مهروماه

به‌نظر می‌رسد که ناسا برای تحقق اهداف دهه‌ی آینده‌ی خود، راهی جز بازگشت به انرژی هسته‌ای و راکتورهای اتمی نخواهد داشت.

اگر همه چیز طبق برنامه‌های از پیش تعیین‌شده پیش برود، روزی در دهه‌ی بعدی میلادی شاهد خواهیم بود که یک فرودگر رباتیک در حالی که حامل یک راکتور هسته‌ای کوچک نیز است، به پایگاهی در دست توسعه روی سطح کره‌ی ماه می‌رسد. درون این راکتور، یک میله‌ی بورونی (نام یک عنصر کمیاب در جدول تناوبی) روی پشته‌ای از اورانیوم خواهد لغزید و شروع به ایجاد واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای خواهد کرد؛ واکنش‌هایی که در ادامه موجب شکافته شدن اتم‌های اورانیوم و آزادسازی گرما خواهند شد. پس از آن هم گرمای آزاد شده می‌تواند به یک ژنراتور برق منتقل شود و پیش‌بینی ادامه‌ی کار هم احتمالا برای همه‌مان آسان است. الکتریسیته‌ی حاصل از این فرایند صرف روشنایی و سایر مصارف پایگاه در شب‌های طولانی و سرد ماه خواهد شد.

 ناسا پس از نیم‌ قرن تلاش برای ساخت و پرداخت یک نیروگاه تولید توان از نوع هسته‌ای برای استفاده در فضا، سرانجام موفق به تکمیل مجموعه‌ای از آزمایش‌های نتیجه‌بخش از یک طراحی کاملا جدید و پیشتاز شده است. نقطه‌ی عطف بعدی برای این نیروگاه کوچک که ناسا نام کیلوپاور را برای آن انتخاب کرده، می‌تواند آغاز به کار عملی در قالب یک پرواز فضایی در یک زمان مناسب از سال‌های دهه‌ی ۲۰۲۰ میلادی باشد. کیلوپاور که توسط وزارت انرژی ایالات متحده ساخت‌وپرداخت شده است، به‌عنوان نخستین راکتور هسته‌ای ایالات متحده از هر نوعی با یک ساختار جدید و متمایز در طی ۴۰ سال گذشته به‌شمار می‌رود. کیلوپاور این پتانسیل را دارد که روند تولید انرژی برای هر ماموریت کاوش فضایی را دستخوش تغییر کند؛ به‌ویژه وقتی که صحبت از سفر و اقامت طولانی‌مدت و گاه دائمی انسان در مکان‌های دیگری از سامانه‌ی خورشیدی به میان آید.

 ماموریت‌های فضایی در حال حاضر برای تامین توان مورد نیازشان از پیل‌ سوختی، باتری‌های هسته‌ای یا توان خورشیدی بهره می‌برند. اما باید توجه کنیم که طول یک شب در ماه حدودا دو هفته است و از سویی هم توانمندی نور خورشیدی روی مریخ تنها به‌میزان ۴۰ درصد آن مقداری است که روی سیاره‌ی خودمان وجود دارد. جیم رویتر، مدیر بخش فناوری‌ فضایی ناسا می‌گوید:

     وقتی که ما بخواهیم به ماه و در نهایت به مریخ سفر کنیم، احتمالا به منابعی بزرگ و غیروابسته به خورشید برای تامین توان نیاز خواهیم داشت؛ به‌ویژه اگر قصدمان این باشد که زندگی خود را در آنجا ادامه دهیم.

کیلوپاور یک راکتور همجوشی سبک و کوچک است که می‌تواند الکتریسیته‌ای تا میزان ۱۰ کیلووات را فراهم سازد. بنا به اعلام ناسا، ۴ واحد از نیروگاه کیلوپاور این توان را خواهند داشت که الکتریسیته‌ی کافی برای یک مقر کوچک انسانی در مریخ یا ماه را فراهم کنند. برای اینکه مقایسه بهتری داشته باشیم باید اشاره کنیم که ۴۰ کیلووات برابر با الکتریسیته‌ی مورد نیاز (به‌میزان کافی) برای مصارف ۳ تا ۸ خانه‌ی معمولی در امریکا است. این در واقع برآورد پروفسور کلودیو برونو در دانشگاه کنتیکت است. وی همچنین تصریح می‌کند که ۴۰ کیلوات تقریبا برابر با ۶۰ اسب بخار است.

شاید در نگاه نخست چنین برداشت شود که این میزان توان بالایی است. اما واقعیت این است که اگر کسی نیت انجام کارهای سودمند یا گسترده، به‌ویژه‌ ماموریت‌هایی همچون ماموریت‌های سرنشین‌دار به ماه یا مریخ داشته باشد، توان به‌مراتب بیشتری مورد نیاز خواهد بود.

با این حال، هر زمانی که در گذشته پژوهشی در زمینه‌ی تامین توان هسته‌ای انجام شده است، همواره انتقادات و گلایه‌ها و نگرانی‌هایی از خطرات توان هسته‌ای به میان آمده است. این نخستین باری است که آنها در طی دهه‌های گذشته از به‌کار انداختن یک ژنراتور الکتریکی با استفاده از راکتوری هسته‌ای صحبت می‌کنند. با این اوصاف می‌توانیم آن را یک گام و یک سیگنال مثبت در نظر بگیریم.

از انرژی هسته‌ای در کاوش‌های فضایی به ۲ روش اصلی بهره می‌برند: برای تولید الکتریسیته یا برای تامین نیروی رانشی. کیلوپاور قرار است برای تولید الکتریسیته استفاده شود و از این نظر بیشتر شبیه به یک نیروگاه زمینی متدوال است. توان تولیدی آن هم بیش از مقدار مورد نیاز یک فضاپیمای معمولی است و همین باعث می‌شود تا برای انجام ماموریت‌های فضایی دورتر در محل‌های ناشناخته‌تر هم مناسب باشد. از کیلوپاور همچنین می‌توان برای به حرکت در آوردن یک فضاپیما نیز استفاده کرد و اولویت در آن حالت با تامین توان یک موتور یونی توسط این نیروگاه خواهد بود. با این حال ناسا در حال حاضر برنامه یا تصمیم مشخصی برای استفاده از کیلوپاور برای این هدف ندارد.

کار ساخت و پرداخت کیلوپاور از سال ۲۰۱۲ آغاز شده است. اما ریشه‌ی اصلی کار به زمانی بسیار قبل‌تر از این سال بازمی‌گردد؛ به برنامه‌ی سیستم‌های ناسا برای تجهیزات توان هسته‌ای یا SNAP در سال‌های دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی.

پروژه‌ی SNAP توسعه‌ی دو نوع سیستم توانی هسته‌ای مختلف را در پی داشت. مورد نخست ژنراتورهای رادیوایزوتوپی ترموالکتریکی یا RTG ها بودند که از گرمای گرفته‌شده از فروپاشی رادیواکتیو برای تامین گرما و توان بهره می‌بردند. شمار زیادی از فضاپیماهایی که به اعماق فضا ارسال شده‌اند، از RTG استفاده کرده‌اند و در میان آنها نام فضاپیماهای معروفی مثل مریخ‌نورد کیوریاسیتی یا کاوشگر نیو هورایزونز به چشم می‌خورد. نیو هورایزونز به مقصد پلوتو به‌فضا ارسال شده و پس از رسیدن به این سیاره، هم‌اکنون در حال کاوش سیاره‌های کوتوله بخش‌های بیرونی منظومه‌ی شمسی است. فناوری به‌کاررفته در RTG از همان نوعی است که در زیردریایی‌های اتمی هم به‌کار می‌رود. ناسا در ماه آوریل سال ۱۹۶۵ میلادی هم یک نیروگاه دیگر به‌نام SNAP-10A راه‌اندازی کرد. این نیروگاه به‌مدت ۴۳ روز کار کرد و در این زمان و پیش از از کار افتادن بخشی از آن، ۵۰۰ وات الکتریسیته تولید کرد. این نیروگاه هنوز هم در مدار زمین قرار دارد و چیزی بیش از یک زباله‌ی فضایی در نظر گرفته نمی‌شود.

ناسا در طول سال‌های دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی، روی توان هسته‌ای برای پیش‌رانش راکت‌ها تحت برنامه‌ی موتور هسته‌ای برای کاربردهای راکت‌ها یا NERVA پژوهش‌های زیادی انجام داد.

این برنامه‌ یا طرح ایجادشده توسط ناسا می‌توانست از راکتورهای هسته‌ای برای گرم کردن هیدروژن و خارج کردن آن از یک نازل مخصوص استفاده کند. چنین روندی بیشتر شبیه به سازوکار یک راکت شیمیایی استفاده‌کننده از نوعی سوخت برای پیشرانش راکت بود. اما این برنامه در سال ۱۹۷۳ پایان پذیرفت و در آن زمان دیگر دنبال نشد.

برپایه‌ی آمار آژانس بین‌المللی هسته‌ای، روسیه هم تا به‌حال بیش از ۳۰ راکتور شکافت هسته‌ای راهی فضا کرده است. اما پس از لغو شدن برنامه‌ی پیشرانش هسته‌ای ناسا در سال ۱۹۷۳ توسط ریچارد نیکسون، رئیس‌جمهور وقت ایالات متحده، روس‌ها نیز از برنامه‌ی خود عقب‌نشینی کردند. برونو در این مورد می‌گوید:

    تا سال ۱۹۷۳ اوضاع به‌گونه‌ای پیش رفت که همه‌چیز یا از درجه‌ی اولویت خارج شد یا اینکه به‌کل پایان یافت. تا همین سال جاری میلادی، بیشتر افرادی کارکننده روی آن پروژه‌ها یا بازنشسته‌شده‌اند یا اینکه از دنیا رفته‌اند. ما اکنون دانش دست اولی از آنچه که آنها در آن زمان انجام داده‌اند‌، نداریم. البته که ما گزارش‌هایی در اختیار داریم؛ اما گزارش‌ها به‌تنهایی نمی‌توانند سخن بگویند؛ این انسان‌ها هستند که بایستی صحبت کنند.

توفقی که به آن اشاره کردیم تا سال ۲۰۱۲ ادامه داشت. تا اینکه در این سال حرکت‌هایی برای بازگشت به دوره‌ی آزمایش‌های هسته‌ای مرتبط با فضا آغاز شد. ناسا و وزارت انرژی ایالات متحده یک آزمایش مقدماتی از طرح آغازین کیلوپاور را انجام دادند. این طرح اولیه ۲۴ وات الکتریسیته تولید می‌کرد. طرح اولیه باعنوان Demonstration Using Flattop Fissions یا به‌اختصار، DUFF شناخته می‌شد. DUFF از یک لوله‌ی گرمایی برای خنک‌سازی راکتور بهره می‌برد و یک ویژگی مهم هم داشت. این برنامه به‌عنوان نخستین مورد علمی استفاده از موتور استرلینگ برای تبدیل گرمای راکتور به الکتریسیته به‌شمار می‌رفت. باید اشاره کنیم که موتورهای استرلینگ از گرمای بیرونی برای راندن یک پیستون استفاده می‌کنند و این پیستون در ادامه یک میل لنگ را برای تولید توان به‌گردش در می‌آورد. پس از آزمایش DUFF برنامه‌ی توسعه‌ی تعیین‌کننده‌ی ناسا وارد فاز جدیدی شد و کیلوپاور در نهایت در سال ۲۰۱۴ موفق به دریافت پشتیبانی مالی و بودجه‌ی لازم شد.

آخرین آزمایش‌های ناسا و کیلوپاور از ماه نوامبر سال ۲۰۱۷ تا ماه مارس سال جاری میلادی انجام شد. رآکتور کیلوات دوگانه با استفاده از تکنولوژی استرلینگ که به اختصار باعنوان KRUSTY از آن یاد می‌کنند، مورد آزمایش قرار گرفته است. رآکتور کیلوپاور در یک آزمایش کار ۲۸ ساعته مورد سنجش قرار گرفت. در این آزمایش، رآکتور ابتدا آغاز به کار کرده، سپس به توان کار بیشینه رسیده و در ادامه خنک شده و در نهایت متوقف می‌شود. مارک گیبسون، مهندس سرپرست کیلوپاور در مرکز پژوهش‌های گلن ناسا که KRUSTY در آنجا مورد آزمایش قرار گرفت چنین توضیح می‌دهد:

    راکتور در دمای ۸۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد کار می‌کرد و توانی بیش از ۴ کیلووات را تولید کرد.

مقامات ناسا و وزارت انرژی آمریکا می‌گویند که این راکتور به‌دلیل طرز کار و نحوه‌ی عملکردش، ایمن‌تر از سیستم‌های نسل‌های گذشته است. واکنش زنجیره‌ی شکافتی به‌طور منفعلانه کنترل می‌شود و حتی می‌تواند با استفاده از میله‌های کنترل بورون و بازتابنده‌های بریلیوم، متوقف شود. شکافت اتم شروع نمی‌شود؛ مادامی که رآکتور کاملا دور از سطح زمین باشد. طبق گفته‌ی پاتریک مک‌کلور، مدیر پروژه کیلوپاور در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس متعلق به وزارت انرژی آمریکا، اگر یک راکت یا موشک در سکوی پرتاب منفجر شود، تابش ساطع‌شده از اورانیوم ۲۳۵ موجود در قلب رآکتور، تا شعاع حدود یک کیلومتری محیط اطراف را می‌تواند تحت تاثیر قرار دهد؛ ولی تاثیر آن به‌ندرت می‌توان فراتر از تاثیر تابش‌های پس‌زمینه‌ی طبیعی موجود در منطقه باشد. وی گفت:

    در شرایطی هم که بخواهیم بدترین حالت را در نظر بگیریم، باز هم باور نداریم که یک رآکتور در طی یک حادثه‌ی تصادفی دچار آسیب شود.

دیوید پاستون، طراح اصلی رآکتور در لس آلاموس، می‌گوید:

    یک رآکتور مشابه می‌تواند الکتریسیته‌ی لازم برای توان بخشیدن به تقویت‌کننده‌های یونی را فراهم کند؛ سیستم‌هایی که می‌توانند یک فضاپیما را به حرکت درآورند.

به‌گفته‌ی برونو، مقدار مواد لازم برای شروع واکنش زنجیره‌ای احتمالا به‌معنی یک راکتور بزرگ و بسیار سنگین برای استفاده‌ی عملی است.

ناسا به‌طور جداگانه در حال کار روی توسعه‌ی یک طرح مفهومی جدید از پیشرانه‌ی هسته‌ای گرمایی مبتنی بر اورانیوم است؛ طرحی که همانند موشک‌های شیمیایی فعلی از ایده‌ی خروج سوخت از انتهای موتور محرک برای ایجاد رانش در سیستم کلی بهره می‌برد. اما پروژه‌ی پیشرانش هسته‌ای گرمایی که در ماه آگوست سال ۲۰۱۷ آغاز شده، به‌اندازه‌ی کیلوپاور پیشرفت نداشته است.

بیشترین فضاپیماهای هسته‌ای از RTG استفاده می‌کنند؛ این سامانه‌ها به‌راحتی گرمای حاصل از واپاشی پلوتونیوم را برای تولید برق استفاده می‌کنند. اما بازده RTG بسیار پایین است و موضوع مهم‌تر اینکه سوخت دی‌اکسید پلوتونیوم را نمی‌توانیم به‌راحتی تهیه کنیم. وزارت انرژی ایالات متحده، تولید سوخت پلوتونیوم ۲۳۸ را در سال ۲۰۱۵ و پس از یک توقف ۳۰ ساله ادامه داده است. اما در حال حاضر، ذخایر موجود تنها برای انجام ماموریت ۲۰۲۰ ناسار و شاید یک یا دو مأموریت بالقوه‌ی دیگر پیرامون منظومه‌ی شمسی کافی باشند.

کیلوپاور می‌تواند به‌عنوان یک جایگزین مناسب به کار گرفته شود. با این حال مقامات و کارشناسان پیرامون یک مورد اساسی هشدار می‌دهند. گیبسون می‌گوید:

    از نقطه نظر توان، آغاز کار ما با این سیستم به‌منزله‌ی نقطه‌ی پایان RTG است. ما به‌نوعی از محدوده‌ی قبلی خارج می‌شویم و تلاش می‌کنیم تا محدوده‌ی تولید توان را برای مواردی مانند کاوش‌های انسانی افزایش دهیم؛ جایی که در آن به ده‌ها تا صدها کیلووات توان نیاز داریم. به‌عبارت دیگر، فعالیت‌های انسانی در ماه یا مریخ، نیاز به ۱۰ تا ۱۰۰ برابر توان بیشتری نسبت به آن مقداری دارد که یک راکتور منفرد کیلوپاور یا حتی چند مورد از آنها در کنار هم تولید می‌کند.

اما پاستون می‌گوید که طراحی پیمانه‌ای راکتور می‌تواند به‌آسانی می‌تواند به مقیاس‌های بزرگ‌تر هم انتقال یافته و نیازهای مد نظر ما را تامین کند.

برونو می‌افزاید که با وجود همه‌ی چالش‌ها، کیلوپاور یک گام مهم در جهت استفاده از نیروگاه هسته‌ای برای کاربردهای فضایی است. گام بعدی احتمالا انجام یک آزمایش رآکتور در فضا خواهد بود. ناسا هنوز چنین مأموریتی را تایید نکرده است؛ اما در یک کنفرانس مطبوعاتی در اوایل ماه گذشته میلادی برگزار شده بود، اعلام شد که ۱۸ ماه پیش رو، به شناسایی و امکان‌سنجی چنین پرتاب آزمایشی اختصاص خواهد یافت. یک احتمال هم این است که یک رآکتور کوچک کیلوپاور به‌همراه فرودگری روی ماه استفاده شود؛ احتمال توسعه‌ی چنین برنامه‌ای با توجه به تمرکز اخیر ناسا روی ماه وجود دارد.

پاستون می‌گوید که تست‌های موفقیت‌آمیز روی زمین، گام مهمی برای انسان‌ها، در مرحله‌ی بعدی اکتشاف فضا محسوب می‌شود. او می‌گوید:

    ما مفهومی را ارائه داده‌ایم و ناسا می‌تواند هم‌اکنون از آن استفاده کند. برای من، هیجان‌انگیز‌ترین بخش ماجرا، پتانسیل بالای این کار است. این واقعا اولین گام در استفاده از توان حاصل از شکافت اتمی در فضا است.