موتور افسانه‌اي پلاسمایی

موتور افسانه‌ای پلاسمایی، می‌تواند مدت زمان سفر انسان را به مریخ، از سه سال به فقط 39 روز کاهش دهد. سفر به مریخ کاری بسیار دشوار است. شاید به همین دلیل است که کسی تا به حال آن را تجربه نکرده است. با موشک‎های امروزی که سوخت شیمیایی دارند، در بهترین شرایط، 6 تا 9 ماه طول می‌کشد تا انسان به مریخ برسد. بر اساس مطالعاتی که در سال 2013 انجام شد، معلوم شد که مسافران مریخ در طول راه، در معرض پرتو‎های کیهانیِ مضر هستند. میزان این پرتوها معادل با پرتوزايي‎ یک سی تی اسکن کامل، در هر 5‎ یا 6 روز است که خود، خطر ابتلا به سرطان را افزایش می‌دهد. مسافران سیاره‎ی سرخ، پس از رسیدن به مقصد باید دو سال صبر کنند تا زمین و مریخ دوباره به حالت مقارنه (نزدیک ترین موضع زمین و مریخ نسبت به هم) برسند و دوباره 6 تا 9 ماه دیگر در راه بازگشت باشند. در واقع آن‎ها اگر از سرطان جان سالم به در ببرند، احتمالاً از توقف طولانی مدتشان آسیب می‌بینند.

شاید راه بهتری هم وجود داشته باشد: نوعی موشک که می‌تواند در مدت 6 هفته شما را به مریخ برساند! چنین موشکی هم مدت زمان سفر را کوتاه می‌کند و هم خطر پرتوهاي کیهانی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد. در این صورت کُل سفر به لحاظ نظری فقط سه ماه طول می‌کشد. این ایده صرفاً‎ یک حدس علمی‌ تخیلی نیست.‎ یک دانشمند خوش فکر در شهر تگزاس در حال تکمیل نمونه‎ی اولیه‎ی موتور موشکی است که می‌تواند سفر در فضا را بسیار سریع تر از قبل امکان‌پذیر کند.

فرانکلین چانگ دیاز (Franklin Chang Díaz)، دانش آموخته‎ی دانشگاه ام آی تی و فضانورد سابق ناسا، بیش از سی سال است که مشغول ساخت موتور ابداعی خود بوده؛ موتوری که وي اعتقاد دارد می‌توان با آن به سفرهای بین سیاره‌ای رفت. دیاز در سال 2005 کمپانی آد آسترا را تأسیس کرد و به دفاع سرسختانه‎ی خود از سفرهای فضایی ادامه داد. او می‌گوید: «اولین کسی که قدم به سطح مریخ می‌گذارد، هم اکنون متولد شده است.» دیاز امیدوار است که اولین مسافران مریخ بتوانند با موتور ابداعی او به این سیاره‎ی سرخ برسند.

چانگ دیاز در حالی در کشور کاسترایکا کودکی خود را سپری می‌کرد که مجذوب فضا بود. وقتی اتحاد جماهیر شوروی در سال 1957، اسپوتنیک، اولین مدارگرد ساخته‎ی دست بشر را به فضا فرستاد، چانگ فقط هفت سال داشت.‎ یازده سال بعد، او با‎ یک پرواز ‎یک طرفه به ایالات متحده‎ی آمریکا رفت و در حالی که نه زبان انگلیسی می‌دانست و نه پولی داشت، نزد اقوام دور خود ماند و دوره‎ی دبیرستان را به اتمام رساند. دیاز پس از پایان دوره‎ی کارشناسی در دانشگاه کانکتیکات، وارد دانشگاه ام آی تی شد و در رشته‎ی پلاسمای کاربردی تحصیلات خود را ادامه داد. او که در این دوره درباره‎ی همجوشی هسته‌ای تحقیق می‌کرد، می‌گوید: «همیشه به این فکر می‌کردم که انرژی هسته‌ای، نقطه‎ی عطفی در اکتشافات فضایی خواهد بود.»

مدلی که چانگ دیاز در ذهن داشت، این بود که حجم‎ یک گاز بسیار داغ‎ یا پلاسما را با استفاده از ‎یک آهنربای قوی تا حد ممکن کم کند، به طوری که در میان اتم‎های گاز همجوشی رخ دهد و انرژی زیادی آزاد شود. ‎یکی از دستاوردهای مهم او در طی این پژوهش‎ها، ابداع ‎یک «نازل مغناطیسی» است که می‌تواند ذرات پلاسما را در‎ یک جهت معین اسپری کند. این نازل مانند شلنگ آب کار می‌کند، با این تفاوت که نامرئی است. در واقع جریان‎های ‎یون‎ها توسط میدان‎های مغناطیسی تنظیم می‌شوند. چانگ دیاز در خلال پژوهش‎هایش به فضا هم فکر می‌کرد. او دریافت که ایده‎ی مشابه نازل مغناطیسی می‌تواند در‎ یک موتور موشک کارآمد باشد. موشک‎های معمولی برای رسیدن به نیروی محرکه‎ی مورد نیاز خود، به سوخت‎های شیمیایی نیاز دارند. اما بر اساس ایده‎ی چانگ می‌توان با استفاده از جریان الکتریسیته، ‎یک گاز مانند گاز آرگون را آنقدر گرم کرد (تقریباً به اندازه‎ی دمای سطح خورشید) تا به پلاسما تبدیل شود. سپس پلاسما می‌تواند با‎ یک میدان مغناطیسی قوی محدود، به سمت خارج از موتور هدایت شود. البته هیچ ماده‌ای مقاومت حرارتی در چنین دمایی ندارد. موشکی که چنین موتوری دارد، می‌تواند انسان را 4 تا 5 برابر سریع‌تر،‎یعنی فقط در 39 روز به سیاره‎ی مریخ برساند. به این ترتیب ایده‎ی «موشک مغناطوپلاسمایی با تکانه‎ی ویژه‎ی متغیر»‎ یا به اختصار VASIMR متولد شد.

دیاز پس از دریافت مدرک دکترای خود در سال 1977 در حالی که به علایق خود درباره‎ی فضا نیز می‌پرداخت، پژوهش‎هایش را درباره‎ی موشک ابداعی خود ادامه داد. . او در سال 1980 در دومین آزمون خود، در ناسا به عنوان فضانورد پذیرفته شد. تمرینات فضانوردی چانگ دیاز در مرکز فضایی جانسون در شهر هوستون انجام مي‌شد، و چون ادامه‎ی پژوهش‌هايش در ام آی تی برایش دشوار شده بود، آزمایشگاه خود را به جانسون منتقل کرد. دیاز در دهه‎های اخیر، هفت مأموریت فضایی داشته و جمعاً 1600 ساعت از عمرش را در فضا سپری کرده است.

او همچنان فعالانه بر روی پروژه‎ی موتور موشک خود متمرکز است. چانگ دیاز در سال 2005 بازنشسته شد و کمپانی خود آد آسترا را تأسیس کرد. از آن سال به بعد پروژه‎ی شاتل‎ها زیاد به طول نینجامید. دیاز اعتقاد داشت که حوزه‎ی فناوری‎های فضایی به ‎یک «جهش کوانتومی‌ در تکنولوژی» نیاز دارد. او در کمپانی خود به دنبال چنین جهشی است. در واقع دیاز مشغول‎ یک رقابت دوستانه با کارفرمای سابق خود، ناسا، برای ساخت موشک‎های آینده است.
در کمپانی آد آسترا‎ یک استوانه‎ی فلزی با ۴.۵ متر قطر و ۱۰.۵ متر طول وجود دارد که در واقع ‎یک اتاق خلأ است و شرایط فضا را شبیه سازی می‌کند. درون این استوانه‎ یک محفظه‎ی خلأ دیگر هم قرار دارد که تقریباً به اندازه‎ی‎ یک دستگاه ام آر آی است و آهنربای موشک را دربر می‌گیرد.

موتور به این صورت کار می‌کند که گاز آرگون وارد اتاق خلأ می‌شود. امواج رادیویی این گاز را‎ یک تا دو میلیون کلوین داغ می‌کنند. این‎ یکی از مزایای این موتور است، زیرا دمای بالاتر به بازدهی بیشتر می‌انجامد. برای مقایسه، خوب است بدانید که دمای سوخت موشک‎های عادی به چند هزار کلوین می‌رسد. آهنرباهای موجود در محفظه‎ی کوچک تر، گاز پراکنده‎ی داغ را به ‎یک باریکه‎ی متمرکز تبدیل می‌کنند. این باریکه‎ی متمرکز با پرتاب به بیرون، موشک را به جلو هُل می‌دهد و سرعت آن را به 160000کیلومتر بر ساعت می‌رساند.

چانگ دیاز می‌گوید: «پیشرفت کار ما تدریجی، اما مداوم بوده است. این موتور پلاسمایی در حال حاضر قدرتمندترین موتور موجود در جهان است.»
پلاسما چیست؟ پلاسما حالت چهارم ماده است که برای ما کمی‌ ناآشنا به نظر می‌رسد. زیرا سه حالت دیگر ماده،‎ یعنی جامد، مایع و گاز در دماهای معمولی دیده می‌شوند. اما پلاسما در دماهای بسیار بالا ایجاد می‌شود و تفاوت آن با گاز این است که حاوی ذرات باردار است و به امواج الکترومغناطیس واکنش نشان می‌دهد. پلاسما معمولاً رگه‎های تابشی زیبایی دارد، مانند نور رعد و برق در آسمان.
بزرگترین سدی که هم اکنون پیش روی پروژه‎ی VASIMR است و چانگ نیز به آن اذعان داشته، این است که ‎یک موشک برای سفرهای فضایی طولانی به ده‎ها مگاوات برق نیاز دارد و در واقع ‎یک «سوخت» لازم است تا این برق را تأمین کند. برای یک سفر فضایی با مسافت زیاد، باید نوعی ژنراتور برق در موشک وجود داشته باشد تا برق تولید کند و تنها وسیله‌ای که می‌تواند حجم ده‎ها مگاوات برق (برق لازم برای روشن کردن 10000 خانه) را تولید کند،‎ یک رآکتور شکافت هسته‌ای سبُک وزن است، چیزی که هنوز وجود ندارد!

چانگ دیاز این موضوع را ‎یک مانع موقتي می‌داند و معتقد است که نیاز به چنین وسیله‌ای، نمی‌تواند پروژه را متوقف کند. پاتریک مک دنیل، مهندس هسته‌ای و پژوهشگر فضایی دانشگاه نیومکزیکو نیز با چانگ موافق است و می‌گوید: «مهندسان ما ظرفیت تکنیکی ساخت‎ یک رآکتور اتمی‌ چند ده مگاواتی سبُک وزن را دارند، شاید تا امروز انگیزه‎ی قابل توجیهی برای ساخت چنین رآکتوری وجود نداشت. اما‎ یک مأموریت فضایی مهم مانند سفر انسان به مریخ می‌تواند دلیل خوبی برای ساختن رآکتور سبک وزن باشد.»
چانگ دیاز نیز با اطمینان می‌گوید: «به زودی شاهد پیشرفت‎هایی در زمینه‎ی رآکتور سبک وزن خواهیم بود، زیرا بدون این وسیله سفرهای انسان به فضا غیر ممکن خواهد بود.»‎

حمل و نقل فضایی:
در حال حاضر می‌توان از موتور پلاسمایی چانگ دیاز، برای سفرهای کوتاه اطراف کره‎ی زمین استفاده کرد. در چنین سفرهایی به رآکتور شکافت هسته‌ای نیازی نیست و با استفاده از انرژی خورشیدی می‌توان موشک را به کار انداخت.
اولین سفر آزمایشی VASIMR سفر به ایستگاه بین المللی فضایی در سال 2016 است. در این سفر، موتور موشک به جای انرژی هسته‌ای از باتری‎های بزرگ خورشیدی استفاده می‌کند. اگر همه چیز به خوبی پیش برود، آد آسترا سفرهای دیگری را نیز در برنامه‎ی کاری خود قرار می‌دهد. سفرهایی به ایستگاه بین المللی فضایی و‎ یا سایر ماهواره‎های بزرگ اطراف کره‎ی زمین.

چانگ دیاز می‌گوید: « VASIMR به طور موقت می‌تواند نقش‎ یک‎ یدک کش فضایی را ایفا کند و ماهواره‎ها را به مدارهای مقصد حمل کند. موشک چانگ همچنین می‌تواند وظیفه‎ی حمل و نقل زباله‎های فضایی را به عهده بگیرد. جمع آوری ماهواره‎های از کار افتاده و قسمت‎های بالایی موشک‎ها که به بیرون پرتاب شده‌اند از مدارهای پر رفت و آمد امر مهمی‌است که از عهده‎ی موشک‎های بزرگ بر نمی‌آید؛ زیرا چنین موشک‎هایی برای انجام مأموریت جمع آوری زباله‎های فضایی به سوخت زیادی نیاز دارند و مقرون به صرفه نیستند.
تیم گوور، فیزیکدان تجربی و عضو هیئت مدیره‎ی آد آسترا می‌گوید: «چنین مأموریت‎های کوچکی می‌توانند به ما بگویند که برای ساخت‎ یک موتور موشک چندین مگاواتی، به چه چیزهایی نیاز داریم.»
با ساخته شدن رآکتور شکافت هسته‌ای سبک وزن و آماده شدن موشک پلاسمایی برای پرواز، زمان پرواز انسان به ورای مدار زمین و حرکتش به مریخ فرا می‌رسد. قطعاً این اتفاق فصلی جدید را در اکتشافات فضایی رقم می‌زند؛ فصلی که مریخ اولین مقصد آن خواهد بود.

منبع: SA