاده، همیشه مقداری آسیب به دیواره وارد خواهد شد. باید به دنبال راهی هوشمندانه بود تا با دستکاری در سوخت پلاسما و جنس دیواره از آسیب‌های احتمالی جلوگیری کرد.

دیواری که خودش را ترمیم می‌کند

بسیار عالی خواهد شد اگر که دیواره محفظه بتواند خودش را ترمیم کند. مشخص شده است که دو اثر فیزیکی می‌توانند باعث این اتفاق شوند.

نمایش سه سناریوی پیش رو برای اتمی که از دیواره جدا می‌شود: 1. برای همیشه از دست می‌رود. 2. بلافاصله به بخشی دیگر از دیواره برخورد کرده و در آن رسوب می‌کند. 3. یونیزه شده و توسط نیروی ناشی از میدان الکتریکی به سمت دیواره شتاب گرفته تا دوباره در آن رسوب کند.

اولین مورد به نام رسوب‌های بالستیک شناخته می‌شود که در موادی با سطوح میکروساختاری وجود دارد، مثل میخ‌ها یا ستون‌ها. وقتی یک یون به دیواره برخورد می‌کند، تکه‌ای از این ذرات میکروسکوپی از سطح جدا شده و می‌تواند در هر جهتی به پرواز درآید. برخی از این ذرات به بخش‌های بیرون‌زده سطح که در مجاورت آن محل قرار دارند برخورد کرده و دوباره به سطح می‌چسبند که اینگونه به محفظه آسیبی نمی‌رسد. با این حال همیشه اتم‌هایی هستند که از دیواره فرار کرده و برای همیشه از دست می‌روند.

میکروساختارها در یک نمونه ماده که از زیر میکروسکوپ الکترونی دیده می‌شود. Chris Matthes (UCLA), CC BY-ND

درک پدیده بعدی کمی سخت‌تر و غیرشهودی‌تر است و به ویژگی‌های پلاسما بستگی دارد. همان سناریوی پیشین را تصور کنید که ذرات از سطح دیواره جدا شده و درون پلاسما به پرواز درمی‌آیند، اما به جای اینکه برای همیشه از دست بروند، این بار به طور ناگهانی تغییر مسیر داده و مستقیما به سمت دیواره برمی‌گردند.

این اتفاق مشابه زمانی است که توپی را مستقیما به بالا پرتاب کنید که نیروی جاذبه زمین پس از چندثانیه توپ را متوقف کرده و آن را دوباره به سوی سطح زمین می‌کشاند. در رانشگر این نیروی الکتریکی بین دیواره که به طور منفی باردار شده و ذرات خود دیواره است که باعث این اتفاق می‌شود. ذرات دیواره در ابتدا از نظر الکتریکی خنثی هستند اما وقتی در پلاسما قرار می‌گیرند ممکن است الکترونشان را از دست داده و به طور مثبت باردار شوند. نتیجه این است که ذره طی پدیده‌ای به نام رسوب‌گیری مجدد پلاسمایی به سوی دیواره بازگردد. این فرآیند را می‌توان با تغییر در چگالی و دمای پلاسما کنترل کرد.

آزمایش مواد مختلف

نمونه‌ای از ماده که واکنشش با پلاسما در دانشگاه UCLA آزمایش می‌شود. CC BY-ND

اینجا در UCLA من با ایجاد یک پلاسما و برخورد دادن آن با مواد میکروساختار، اثرات رسوب‌های بالستیک و رسوب‌گیری مجدد پلاسما را اندازه‌گیری می‌کنم. به یاد داشته باشید که رسوب بالستیکی به ساختار سطح دیواره بستگی دارد درحالی که رسوب‌گیری مجدد به خود پلاسما وابسته است. برای آزمایش ابتدایی، من شرایط پلاسما را به گونه‌ای تنظیم کردم که رسوب‌گیری مجدد پلاسما نداشته باشم و فقط رسوب‌گیری بالستیک رخ دهد.

آنگاه توجهم را از پلاسما به دیواره جلب کردم. اولین نمونه میکروساختاری که من آزمایش کردم، میزان خسارتش در حدود 20 درصد کاهش یافته بود. با بهبود طراحی میکروساختار، می‌توان خسارت وارده را حتی کمتر ازین و تا 50 درصد نیز کاهش داد. استفاده از چنین ماده‌ای در رانشگر می‌تواند تفاوتش در رسیدن به مریخ یا متوقف شدن در میانه راه باشد. گام بعدی شامل در نظر گرفتن اثرات رسوب‌گذاری مجدد پلاسما خواهد بود و اینکه تعیین کنیم آیا می‌شود دیواره‌ای ساخت که برای همیشه سالم باقی بماند و کار کند.

همچنان که رانش‌گرهای پلاسمایی قدرتمندتر می‌شوند، توانایی‌شان برای آسیب رساندن به دیواره‌های خودشان نیز بیشتر می‌شود. همین مورد نیاز به دیواره‌ای که خود را بهبود دهد بیشتر می‌کند. هدف نهایی من طراحی رانشگری است که از مواد پیشرفته‌ای در طراح آن استفاده شود تا 10 برابر میزانی که برای سفر به مریخ لازم است مقاومت داشته باشد که در اینصورت می‌توان آن را رانشگری دائمی به حساب آورد. یک دیواره فناناپذیر مشکل خراب‌شدن و از بین رفتن رانشگر را حل خواهد کرد و به ما اجازه خواهد داد تا محموله‌های مورد نیاز برای اقامت بشر بر روی مریخ را روی این سیاره فرود بیاوریم.