فضاپیمای هسته ای

[ANDREA]

انسان بمب، برق، و روشهای پزشکی را از هسته ی اتم بدست آورده است. حال عده ای می خواهند از این نیرو گاه بسیار کوچک برای انتقال اخترشناسان به ستاره ها استفاده کنند. حمل و نقل با استفاده از توان هسته ای جدید نیست. نخستین زیر دریایی هسته ای ناوتیلوس USS ، در سال ۱۹۵۵ به آب انداخته شد. این کشتی در ۱۹۵۸ یک سفر تاریخی را در زیر یخ پهنه ی قطب شمال آغاز کرد و نخستین زیر دریایی از چندین زیر دریایی هسته ای در دریانوردی ایالات متحده بود. بعضی از کشتی های جدید نیز موتورهایی مبتنی بر راکتورهای هسته ای دارند.
انگیزه ی ایجاد زیر دریایی های هسته ای تمایل به معلق ماندن برای مدت زمان طولانی بود که برای سفر ناوتیلوس USS لازم شده بود. زیر دریایی ها می توانند از چشمان دشمن نیز پنهان بمانند. زیر دریایی های قدیمی تر موتورهای دیزلی داشتند، ولی این موتورهای احتراقی به هوا نیاز دارند. سفر در زیر آب در این زیر دریایی ها به باتری های حجیم نیاز داشتند که قدرتمند نبودند و برای مدت زیادی دوام نداشتند، و زیر دریایی را وادار می کردند بارها به سطح آب بیاید.
زیر دریایی هسته ای چنین محدودیت هایی ندارد. این زیر دریایی ها، مانند تجهیزات تولید نیروی برق در خشکی، راکتوری دارند که آب را گرم کرده بخار تولید می کند، که توربینی را به حرکت در می آورد. چرخش توربین محورهای پیشران را به چرخش در می آورد، و زیر دریایی در میان آب حرکت می کند. انرژی حاصل ار راکتور نیر برای تجهیزات زیر دریایی و سیستم های شرایط زیست، مانند دستگاههایی که اکسیژن را به گردش در می آورند، برق تولید می کند. زیر دریایی های هسته ای امروز تا زمانی که منابع غذایی و توان خدمه دوام بیاورند می توانند در زیر آب بمانند.
تلاشی نیز در دهه های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ در ایالات متحده برای طراحی و ساخت هواپیمایی که از نیروی هسته ای تغذیه می کند ( هواپیمای هسته ای ) صورت گرفته بود. هواپیمایی با موتورهای هسته ای، به برکت مقدار بسیار زیاد انرژی قابل دسترس از مقدار نسبتا کم ماده – بدون نیاز به پر نگه داشتن مخزن های سنگین بنزین که به سرعت آتش می گیرد – هفته ها یا ماه ها می توانست در هوا بماند. مهندسان، با صرف هزینه ی چند میلیارد دلاری، طرحی برای هواپیما و یک جفت موتور نونه اولیه ایجاد کردند. چند پرواز راکتورهای هوابرد را با آنکه، هیچ پرواز هسته ای هرگز صورت نگرفته بود، آزمایش کردند. در پایان، طرح ها، عمدتا به دلایل ایمنی، کنار گذاشته شده بودند. حفاظ لازم برای راکتور سنگین بود. و این موضوع که آلودگی تابشی بالقوه سبب سقوط هواپیما می شد نگران کننده بود.

ناو هواپیمابر USS نیمیتس توان خود را از انرژی هسته ای می گیرد. این کشتی می تواند برای مدت ۲۵ سال بدون سوخت گیری کار کند.

نگرانی مربوط به پیشرانش هسته ای بی پایه نبودند. زیر دریایی هسته ای K-19 اتحاد شوروی در ۱۹۶۱ با حادثه ی غم انگیزی در ارتباط با راکتور خود مواجه شد. در حالی که در دریا، ۲۴۰۰ کیلوتر دور از بندر بود لوله ی حامل خنک کننده در راکتور ناگهان نشت کرد. اضافه گرمایش رخ داد، که احتمال خطر سوخت هسته ی مرکزی راکتور را پیش آورد. اعضای خدمه ی کشتی فقط پس از ورود به راکتور و قرار گرفتن خودشان در معرض مقادیر کشنده ی تابش، مشکل را کنترل کردند. ملوانان قهرمان زیر دریایی، نه بهای ۲۲ کشته، از ذوب هسته ی مرکزی جلوگیری کردند ( هشت نفر در این روز و ۱۴ نفر دیگر چند سال بعد مردند). زیر دریایی اتحاد شوروی ، K-19 را تا بندر یدک کشیدند و کارکنان کشتی را آلودگی زدایی کردند. این رویدادها پایه و اساس فیلم K-19 : The Widomwaker را در سال ۲۰۰۲ تشکیل داد.
دریانوردان شوروی چند سال پس از این حادثه ابراز داشتند که خطر در اطراف K-19 همچنان وجود دارد، لاشه زیر دریایی در کف اقیانوس رها شده است و شهروندان نگرانند که راکتورهای هسته ای غرق شده این زیر دریایی که هنوز در آن وجود دارد مجددا خطر آفرین شود. ولی کارشناسان زیر دریایی این خطر را نفی کردند. راکتورها به وسیله ی تخته های ضخیمی از ماده محافظت می شوند، و خود سوخت پرتوزا در درون آلیاژهای محافظتی که در برابر زنگ زدگی زیر دریایی به شدت مقاومند، گنجانده شده است. اندازه گیری های تابش هم حداکثر فقط درجه ی کمی از پرتوزایی باقیمانده را در نواحی احاطه کننده ی لاشه ی کشتی نشان می دهند.
از دیدگاه خطر آفرینی، اینکه بسیاری از مردم درباره ی کاربرد نیروی هسته ای برای پرتاب کردن فضاپیما نگرانند. در قسمت بعدی در مورد پرتاب موشک و فضاپیما و هزینه ها و مشکلات و مزیت های آن صحبت می کنیم.

ادامه دارد »»»

 

[ANDREA]

پرتاب موشک با سوخت شیمیایی پر هزینه است. طبق قانون دوم حرکت نیز آیزاک نیوتن ، شتاب، α ، جسم با حاصل تقسیم نیرو، F، بر جرم آن، m برابر است با:
α=F/m
هنگامی که جرم m زیاد است، α کوچک می شود مگر اینکه F نیز زیاد باشد. بر طبق قانون نیوتن، شتاب جسم به مقدار زیادی نیرو نیاز دارد. وضع بر اثر گرانش بدتر هم می شود. موشک برای رسیدن به فضا، باید از گرانش زمین خارج شود. سرعت لازم را سرعت فرار می نامند و تقزیبا ۱۱٫۲ کیلومتر در ثانیه در نزدیک سطح زمین است. این تقریبا ۲۵۰۰۰ مایل در ساعت است! برای اینکه موشک های سنگین به این سرعت برسند به پیشرانه ی بسیار زیادی نیاز است. مونورهای ساترن ۵ که فضانوردان را در اواخر دهه ی ۶۰ و اوایل دهه ی ۷۰ به ماه برد، می توانست میلیونها اسب بخار توان تولید کنند، به گونه ای که هنگام روشن شدن موتورها زمین لرزه های کوچک ایجاد شوند.
مزیت نیروی هسته ای آشکار است. مقدار بسیار زیادی انرژی محبوس در چند اونس سوخت هسته ای برای پرتابه های فضایی ایده آل خواهد بود. با استفاده از سوخت هسته ای، پیشرانش موشک ها در خارج از حوزه ی گرانش زمین زیاد مشکل یا پر هزینه نخواهد بود. در چند پروژه تلاش شده است یک فضاپیمای هسته ای طراحی شود. هدف پروژه ی اریون در دهه ی ۵۰ ساخت فضاپیمایی بود که با یک رشته بمب اتمی پیش رانده می شد. در دهه ی ۷۰ ناسا ، در طرحی به همان اندازه پیچیده بنام موتور هسته ای برای کاربرد پرتاب کننده ی موشک NERVA تلاش کرد. هیچ کدام از این برنامه ها موفقیت آمیز نبود.

فضاپیمای هسته ای می تواند طی چند دقیقه به سیاره های خارجی برود، در حالی که با استفاده از روش های دیگر پیشرانش چند سال طول می کشد.

اما ناسا این فکر را کنار نگذاشت. در حال حاضر یک برنامه ی ناسا با عنوان سیستم ها و فناوری هسته ای پرومتئوس وجود دارد که امیدوار است که منابع انرژی هسته ای را ایجاد کند. ( در اساطیر یونان، پرومتئوس آتش را به بشر هدیه داد. ) توجه این مسئله بر دو کاربرد متمرکز است: تولید توان الکتریکی از ایزوتوپ های پرتوزا، و راکتورهای شکافت هسته ای.
ماده ی پرتوزا قبلا در کاوشگرهای فضایی بکار رفته است. ولی مقدار آن نسبتا کم بوده، و به اندازه ی کافی برای پیش راندن سفینه قدرتمند نبوده است، ماده ی پرتوزا فقط انرژی بکار انداختن دستگاههای کاوشگر را فراهم می کرد. دستگاهی، گرمای حاصل از واپاشی پلوتونیم ۲۳۸ را در کاوشگر به برق تبدیل می کند، که جریان برای بکار انداختن همه ی تجهیزات برقی است. انرژی خورشید منبع بسیار خوب انرژی در فضاست و کاوشگرهای بسیار از آن بهره می گیرند، ولی سفینه ای که وظایفش آن را از خورشید دور می کند، یعنی دور از دامنه ی دسترسی خارجی منظومه ی شمسی، انرژی خورشید گزینه ی خوبی نیست. خورشید، اگرچه هنگامی که از مدارهای دور مانند مدارهای مشتری و زحل دیده می شود هنوز نسبتا درخشان است، انرژی زیادی برای یک فضاپیمای نیازمند توان فراهم نمی کند. پلوتونیم به آهستگی، با طی زمان زیادی، واپاشیده می شود، و کم وزن است. کاوشگرهای وایکینگ دهه ی۷۰ ، به اضافه ی کاوشگرهای جدیدتر مانند گالیله و کاسینی، پلوتونیم را برای نیازهای برقی خودشان به همراه بـرده اند.

این مولد ترمو الکتریکی رادیو ایزوتوپ یکی از سه دستگاهی است که برای کاوشگر کاسینی ناسا برق تولید می کند. این دستگاه ها با تبدیل گرمای حاصل از واپاشی پرتوزای دی اکسید پلوتونیوم ۲۳۸ برق تولید می کند.

اما هیچکس خوشحال نیست. کاسینی به زحل، در سال ۹۷ با تلاش مشترک ناسا، سازمان فضایی اروپا و سازمان فضایی ایتالیا پرتاب شد، در حالی که پلوتونیم کافی ( تقریبا ۷۲ پوند ) در برداشت که اعتراض های شهروندان نگران را بر انگیخت. شاید بخشی از نگرانی بر مبنای سر درگمی درباره ی ایزوتوپ ها بود. لوتونیوم ۲۳۹ یک جزء رایج سلاح های هسته ای است، ولی ایزوتوپ موجود در کاسینی، پلوتونیوم ۲۳۸، ذرات آلفا گسیل می کند و زیاد خطرناک نیست. محاسبات ناسا برای بدترین حالت داستان فقط خطری کم و قابل پذیرش نشان داد.

کاسینی، که در ۱۵ اکتبر ۱۹۹۷ پرتاب شد تا زحل و قمرهایش را بررسی کند، بسیار دور از خورشید قرا گرفته است، به گونه ای که نمی توانست از انرزی خورشیدی نیرو بگیرد، لذا برای تامین نیازهای برقی خود از منبع انرژی هسته ای استفاده می کند.

با این حال، جامعه همیشه تضمین های سازمان فضایی را نمی پذیرد. مبنایی تاریخی برای این ناباوری وجود دارد. فاجعه های شاتل فضایی ناسا در سال ۱۹۸۶، هنگامی که چلنجر منفجر شد، و در سال ۲۰۰۳ هنگامی که کلمبیا سقوط کرد، این نکته را حالی کرد که عملیات های فضایی خطرناک باقی می مانند. کاربرد مقدار کمی از یک ایزوتوپ پرتوزای خوش رفتار مانند پلوتونیوم ۲۳۸ برای ایجاد برق در یک کاوشگر یک چیز است و راکتور شکافت قدرتمندی در انتهای دنباله ی یک موشک با وظیفه ی کاملا متفاوت چیز دیگری. پیشرانش با نیروی هسته ای برای فضاپیماها به لحاظ فنی عملی است، ولی سازمانهای فضایی باید مردم را قانع کنند که این فضاپیماها قبل از اینکه شروع به پرتاب کنند در سکو ایمن هستند.
لازم به ذکر است که کاوشگر”کنجکاوی”ناسا نیز که در سال ۲۰۱۲ با ابزار فوق پیشرفته ی خود جهت شناسایی تاریخچه و بررسی حیات میکروسکوپی به مریخ فرستاده شد، انرژی مورد نیازش را از باتری اتمی که در داخل مریخ‌نورد جاسازی شده است بدست می آورد. جربان الکتربکی باتری، ناشی از گرمای حاصل از واپاشی هسته‌ای است که به جریان برق تبدیل می‌شود. این باتری می‌تواند در هر ساعت ۲٫۵ کیلووات انرژی تولید کند و این باتری می تواند برای مدت ۱۴ سال کار کند.