مهندسی بی نهایت:پیش رانش پالس هسته ای و رویای کشتی های فضایی

راکت افسانه‌ای ساترن ۵ که اولین پرواز خود را در سال ۱۹۶۷ انجام داد می‌توانست محموله‌ای به وزن ۱۴۰ تن را به مدار نزدیک زمین (Low Earth Orbit) منتقل کند؛ اکنون نیز ایلان ماسک مسمم است تا با استفاده از سوخت‌گیری مجدد در مدار، راکت BFR را با محموله‌ای به وزن بیش از ۱۰۰ تن به مریخ برساند. اما اگر فکر می‌کنید این اعداد و ارقام شگفت‌انگیز هستند؛ بهتر است بدانید که عده‌ای از دانشمندان در دهه‌ی ۴۰ و ۵۰ میلادی در نظر داشتند تا با استفاده از انرژی هسته‌ای، کشتی‌های فضایی چندصد تنی را به‌سوی فضا پرتاب کنند.

در دورانی که بسیاری از دانشمندان معتقد بودند با کمک انرژی هسته‌ای می‌توان بخش عظیمی از مشکلات بشر را رفع کرد؛ دانشمندانی همچوناستنی‌سواف اولام (ریاضیدان و فیزیکدان هسته‌ای لهستانی-آمریکایی) وفریمن دایسون (فیزیکدان نظری بریتانیایی-آمریکایی) در اندیشه‌ی خلق فضاپیماهای عظیم‌الجثه‌ای بودند که می‌توانستند محموله‌هایی به وزن صدها یا هزاران تن را با کسری از سرعت نور به فواصل دوردست در فضا برسانند. اما اگر می‌خواهید بدانید چرا امروزه شاهد پرواز کشتی‌های فضایی چندصد تنی به‌سوی فضا نیستیم؛ بهتر است در این مقاله از مجموعه مقالات مهندسی بی‌نهایت با ما همراه باشید.

مزایای پیش‌رانش پالس هسته‌ای

با وجود اینکه نزدیک به شش دهه از پرواز اولین انسان به‌سوی فضا می‌گذرد؛ اما هنوز هم برای رسیدن به فضا از راکت‌های شیمیایی استفاده می‌کنیم. اگر وزن محموله‌ی حمل شده توسط راکت‌های دهه‌ی ۶۰، همچون ساترن ۵ را با راکت‌های مدرن امروزی همچون آریان ۵، فالکون هوی و آنگارا A5 مقایسه کنیم، می‌بینیم که پیشرفت چندانی در زمینه‌ی وزن محموله‌ی راکت‌ها حاصل نشده است. جالب‌تر این که حتی راکت‌های آینده همچون SLS و BFR هم از نظر محموله‌ی حمل شده پایین‌تر از ساترن ۵ قرار می‌گیرند.

وزن محموله‌ی راکت‌های شیمیایی به مدار نزدیک زمین

دلیل این مسئله این است که در راکت‌های کنونی هزاران لیتر سوخت حمل می‌شود تا محموله‌ی محدودی به فضا ارسال شود. هرچند تلاش شده تا در نسل‌های مختلف راکت‌های شیمیایی میزان مصرف سوخت تا حدی کاهش پیدا کند؛ اما این پیشرفت‌ها تدریجی بوده‌اند و نتوانسته‌اند انقلابی در زمینه‌ی سفرهای فضایی ایجاد کنند. مشکل اصلی این است که راهکار اصلی برای افزایش محموله‌ی راکت‌های شیمیایی افزایش میزان سوخت حمل شده است؛ اما افزایش سوخت نیز باعث سنگین‌تر شدن راکت و بیشتر شدن مصرف سوخت خواهد شد.

پیش از این وقتی از پیش‌ران‌های گرماهسته‌ای صحبت می‌کردیم، به این مسئله اشاره کردیم که کارایی راکت‌ها توسط مؤلفه‌ای به‌نام تکانه‌ی ویژه (Specific Impulse) تعیین می‌شود و افزایش تکانه‌ی ویژه به‌منزله‌ی افزایش کارایی راکت‌ها است. میزان تکانه‌ی ویژه برای راکت‌هایی همچون ساترن ۵ معادل ۴۲۰ ثانیه است و برای راکت‌های گرماهسته‌ای ممکن است تا ۹۰۰ ثانیه افزایش یابد. اما با استفاده از پیش‌رانش پالس هسته‌ای، این مؤلفه می‌تواند تا شش‌هزار ثانیه افزایش یابد؛ هرچند که از نظر تئوریک می‌توان این رقم را به ۱۰۰ هزار ثانیه نیز رساند. با کمک چنین پیش‌ران‌هایی، مدت زمان لازم برای سفر به مریخ در حدود چهار هفته خواهد بود؛ این در حالی است که ناسا در نظر دارد تا با راکت‌های شیمیایی در مدت ۱۲ ماه به مریخ برسد.

پیش‌رانش پالس هسته‌ای چگونه کار می‌کند؟

فرایند کلی کارکرد پیش‌رانش پالس هسته‌ای به‌حدی ساده‌ است که برخی دانشمندان از این ایده به‌عنوان حل کردن مشکلات علمی با «چکش» یاد می‌کنند. در انتهای جنگ جهانی دوم، مردم به چشمان خود دیدند که بمب‌های اتمی چه قدرت ویرانگری دارند؛ اما برخی از دانشمندان در اندیشه‌ی کنترل این قدرت عظیم و استفاده از آن برای برخی کاربردهای نوین بودند. یکی از این کاربردها استفاده از بمب‌های هسته‌ای برای ساخت سفینه‌های فضایی بود که امکان سفرهای بین‌سیاره‌ای را فراهم می‌کردند.

در پیش‌رانش پالس هسته‌ای، سفینه‌ی فضایی تعداد زیادی بمب‌های هسته‌ای کوچک را با خود حمل می‌کند. در قسمت تحتانی سفینه، صفحه‌ای مقاوم موسوم به «صفحه‌ی فشار» وجود خواهد داشت و این صفحه نیز دارای خروجی کوچکی برای رهاسازی بمب‌های کوچک خواهد بود. در فواصل زمانی مشخص، این بمب‌های کوچک از انتهای سفینه خارج شده و منهدم می‌شوند؛ در نتیجه‌ی انفجار، ماده‌ی پیشران به شکل پلاسما با سرعت بالایی به سمت صفحه‌ی فشار حرکت می‌کند و موجب حرکت سفینه به سمت جلو می‌شود.

شتاب ایجاد شده در نتیجه‌ی برخورد پلاسما به صفحه‌ی فشار، می‌تواند تا ۵۰ هزار برابر بیش از شتاب گرانشی زمین باشد و به این دلیل که تحمل چنین سطحی از شتاب برای انسان‌ها امکان‌پذیر نیست، مجموعه‌ای از ضربه‌گیرها مورد استفاده قرار می‌گیرند تا شوک حاصل از انفجار را جذب کرده و سرنشینان را از صدمات احتمالی حفظ کنند. این ضربه‌گیرها تغییرات لحظه‌ای تکانه را جذب می‌کنند و سرنشینان صرفا تغییرات تدریجی در تکانه را احساس می‌کنند.

در دهه‌ی پنجاه، اولین تلاش جدی برای عملی‌سازی ایده‌ی پیش‌رانش پالس هسته‌ای در قالب پروژه‌ی «اورایِن» تحقق یافت. هدف این پروژه، کنترل انرژی حاصل از شکافت‌هسته‌ای برای ارسال محموله‌های بزرگ به فواصل دوردست در فضا بود. در ادامه، با پروژه‌ی اوراین بیشتر آشنا می‌شویم.

پروژه‌ی اوراین

هرچند پیشینه‌ی تلاش‌های عملی برای پیش‌رانش هسته‌ای به دهه‌های ۴۰ و ۵۰ در قرن بیستم میلادی بازمی‌گردد؛ اما اولین ایده‌های مربوط به استفاده از انرژی حاصل از انفجار برای حرکت اجسام به سمت جلو، به دهه‌ی ۸۰ در قرن نوزدهم میلادی بازمی‌گردد. در این زمان، دانشمندی اهل روسیه به‌نام نیکولای کیبالچین، اولین ایده‌ها را در این رابطه مطرح کرد. یک دهه بعد، دانشمندی آلمانی به‌نام هرمان گانسویند، به‌طور مستقل ایده‌های مشابهی را ارائه داد.

اما پیشنهادهای عمومی برای استفاده از انرژی هسته‌ای جهت پیش‌رانش اولین بار توسط استنوی‌سواف اولام و فردریک رینز (فیزیکدان آمریکایی) ارائه شدند. حدودا یک دهه بعد، پروژه‌ی اوراین (Orion) در شرکت General Atomics و تحت رهبری تد تیلور (فیزیکدان آمریکایی) و فریمن دایسون کلید خورد. هدف General Atomics کنترل انرژی هسته‌ای برای ساخت سفینه‌های فضایی بزرگ و سریع بود؛ آن‌ها امیدوار بودند تا از تجربیات General Dynamics که در آن زمان به‌عنوان شرکت مادرِ General Atomics شناخته می‌شد و تجربیات زیادی در ساخت زیردریایی‌ها داشت، برای ساخت کشتی‌های غول‌پیکر فضایی استفاده کنند.

ساختار و ویژگی‌های اوراین

اوراین صرفا پروژه‌ای تحقیقاتی نبود، بلکه General Atomics مصمم بود تا با استفاده از تکنولوژی‌ها و مواد موجود در دهه‌ی ۵۰ میلادی، فضاپیمایی تولید کند که بتواند با سرعتی معادل یک دهم سرعت نور حرکت کند. چنین وسیله‌ای امکان مسافرت به بخش‌های مختلف منظومه‌ی شمسی را فراهم می‌کرد.

همان‌گونه که در ابتدا ذکر شد، پیش‌رانش پالس هسته‌ای با کمک بمب‌های اتمی کوچک صورت می‌گیرد؛ اما جالب اینجا است که در جریان پروژه‌ی اوراین، بمب‌های کوچکی ساخته شدند که اجازه می‌دادند انرژی حاصل از انفجار در جهت خاصی و با ساختاری استوانه‌ای شکل منتشر شود. جهت‌دهی انرژی باعث می‌شد تا از تلف شدن انرژی حاصل از انفجار جلوگیری شود. این بمب‌های ویژه باعث می‌شدند تا تکانه‌ی ویژه‌ی فضاپیمای اوراین به ۶ هزار ثانیه برسد؛ چنین رقمی سیزده برابر بیشتر از تکانه‌ی ویژه‌ی موتورهای مورد استفاده در شاتل‌های فضایی است. جالب‌تر اینکه با توجه به شباهت مکانیزم رهاسازی بمب‌ها به ماشین‌های فروش خودکارِ نوشیدنی، در طراحی سیستم رهاسازی بمب‌ها از شرکت کوکا کولا کمک گرفته شد.

ساختار اوراین

البته از نظر تئوریک رساندن تکانه‌ی ویژه به صدهزار ثانیه نیز امکان‌پذیر است؛ با این حساب، نیروی‌ پیش‌رانش در چنین فضاپیمایی به میلیون‌ها تن می‌رسد و وزن فضاپیما نیز می‌توانست بالغ بر هشت میلیون تن باشد. این اعداد و ارقام بدین معنی بودند که ساختن نمونه‌های کوچک اوراین موجب کاهش بازده می‌شد و در نتیجه دست‌اندرکاران پروژه از ابتدا در اندیشه‌ی ساخت کشتی‌های فضایی غول‌پیکر بودند. با این وجود، حتی نیازی به استفاده از فلزات و مواد سبک‌وزن در ساخت اوراین وجود نداشت و دانشمندان می‌توانستند از هر ماده‌ای برای ساخت اوراین استفاده کنند.

در طرح اولیه، ساخت نمونه‌ی سرنشین‌داری به وزن چهار هزار تن و با قابلیت حمل ۲۰۰ سرنشین در دستور کار قرار گرفت. با توجه به وزن و ابعاد در نظر گرفته شده، لازم بود تا از ۸۰۰ بمب اتمی کوچک با بازده ۰.۱۵ کیلوتن برای قرار گرفتن اوراین در مدار زمین استفاده شود؛ این میزان بازده در عمل معادل یک دهم بازده بمب اتمی استفاده شده در هیروشیما بود. General Atomics در نظر داشت گونه‌های مختلفی از اوراین را با ابعاد و ظرفیت‌های مختلف تولید کند. در جدول زیر می‌توانید مشخصات این گونه‌های مختلف را مشاهده و با مشخصات راکت ساترن ۵ مقایسه کنید.

جدول مقایسه‌ی مشخصات گونه‌های مختلف اوراین با راکت ساترن ۵

^{* اوزان ذکر شده بر اساس واحد تن آمریکایی است که معادل ۹۰۷ کیلوگرم می‌باشد.}

اوارین می‌توانست در مدت چهارهفته به مریخ برسد؛ این درحالی است که ناسا در برنامه‌ریزی‌های کنونی خود برای رسیدن به مریخ با راکت‌های شیمیایی، روی سفرهای ۱۲ ماهه متمرکز شده است. رسیدن به قمرهای سیاره‌ی زحل نیز به کمک اوراین در مدت هفت ماه امکان‌پذیر بود؛ اما راکت‌های شیمیایی برای رسیدن به چنین مقاصدی به حدود ۹ سال زمان نیاز دارند. شایان ذکر است که رساندن انسان به مقاصد دوردست در فضا تنها مأموریت در نظر گرفته شده برای اوراین نبود؛ این فضاپیماهای غول‌پیکر، در صورت نیاز می‌توانست به عنوان ابزاری دفاعی برای جلوگیری از برخورد سیارک‌ها با زمین نیز مورد استفاده قرار گیرند.

سازندگان اوراین ایده‌های بزرگتری هم در سر داشتند؛ غول‌پیکرترین طرح پیشنهادیِ آن‌ها «سوپر اوراین» نام داشت و قرار بود وزنی معادل هشت میلیون تن داشته باشد. وقتی عدد هشت میلیون تن را با وزن ۶۴۶ هزار تنی بزرگترین کشتی جهان، یعنی کشتی سی‌وایز بزرگ مقایسه می‌کنیم؛ متوجه خواهیم شد که مهندسان و دست‌اندرکاران پروژه‌ی اوراین چه برنامه‌های بزرگی در سر داشتند. جالب این است که عملی ساختن چنین طرح عظیمی با مواد اولیه و فناوری‌های موجود در اواخر دهه‌ی پنجاه میلادی امکان‌پذیر بود.فریمن دایسون در یکی از طرح‌های خود پیشنهاد داده بود تا صفحه‌ی فشار در سوپر اوراین از اورانیوم یا عنصرهای فرااورانیوم ساخته شود تا در زمان رسیدن به‌مقصد، امکان‌تبدیل صفحه‌ی فشار به منبعی برای تامین انرژی وجود داشته باشد.

مشکلات و راهکارها

در دوره‌ی طراحی اوراین، دانشمندان با مشکلات مختلفی روبه‌رو می‌شدند؛ هرچند که برای هر مشکل راه‌چاره‌ای اندیشیده شد. یکی از مشکلات اصلی مرتبط با اوراین، بازده پایین این کشتی‌های فضایی بود. به این دلیل که انفجارهای هسته‌ای خارج از بدنه‌ی اوراین و در محیطی باز انجام می‌شد؛ بخش قابل توجهی از انرژی تولید شده هدر می‌رفت و تنها کسری از آن صرف پیش‌رانش می‌شد.

اوراین برای پیش‌رانش به انفجار صدها بمب هسته‌ای کوچک در فضای آزاد متکی بود؛ این مسئله امکان بازگشت و رها شدن مواد رادیواکتیو باقی‌مانده به سطح زمین را فراهم می‌کرد و همین مسئله موجب دامن زدن به نگرانی‌های زیست‌محیطی می‌شد.

علاوه بر این، انجام انفجارها در سطح زمین یا نزدیکی آن با بارش رادیواکتیو قابل‌توجهی همراه بود. برای حل این مشکل، پیشنهاد شده بود تا از راکت‌های حامل نظیر ساترن ۵ یا راکت‌هایی بزرگتر برای رساندن اوراین به ارتفاع اولیه استفاده شوند؛ اما محدودیت بودن وزنِ محموله‌ی این راکت‌ها با مزیت اصلی پیش‌رانش پالس هسته‌ای، یعنی حمل محموله‌های بزرگ در تناقض بود. علاوه بر محیط بیرون، سرنشینان اوراین نیز باید از تابش‌های رادیواکتیو در امان می‌ماندند و در این راستا، طرح‌هایی برای حفاظت از محفظه‌ی حمل سرنشینان در برابر تابش‌های رادیواکتیو ارائه شده‌ بود؛ البته به‌واسطه‌ی ماهیت راهبردی پروژه‌ی اوراین، اطلاعات چندانی پیرامون این راهکارها منتشر نشده است.

همان‌گونه که پیش از این گفته شد، برای رسیدن اوراین به مدار زمین بایستی ۸۰۰ بمب منفجر می‌شدند؛ اما صدها انفجار به معنی فرسایش تدریجی صفحه‌ی فشار بود. محاسبات نشان می‌داد که با هر انفجار، یک میلی‌متر از سطح صفحه‌ی فشار از بین خواهد رفت؛ اما در صورت پوشاندن صفحه با نوعی پوشش روغنی، میزان فرسایش به صفر خواهد رسید. جالب اینجا است که این راهکار به‌طور تصادفی کشف شد؛ در یکی از آزمایشات، انگشتان روغنی یکی تکنیسین‌ها با صفحه‌ی فشار برخورد کرده بود و پس از انفجار، قسمت‌های آغشته به روغن از فرسایش در امان مانده بودند.

اما علاوه بر مشکلات فنی، چالش‌های اخلاقی نیز به مشکلی برای دست‌اندرکاران پروژه‌ی اوراین تبدیل شده بودند. ارسال یک فضاپیمای اتمی به منطقه‌ی مغناطیسی پیرامون زمین مایه‌ی نگرانی بسیاری از دانشمندان و حتی مردم عادی می‌شد. علاوه بر این، بر اساس برخی محاسبات، بارش رادیواکتیو حاصل از هر پرواز اوراین می‌توانست موجب مرگ یک الی ۱۰ نفر شود؛ هرچند بعدها صحت این محاسبات مورد انتقاد قرار گرفت.

سرنوشت اوراین

برخلاف بسیاری از طرح‌های مطرح شده برای جایگزینی راکت‌های شیمیایی که تا عملی شدن فاصله‌ی زیادی دارند، امکان تبدیل طرح مفهومی اوراین به یک فضاپیمای واقعی حتی در دهه‌ی ۵۰ و ۶۰ هم وجود داشت. نمونه‌های مینیاتوری اوراین با مواد منفجره‌ی متعارف شش بار مورد آزمایش قرار گرفتند. پروژه‌ی اوراین درحالی در سال ۱۹۶۵ تعطیل شد که دانش‌فنی لازم برای ساخت نمونه‌ی واقعی اوراین به‌طور کامل مهیا شده‌ بود.

در آن زمان، از امضای پیمان منع جزئی آزمایشات هسته‌ای توسط ایالات‌ متحده به‌عنوان دلیل اصلی لغو پروژه‌ی اوراین یاد می‌ش. بر اساس این پیمان، انجام آزمایشات هسته‌ای زیرِ سطح زمین، در اتمسفر و در فضا ممنوع می‌شد.

اما جدای از این پیمان، عوامل دیگری نیز در پایان کار اوراین نقش بازی می‌کردند. نبود مأموریتی مشخص برای اوراین یکی از این عوامل بود. سؤال این است که چرا باید صدها نفر را راهی سفرهای بین‌سیاره‌ای کنیم؟ چرا باید ماهواره‌هایی به وزن ده‌ها تن را در مدار زمین قرار دهیم؟ حتی اگر دلیلی منطقی برای چنین ماموریت‌هایی وجود داشت، در فضای جنگ سرد، ساخت چنین فضاپیمایی می‌توانست با واکنش‌های غیرمنتظره‌ای از سوی اتحاد جماهیر شوروی روبه‌رو شود؛ واکنش‌هایی که می‌توانستند به جنگ در فضا منتهی شوند.

عوامل فوق در کنار تمرکز روی ارسال انسان به ماه با استفاده از راکت‌های شیمیایی، در نهایت باعث پایان یافتن پروژه‌ی اوراین شدند؛ پروژه‌ای که می‌توانست آینده‌ی انسان در فضا را دگرگون کند.

بخش‌هایی از آزمایشات پروژه‌ی فضاپیمای اتمی اوراین

آینده

از زمان پایان یافتن پروژه‌ی اوراین، سازمان‌های مختلف پروژه‌هایی را برای بهبود طرح اوراین به انجام رسانده‌اند. تمرکز این پروژه‌ها نه بر بازسازی ایده‌ی اوراین، بلکه بر بهبود این طرح معطوف بوده است. در ادامه با برخی از این طرح‌های پیشنهادی بیشتر آشنا می‌شویم.

پروژه‌ی دیدالوس و استفاده از همجوشی هسته‌ای

در دهه‌ی هفتاد، دانشمندان بریتانیایی نسبت به ایده‌ی پیش‌رانش پالس هسته‌ای علاقه‌مند شدند؛ اما آن‌ها ترجیح دادند طرح خود را بر مبنای ایده‌ی متفاوتی بنا کنند. پروژه‌ی بریتانیایی‌ها که به‌نام یکی از اساطیر یونان، دیدالوس (Daedalus) نام گرفته بود، از ایده‌یهمجوشی هسته‌ای برای ارسال یک سفینه‌ی رباتیک به فضا استفاده می‌کرد.

طرح دیدالوس بر مبنای روشی موسوم به همجوشی محصورسازی لختی (Internal Confinement Fusion) بنا شده بود که به‌اختصار ICF نامیده می‌شود. پیش‌ران‌های مبتنی بر همجوشی محصورسازی لختی از واکنش‌های هسته‌ای کوچکی استفاده می‌کنند که با دقت کنترل می‌شوند. در این پیش‌ران‌ها، از گلوله‌هایی از جنس دوتریوم و هلیوم-۳ استفاده می‌شود؛ البته به‌دلیل نایاب بودن هلیوم-۳ در سطح زمین، پیشنهاد شده بود تا این ماده از ماه یا مشتری استخراج شود.

دیدالوس

گلوله‌های فوق‌الذکر درون یک محفظه‌ی احتراق تزریق می‌شوند و از زوایای مختلف مورد تابش لیزر یا دیگر پرتوهای پرانرژی قرار می‌گیرند. گرمای حاصل از این پرتوها تا حدی گلوله‌ها را تحت فشار قرار می‌دهد که موجب شروع همجوشی هسته‌ای می‌شود. حاصل این فرایند، تولید پلاسما با دمای بالا در کنار انفجاری بسیار کوچک است. این پروسه باید درون یک آهن‌ربای الکترونیکی بزرگ انجام شود و این آهن‌ربا در عمل موتورِ راکت را تشکیل می‌دهد. پس از شروع واکنش، آهن‌ربای الکترونیکی گازهای داغِ تولید شده را به سمت خروجی موتور منتقل می‌کند تا با خروج آن‌ها نیروی پیش‌رانش لازم تولید شود. البته بخشی از انرژی تولید شده هم می‌تواند برای فعال نگه‌داشتن دیگر اجزاء راکت و فضاپیمای متصل به آن مورد استفاده قرار گیرد.

موتورهایی که از همجوشی محصورسازی لختی استفاده می‌کنند به‌ مراتب از سیستم ساده‌ی مورد استفاده در اوراین پیچیده‌تر هستند و البته اندازه‌ی بزرگتری هم خواهند داشت. در مقابل، این موتورها تمیزتر، امن‌تر و دارای بازده بالاتر خواهند بود.

مقایسه‌ی اندازه‌ی دیدالوس با ساترن ۵

در مرحله‌ی اولیه‌ی سرعت‌گیری دیدالوس که ۳.۸ سال به‌طول می‌انجامد، انفجارهای هسته‌ای کوچک با نرخ ۲۵۰ انفجار بر ساعت انجام می‌شوند. پس از این مرحله، سرعت دیدالوس به بیش از ۱۲ درصدِ سرعت نور می‌رسد و می‌تواند در مدت ۴۶ سال مسافتی در حدود ۶ سال نوری را طی کند. بر اساس محاسبات انجام شده، تکانه‌ی ویژه‌ی دیدالوس به ۱ میلیون ثانیه می‌رسد و نیروی پیش‌رانش آن هم بیش از ۷۰۰ کیلونیوتون خواهد بود.

در دهه‌ی هشتاد آمریکایی‌ها هم با پشتیبانی ناسا پروژه‌ای موسوم به Longshot را کلید زدند. این پروژه هم از ایده‌ی همجوشی محصورسازی لختی استفاده می‌کرد و می‌توانست به انسان‌ها اجازه دهد تا در مدت ۱۰۰ سال به سیستم ستاره‌ای آلفا قنطورس برسند. با این وجود، هر دو طرح دیدالوس و Longshot، برخلاف اوراین، برای تبدیل شدن به یک فضاپیمای واقعی، نیازمند پیشرفت‌های شایان‌توجه در زمینه‌ی فناوری همجوشی هسته‌ای هستند.

مدوسا

در دهه‌ی نود میلادی شاهد معرفی ایده‌‌ی جدیدی در زمینه‌ی پیش‌رانش پالس هسته‌ای بودیم. این طرح که مدوسا نام داشت همچون پروژه‌ی اوراین از انفجارهای هسته‌ای در محیط باز استفاده می‌کرد؛ اما تفاوت در این است که مدوسا به‌جای صفحه‌ی فشار از قطعه‌ای موسوم به «بادبان» استفاده می‌کند.

سازوکار مدوسا

ساز و کار مدوسا این‌گونه است که ساختاری شبیه چترنجات (یا همان بادبان) در قسمت جلوی فضاپیما قرار می‌گرد؛ بمب‌های کوچک نیز به‌سوی این بادبان حرکت می‌کنند و در نزدیکی آن انفجار صورت می‌گیرد. شوک حاصل از انفجار موجب حرکت بادبان به سمت جلو خواهد شد و فضاپیما نیز که به بادبان متصل است به سمت جلو کشیده می‌شود.

به‌عقیده‌ی طراحان، عملکرد مدوسا بهتر از اوراین خواهد بود؛ چرا که بادبان مدوسا نسبت به صفحه‌ی فشار اوراین مقدار بیشتری از انرژی حاصل از انفجار را جذب می‌کند. علاوه‌ بر این، بادبان مدوسا در مقایسه با صفحه‌ی فشار اوراین به‌مراتب سبک‌تر خواهد بود. همچنین، کشش دائمی میان بادبان و سفینه‌ی اصلی باعث خواهد شد تا جذب شوک حاصل از انفجار در مدوسا راحت‌تر از اوراین باشد. بر اساس اندازه‌گیری‌ها، مدوسا می‌تواند تکانه‌ی ویژه‌ای بین ۵۰ تا ۱۰۰ هزار ثانیه ایجاد کند.

چگونگی کارکرد مدوسا در یک مدل سه‌بعدی

ترکیب شکافت و همجوشی هسته‌ای

در سال ۲۰۰۵، شاهد ارائه‌ی راهکار جدیدی در زمینه‌ی پیش‌رانش پالس هسته‌ای بودیم که ترکیبی از شکافت و همجوشی هسته‌ای است. در این راهکار، یک هسته‌ی شکافتی با لایه‌ای از دوتریوم–تریتیوم احاطه شده است. همانگونه که در شکل زیر می‌بینید، همین حلقه نیز با حلقه‌های مختلفی فراگرفته شده است.

راکتور همجوشی-شکافتی

در ابتدای شروع فعالیت، لایه‌ای از مواد شدیدالانفجار، موجب حرکت لایه‌ی آلومینیومی و دیگر لایه‌های فشار به سمت لایه‌ی دوتریوم-تریتیوم می‌شوند. در نتیجه‌ی افزایش شتاب حرکت این لایه‌ها و ایجاد فشار، لایه‌ی دوتریوم-تریتیوم به‌اندازه‌ای گرم خواهد شد که همجوشی هسته‌ای به وقوع خواهد پیوست. در این طرح، جرم بحرانی هسته‌ی شکافتی (کمترین جرم لازم برای ایجاد زنجیره‌ای پایدار از واکنش‌‌های هسته‌ای) به مراتب کاهش می‌یابد؛ چرا که نوترون‌های حاصل از همجوشی هسته‌ای، نرخ شکافت را افزایش می‌دهند.

با توجه به امکان کاهش جرم بحرانی مواد شکافتی، انفجارها نیز کوچکتر بوده و کنترل آن‌ها در محفظه‌ی احتراق ساده‌تر خواهد بود؛ همین مسئله باعث می‌شود تا بازده این طرح بالاتر از اوراین باشد. همچنین، به دلیل این‌که واکنش همجوشی به‌وسیله‌ی مواد انفجاری متعارف انجام می‌شود، برخلاف طرح‌هایی همچون دیدالوس، نیازی به استفاده از دستگاه‌های بزرگ و سنگین برای تابش لیزر یا دیگر پرتوهای پرانرژی وجود نخواهد داشت. چنین مسئله‌ای به فضاپیماهای ترکیبی اجازه می‌دهد تا وزن کمتری داشته باشند و با کمک راکت‌های متعارف به فضا ارسال شوند. شایان ذکر است که براساس محاسبات انجام‌شده، هزینه‌ی ساخت و به‌کارگیری فضاپیماهای ترکیبی به‌اندازه‌ی هزینه‌های مربوط به فضاپیماهایی است که صرفا از شکافت یا همجوشی هسته‌ای استفاده می‌کنند.

پیش‌رانش پالس هسته‌ای با کاتالیزورهای پادماده

در سال ۱۹۹۰ تحقیقاتی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا به انجام رسید که حاصل آن توسعه‌ی طرحی برای استفاده از پادماده برای سرعت بخشیدن به واکنش‌های هسته‌ای بود. بر اساس این طرح، واکنش پادپروتون‌ها درون هسته‌ی اورانیوم موجب آزادسازی انرژی و در نتیجه شکافت هسته‌ی اتم می‌شود؛ چیزی شبیه به رأکتورهای هسته‌ای متعارف. حتی تعداد کمی از این واکنش‌ها می‌توانند منجر به شروع زنجیره‌ای از واکنش‌های هسته‌ای شوند؛ واکنش‌هایی که در حالت عادی برای انجام شدن به مقدار زیادی سوخت نیاز دارند. برای مثال، در حالی که جرم بحرانی پلوتونیوم ۱۱.۸ کیلوگرم است، در صورت استفاده از کاتالیزورهای پادماده، این مقدار به کمتر از یک گرم کاهش می‌یابد.

در حال حاضر طرح‌های متعددی برای استفاده از این کاتالیزورها در راکت‌های هسته‌ای ارائه شده است. برخی از این طرح‌ها صرفا از شکافت هسته‌ای استفاده می‌کنند و با هدف سفر به سیاره‌های دیگر در منظومه‌ی شمسی شکل گرفته‌اند؛ اما برخی دیگر نیز از ترکیب شکافت و همجوشی هسته‌ای استفاده می‌کنند و خواهند توانست انسان‌ها را به ستار‌ه‌های دوردست برسانند.

سخن آخر

همان‌گونه که از سطور فوق برداشت می‌شود،‌ به‌ جز طرح اوراین، باقی ایده‌های مرتبط با پیش‌رانش پالس هسته‌ای تا تبدیل شدن به ایده‌های عملی فاصله‌ی زیادی دارند؛ حتی ایده‌ی اوراین نیز با وجود چالش‌ها و نگرانی‌های مرتبط با پیش‌رانش هسته‌ای، احتمالا هیچ‌گاه رنگ واقعیت به خود نمی‌گیرد. با این حال، در کنار استفاده از انرژی هسته‌ای، محققین در جستجوی راهکارهای دیگری نیز برای سفر به اعماق فضا هستند؛ اما امکان رسیدن به مقاصد دوردست در فضا، دست کم در آینده‌ی نزدیک برای بشر مهیا نخواهد شد.

تنها امید ما این است که تلاش‌های دانشمندان، زمینه‌سازِ سفر آیندگان به سیارات و منظومه‌های دوردست باشد. شاید آیندگان در گذر از مقاصدِ دوردست در فضا، لحظه‌ای نیز از پیشینیان خود یاد کنند؛ کسانی که همواره رؤیای شیرین سفر به دوردست‌ها را در سر می‌پروراندند.