فضاپیمای Dawn متعلق به سازمان فضایی آمریکا (ناسا) بیش از هفت سال است که در منظومه‌ی شمسی سفر می‌کند تا سیارک‌های وستا و سرس را مورد بررسی قرار دهد. این فضاپیما هم اکنون در مداری به دور سرس می‌چرخد و اولین عکس‌ها و اطلاعات را از این اجرام دوردست به زمین مخابره کرده است.

فضاپیمای Dawn پیشتاز در یک فناوری جدید می‌باشد. این فضاپیما اولین مأموریت اکتشافی فضایی است که به جای موشک‌های معمولی از موتور یونی که با نیروی الکتریسیته کار می‌کند استفاده می‌کند. این نوع موتورهای یونی در نسل بعدی فضاپیماها استفاده خواهند شد.

موتور یونی چیست؟

موتورهای یونی از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند تا تا ذرات بارداری از سوخت که معمولاً گاز زنون است ایجاد کنند. سپس به این ذرات باردار شتاب بسیار بالایی وارد می‌کنند تا سرعت بگیرند. سرعت موشک‌های معمولی بیشینه ۵ کیلومتر بر ثانیه است و این محدودیت سرعت را انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی سوخت به وجود می‌آورد. موتورهای یونی در مقابل، هیچ محدودیتی برای سرعت به جز مقدار انرژی الکتریکی که در دسترس باشد ندارند. البته سرعت معمول فضاپیماهای مجهز به این نوع موتورها بین ۱۵ تا ۳۵ کیلومتر بر ثانیه است.

در عمل این به آن معناست که موتورهایی که با نیروی الکتریسیته کار می‌کنند نسبت به موتورهایی که با انرژی شیمیایی کار می‌کنند کارآمدتر هستند. درنتیجه نیاز به حمل جرم کمتری از ماده در فضاپیما بعنوان سوخت است. هزینه‌ی حمل هر یک کیلوگرم ماده به فضا در حدود ۲۰ هزار دلار است، پس با استفاده از سوخت الکتریکی به جای سوخت شیمیایی، صرفه‌جویی فوق‌العاده‌ای در هزینه‌ها خواهد شد.

 

 

این موضوع بسیار به نفع تولیدکنندگان ماهواره‌های تجاری است زیرا نیروی محرکه‌ی الکتریکی این اجازه را می‌دهد که قابلیت‌ها و تجهیزات جدیدی را به ماهواره‌ها در طول مأموریت‌شان اضافه کنند. همچنین در مأموریت‌های علمی فضایی مانند سفرهای طولانی مدت بین سیاره‌ای، نیروی محرکه‌ی الکتریکی تنها گزینه‌ی مناسب جهت حمل سریع تجهیزات علمی لازم در این سفرهای طولانی‌مدت است.

 

نیروی محرکه‌ی الکتریکی

سه نوع کلی از نیروی محرکه‌ی الکتریکی، بسته به اینکه از چه روشی برای شتاب‌دهی به سوخت استفاده شود وجود دارد.

 

  • موتورهای حرارتی-الکتریکی از نیروی الکتریکی برای گرم کردن سوخت از طریق عبور یک جریان از داخل المنت گرمایشی یا با عبور جریان الکتریکی از داخل گاز یا پلاسمای یونیزه شده‌ی داغ استفاده می‌کنند.

 

  • موتورهای الکترومغناطیسی سوخت را از طریق تبدیل آن به یک پلاسمای رسانای الکتریکی یونیزه می‌کنند، که این پلاسما درنتیجه‌ی برهم‌کنش یک جریان الکتریکی قوی و یک میدان مغناطیسی شتاب می‌گیرد. این روش تقریباً مشابه با نحوه‌ی کار موتورهای الکتریکی است.

 

  • موتورهای الکترواستاتیکی از یک میدان الکتریکی ایجاد شده از طریق اعمال ولتاژ بالا جهت شتاب‌دهی به سوخت استفاده می‌کنند. این نوع موتور در فضاپیمای Dawn استفاده شده است. یک نوع دیگر از موتورهای الکترواستاتیکی، پیشرانه‌ی اثر هال (Hall) است که تقریباً مشابه با نوع اول کار می‌کند و تفاوت آن در این است که به جای استفاده از ولتاژ بالا، یک میدان الکتریکی در صفحه‌ی خروجی پیشرانه از طریق به دام انداختن الکترون‌ها در یک میدان الکتریکی تولید می‌کند.

 

مفهوم نیروی محرکه‌ی الکتریکی در حدود ۵۰ سال یا بیشتر در بین دانشمندان وجود داشته است. اما عملی کردن آن در پروژه‌های بزرگ ریسک بزرگی بوده است. مدت کوتاهی است که این فناوری به مرحله‌ی بهره‌برداری رسیده است. کاربردهایی مانند نگه داشتن ماهواره‌ها در مدار خود، یا مقابله با کشش آیرودینامیکی اتمسفری در فاصله‌ی ۲۰۰ کیلومتری بالای سطح کره‌ی زمین، و همچنین مأموریت‌های بین سیاره‌ای مانند Deep Space 1 که اولین مأموریت آزمایشی جهت استفاده از موتورهای یونی بود. این مأموریت در واقع فقط برای معرفی این فناوری جدید انجام شده بود اما فضاپیما ۱۵ سال پیش توانست با موفقیت از کنار سیارک ۹۹۶۹ Braille و دنباله‌دار Borrelly پرواز کند.

 

آینده‌ی موتورهای یونی

اکنون با استفاده از فضاپیماهای مجهز به موتور الکتریکی، صرفه‌جویی بسیار زیادی در هزینه‌های سفرهای فضایی صورت می‌گیرد. با استفاده از موتورهای یونی کوچک، ماهواره‌ها می‌توانند با انرژی خودشان و بدون نیاز به موشک از مدارهای پایین به مدار مد نظر خود در اطراف کره‌ی زمین برسند. این امر منجر به صرفه‌جویی در سوخت می‌شود و این امکان به وجود خواهد آمد که از تجهیزات پرتاب کوچک‌تر با هزینه‌ی کم‌تر جهت پرتاب ماهواره‌ها استفاده شود.

بوئینگ (Boeing) در سال ۲۰۱۲ اولین ماهواره با یک نسخه‌ی تمام الکتریکی از سری ماهواره‌های ۷۰۲ مجهز به موتورهای یونی زنونی بود. تولیدکنندگان دیگر ماهواره نیز در همین مسیر در حال پیشرفت هستند. در حال حاضر تمام موتورهای یونی از گاز زنون بعنوان سوخت استفاده می‌کنند، اما جستجو برای یافتن سوخت جایگزین ادامه دارد زیرا گاز زنون بسیار گران قیمت است و به مقدار محدود در دسترس است.  موتورهای یونی در حال استفاده در سفرهای فضایی هستند و در دراز مدت، این فناوری در سفرهای فضایی همچون سفر انسان به مریخ به کار خواهد رفت.

 

آینده‌ی بسیار دور موتورهای یونی

موتورهای یونی در ژانر علمی تخیلی یکی از برجسته‌ترین نکته‌هایی که در ادبیات علمی تخیلی می‌بینیم، وجود همین موتورهای یونی یا پلاسمایی و در موارد بسیاری هم موتورهای همجوشی ست. این موتورهای پیشرانش، برای بُردهای بلند مدت با سرعت بالا و یا متغیر فعلاً بهترین گزینه‌ها هستند. محدودیت موتورهای یونی در انرژی الکتریکی در فضا شاید مهمترین مسئله‌ای باشد که روزی اگر بشر توانست سفرهای بزرگ بین سیاره‌ای و میان ستاره‌ای را به واقعیت تبدیل کند، با آن درگیر باشد.

ولی کمی صبر کنید! روش‌های مختلفی برای ایجاد این میدان الکتریکی وجود دارد. سفینه‌های فدراسیون کهکشانی در پیشتازان فضا که بین اهالی علمی تخیلی از محبوبیتی بیش از جنگ ستارگان برخوردار است، دقیقاً از هسته‌ای استفاده می‌کنند، که هسته‌ی پلاسمایی دارد. این پلاسما در داستان‌های مختلف از همجوشی که فرایندی متفاوت از شکافت هسته‌ای ست به دست می‌آید.

 

اتاق کنترل و پنل و هسته‌ی پلاسمایی سفینه‌ی ویجر در پیشتازان فضا

 

در همجوشی هسته‌ای از برخورد و ترکیب ذرات، انرژی تولید می‌شود (نام هسته‌ی ماده یا در بعضی سفینه‌ها پادماده‌ای که انرژی تولید می‌کند Wrap Core نامیده می‌شود که در قرن ۲۲ و ۲۳ مورد استفاده قرار می‌گیرند و بعداً در قرن ۲۴ از پادماده و نوترینو انرژی می‌گیرند.). مهم‌ترین ویژگی آن نسبتاً کم خطر بودن آن در قیاس با شکافت است. ولی در آزمایشگاه‌های کنونی معروف به توکاماک که محیطی پلاسمایی ست، نمی‌توان مدت زیادی آن را روشن نگه داشت، انفجار براثر گرما و همینطور نشت نوترون رادیواکتیو، بزرگترین مشکل آن است. امروزه دو نوع رآکتور هسته‌ای داریم: همجوشی و شکافت. با شکافت آشنا هستید و در خبرها هم می‌خوانید. ولی همجوشی هنوز به مرحله‌ی صنعتی نرسیده. هزینه بالایی دارد ولی پاک‌تر از انرژی‌های هم‌تراز خودش است. بین انرژی‌های نوین و پاک، این روش انرژی‌ بسیار بالاتر از باد و آب و خورشید تولید می‌کند. هسته‌ای که در فضاپیماها گذاشته می‌شود به مراتب با انرژی بیشتر و دلخواه، فضای بیکران (به نسبت ابعاد ما)، را در فاصله‌های طولانی خواهد پیمود. برگردیم به سوخت سفینه‌های فدراسیون کهکشانی که نمونه‌ای پیشرفته از آن‌چیزی هستند که امروزه ناسا در طرح داؤن استفاده می‌کند

 

نیم رُخ فنی سفینه‌ی ویجر در پیشتازان فضا

 

در واقع، این طرح که آزمایش هم شد، از ایده‌ی نویسنده‌های علمی تخیلی استفاده کرد که آن‌ها هم از پیشرفت‌های علم آینده را پیش بینی کرده‌ بودند و تعدادی از آن‌ها به واقعیت نزدیک شده و یا صنعتی شده. محیط پلاسمایی انرژی بسیار بالایی دارد و به دلیل حرکت سریع ذرات باردار (یون‌ها) میدان الکتریکی تولید می‌کند. میدان مغناطیسی بسیار نیرومندی برای کنترل ذرات و عدم برخورد آن‌ها با بدنه‌ی محفظه لازم است. در پیشتازان فضا در قرن ۲۴ امکان سرعت گرفتن سفینه تا بالاتر از سرعت نور با این موتور یونی فراهم می‌شود. این سرعت‌ها برای فاصله‌های بین کهکشانی و یا درونی کهکشانی در شعاع‌های بزرگ استفاده می‌شود.

 

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *