تعمل ناسا على تطوير "أول مركبة فضائية بين الكواكب تعمل بالطاقة النووية". ماذا عن مسبارات فوياجر؟
تعمل ناسا على تطوير "أول مركبة فضائية بين الكواكب تعمل بالطاقة النووية"
أعلن مدير وكالة ناسا هذا الأسبوع، جاريد إسحاقمان، أن الوكالة ستعمل على تطوير "أول مركبة فضائية بين الكواكب تعمل بالطاقة النووية" قبل إطلاقها المخطط له إلى المريخ في عام 2028.
إن طموح هذه المهمة، المعروفة باسم مفاعل الفضاء 1 (SR1) فريدوم، يتجاوز بكثير مهمتها المقترحة المتمثلة في الوصول إلى المريخ. فإذا تكللت بالنجاح، فسيكون ذلك تتويجاً لأكثر من 60 عاماً من التجارب والمشاريع الفاشلة في مجال الدفع النووي، وقد يُحدث نقلة نوعية في السفر بين الكواكب.
مشروع أوريون، الذي طُوّر في خمسينيات القرن الماضي، كان يقوم على دفع مركبة فضائية بواسطة موجات الصدمة الناتجة عن سلسلة سريعة من الانفجارات النووية خلفها. ومن التصاميم الأخرى التي تعمل بالطاقة النووية مشروع ديدالوس، وهو دراسة تصميمية أجرتها الجمعية البريطانية للملاحة بين الكواكب في سبعينيات القرن الماضي، واقترحت استخدام محركات تعمل بالطاقة الاندماجية النووية.
سيستخدم مفهوم ناسا SR-1 Freedom مفاعل انشطار نووي، مثل نسخة مصغرة من نوع المحطات النووية التي تزود المدن بالطاقة على الأرض، لتوليد الكهرباء التي يمكنها تشغيل محرك أيوني.
مع ذلك، تستخدم بعثات ناسا شكلاً آخر من الطاقة النووية في الفضاء منذ عقود، وهو مولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة (RTGs). ما الفرق بين مولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة ونظام الدفع الكهربائي النووي الذي سيشغل مركبة SR-1 فريدوم؟
يعمل بالطاقة الناتجة عن التحلل النووي
تنتج مولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة الطاقة باستخدام الحرارة المنبعثة من التحلل الإشعاعي للبلوتونيوم-238، والذي يبلغ عمر النصف له حوالي 88 عامًا (مما يعني أنه في المتوسط، سيخضع نصف كميته للتحلل الإشعاعي في ذلك الوقت)، مما يسمح له بتشغيل المركبات الفضائية لعقود إذا لزم الأمر.
تستخدم وكالة ناسا الطاقة النووية في الفضاء منذ ما يقارب بداية عصر الفضاء نفسه. ففي ستينيات القرن الماضي، موّلت الوكالة مشروع أنظمة الطاقة النووية المساعدة (SNAP). وكما يوحي اسمه، اعتمد مشروع SNAP على استخدام الطاقة النووية في مهمات الفضاء. ووفقًا لناسا، كانت أول مهمة فضائية تُطلق هي SNAP-3 عام 1961، والتي حملت على متنها مولدًا نوويًا حراريًا.
حملت وحدة توليد الطاقة الكهروحرارية (RTG) على متن المركبة الفضائية SNAP-3 96 غرامًا من البلوتونيوم-238، والتي أنتجت 2.5 واط فقط من الطاقة الكهربائية. لكن الأمور تطورت كثيرًا منذ أوائل الستينيات. فمنذ ذلك الحين، شاركت وحدات RTG في مهمات بين الكواكب، بما في ذلك المركبات الفضائية بايونير 10 و11 وفويجر 1 و2 إلى النظام الشمسي الخارجي، ورحلة نيو هورايزونز إلى بلوتو وما وراءه، ومركبتي الهبوط فايكنغ 1 و2 على سطح المريخ، والمركبتين الجوالتين كيوريوسيتي وبيرسيفيرانس.
في الواقع، تم الكشف عن الحاجة إلى مولدات الطاقة الحرارية النووية من خلال المركبات السابقة لمركبتي كيوريوسيتي وبيرسيفيرانس، وهما مركبتي استكشاف المريخ سبيريت وأوبورتيونيتي، اللتان كانتا تعملان بالطاقة الشمسية فقط ولكنهما عانتا من انخفاض الطاقة مع تغطية غبار المريخ لألواحهما الشمسية.
المحرك الأيوني. يعمل هذا المحرك عن طريق تأيين ذرات الوقود الغازي، مثل الزينون أو الكريبتون، ثم تسريع هذه الأيونات عبر فوهة لتوليد قوة الدفع. يمكن تحقيق هذا التسريع بطريقتين: الأولى هي تطبيق المجالات الكهرومغناطيسية لإنتاج ما يُعرف بتأثير هول الذي يُسرّع الأيونات.
أما الطريقة الأخرى فهي محرك أيوني شبكي، حيث يتم حقن الأيونات المشحونة إيجابياً في "غرفة تفريغ" حيث تتحرك نحو شبكة مشحونة سلبياً ويتم تسريعها عبر الثقوب الموجودة في تلك الشبكة بواسطة جهد كهربائي، مما يؤدي إلى طردها مرة أخرى من خلال فوهة، وينتج محرك الأيونات توهجًا أزرقًا ناعمًا.
في مهمات الفضاء داخل النظام الشمسي الداخلي، يمكن تأيين الأيونات بواسطة الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية، ولذا يُطلق على هذه التقنية اسم الدفع الكهربائي الشمسي (SEP). مع ذلك، قد يُفاجئك أن تعلم أن الدفع الكهربائي الشمسي يُنتج عادةً قوة دفع أقل من رطل واحد.
هذا الرقم ضئيل مقارنةً بقوة الدفع الهائلة التي سيُوفرها صاروخ نظام الإطلاق الفضائي، والبالغة 8.8 مليون رطل، عند إطلاقه مهمة أرتميس 2 نحو القمر. مع ذلك، فإن قوة الدفع الضئيلة التي يُوفرها نظام الدفع الكهربائي المتكامل (SEP) تتراكم تدريجيًا، وتزيد مع مرور الوقت، لتدفع المركبة الفضائية إلى سرعات تصل إلى حوالي 200,000 ميل (320,000 كيلومتر) في الساعة، أو أكثر، بعد فترة طويلة من نفاد وقود صاروخ كيميائي مماثل.
تم استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية في مهمات تدور في مدار الأرض منذ الستينيات. وكانت أول مهمة بين الكواكب باستخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية هي مهمة ناسا Deep Space 1 في عام 1998، ومنذ ذلك الحين تم استخدامها بفعالية كبيرة في مهمات مثل مهمة SMART-1 التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية إلى القمر، ومركبة ناسا الفضائية Dawn التي زارت سيريس وفيستا في حزام الكويكبات، ومهمة DART التي اصطدمت بالكويكبين المزدوجين ديديموس وديمورفوس في عام 2022.
يُوفر استبدال الطاقة الشمسية بالطاقة النووية ميزتين في الفضاء السحيق. أولاً، يُسهّل ذلك على مهمات الفضاء نشر محركات الأيونات في النظام الشمسي الخارجي البعيد، بعيداً عن الشمس. ثانياً، يُنتج طاقةً تفوق طاقة محركات الدفع الشمسي بمقدار يتراوح بين عشرة ومئة ضعف، مما يزيد من قوة الدفع وكتلة الحمولة التي يُمكنها حملها.
لا تكفي مولدات النظائر الحرارية النووية لهذا النوع من العمل، ولهذا السبب يتطلب الدفع الكهربائي النووي مفاعل انشطار. تُحوّل الحرارة الناتجة عن المفاعل إلى كهرباء، وهذا ما يؤين (يشحن كهربائياً) غازات الوقود لاستخدامها في المحرك الأيوني.
سيتم وضع مفاعل الانشطار بقدرة 20 كيلوواط الخاص بالمركبة الفضائية SR-1 Freedom، والذي يحتوي على اليورانيوم منخفض التخصيب وثاني أكسيد اليورانيوم، في نهاية ذراع طويل، مما يضمن وجود مسافة بين الإشعاع الذي ينتجه وبقية أجزاء المركبة الفضائية.
في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية (SEP)، تُخصص مساحة كبيرة من إجمالي مساحة المركبة الفضائية للألواح الشمسية. أما في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية (NEP)، فتُستبدل هذه الألواح الشمسية بزعانف تبادل حراري لتشع بعض الحرارة الزائدة من المفاعل وتمنع مكونات المركبة الفضائية من الانصهار.
تجدر الإشارة إلى وجود نوع ثالث من المحركات النووية، وهو الدفع الحراري النووي، حيث تعمل الطاقة الناتجة عن مفاعل الانشطار على تسخين مادة دافعة، مما يؤدي إلى تمددها وانفجارها من خلال فوهة، مما ينتج عنه قوة دفع مثل الصاروخ التقليدي.
المخاطر النووية
السلامة، بالطبع، لها أهمية قصوى عند إرسال المواد النووية إلى الفضاء، وكثيراً ما يخاف الناس من كلمة "نووي".
في عام 1997، أحاط الجدل بإطلاق مهمة كاسيني-هويجنز المشتركة بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية إلى زحل. حملت المهمة على متنها ثلاثة مولدات طاقة نووية حرارية تحمل 73 رطلاً (33 كيلوغراماً) من البلوتونيوم-238 بين المسبارين.
أشارت دراسة الأثر البيئي للمهمة إلى وجود احتمال بنسبة 1 من 1400 لوقوع حادث أثناء الإطلاق، واحتمال بنسبة 1 من 476 أثناء التحليق عبر الغلاف الجوي للأرض، مما قد يؤدي إلى انتشار مواد مشعة ليس فقط في فلوريدا، حيث انطلقت مركبة كاسيني-هويجنز، بل في جميع أنحاء العالم تبعًا للارتفاع الذي وقع فيه الحادث. وقد أثار هذا الأمر مخاوف جدية لدى بعض الجهات، وكان من بين قادة الاحتجاجات المطالبين بإلغاء الإطلاق مُبسط العلوم ميتشيو كاكو، إلا أن مهمة كاسيني-هويجنز مضت قدمًا دون أي عوائق، كما هو الحال مع جميع مهمات RTG اللاحقة.
يُتخذ الحذر الشديد لضمان حماية المواد المشعة على أكمل وجه في حال وقوع أي حادث. ويتم تقليل المخاطر إلى أدنى حد ممكن من خلال تغليف هذه المواد المشعة داخل كتل من الجرافيت شديدة المتانة، مدعمة بطبقة من الإيريديوم، ومحاطة بغلاف واقٍ لحماية مولد الطاقة النووية النظائرية في حال دخوله الغلاف الجوي.
مع أن هذا لا يوفر ضمانًا مطلقًا، إلا أنه يُفترض أن أي مفاعل انشطاري يُطلق إلى الفضاء سيتطلب بروتوكولات أمان مماثلة. في الواقع، توجد قيود تنظيمية صارمة للغاية، سواء في الولايات المتحدة أو على الصعيد الدولي، فيما يتعلق بإرسال المواد النووية إلى الفضاء.
هناك أيضًا مشكلة أخرى، وهي أن الانشطار النووي عملية شديدة السمية. فهو ينطوي على شطر الذرة، وإنتاج نفايات مشعة بالإضافة إلى الطاقة. وباستخدام مفاعلات الانشطار في الفضاء، فإننا نرسل فعليًا كميات صغيرة من النفايات السامة عبر النظام الشمسي، مما قد يشكل خطرًا في المستقبل على رواد الفضاء الذين قد يصادفونها، أو على أي أنظمة بيئية قد توجد على كواكب أو أقمار أخرى، مثل المريخ أو أوروبا، في حال تحطم إحدى هذه الكميات السامة هناك.
تاريخ الدفع الكهربائي النووي
ليست هذه المرة الأولى التي تُجرّب فيها وكالة ناسا استخدام الدفع الكهربائي النووي. ففي عام 1965، أطلقت الوكالة مهمة SNAP-10A، التي كانت الأولى والوحيدة حتى الآن التي يُستخدم فيها الدفع الكهربائي النووي بنجاح. كما كانت المرة الأولى التي يُطلق فيها مفاعل نووي إلى الفضاء. وقد عمل هذا المفاعل بكفاءة لمدة 43 يومًا قبل أن يتعرض لعطل ويتوقف عن العمل، وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية.
مع ذلك، لم تُجرَ أي مهمات أخرى خلال الـ 61 عامًا التي تلت مهمة SNAP-10A لإثبات نجاح الدفع النووي الكهربائي، على الرغم من وجود محاولات عديدة لتحقيق ذلك. وكان آخر مشاريع ناسا هو مشروع DRACO، وهو صاروخ تجريبي للعمليات القمرية السريعة، بالتعاون مع وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) وشركة لوكهيد مارتن وشركة BWX Technologies.
لسوء الحظ، تم تعليق برنامج دراكو في يناير 2025 بسبب تحديات تقنية وتنظيمية، قبل إلغائه نهائياً في صيف ذلك العام عندما تم استبعاده من الميزانية الفيدرالية المقترحة لعام 2026. وادّعت داربا أن تكاليف البرنامج لم تعد تتناسب مع فوائده، نظراً لانخفاض تكاليف الإطلاق الاعتيادية.
لكن يبدو أن وكالة ناسا قد غيرت موقفها الآن، مع تجدد اهتمامها بالدفع النووي الكهربائي. ولا شك أن هناك حججاً قوية تدعم فكرة أن استخدام الطاقة النووية أمر حيوي لإطلاق المزيد من الرحلات الفضائية المنتظمة بين الكواكب، وإرسال رواد فضاء وحمولات ضخمة إلى المريخ أو غيره من الكواكب.
لكن الوقت بالتأكيد ليس في صالح ناسا لإطلاق المهمة في عام 2028 كما هو مخطط لها، ويبقى أن نرى ما إذا كانت ناسا، بعد أكثر من ستين عامًا من المحاولات، ستتمكن أخيرًا من تشغيل هذه التقنية. إذا نجحت، فإن الكفاءة والقوة المتزايدة التي يمكن أن توفرها لمحركات الدفع الكهربائي قد تُحدث نقلة نوعية في السفر إلى الفضاء، سواءً كان ذلك بنقل رواد الفضاء إلى المريخ أو لدفع البعثات العلمية إلى النظام الشمسي الخارجي.
