جایگزینی مناسب برای موشک‌ها
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 تکنولوژی 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 ماکزیمم 5 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 15 تا 35 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 20 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 50 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 تکنولوژی به مرحله‌ی بهره‌برداری رسیده است. کاربردهایی مانند نگه داشتن ماهواره‌ها در مدار خود، یا مقابله با کشش آیرودینامیکی اتمسفری در فاصله‌ی 200 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 تکنولوژی جدید انجام شده بود اما فضاپیما 15 سال پیش توانست با موفقیت از کنار سیارک 9969 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 2012 اولین ماهواره با یک نسخه‌ی تمام الکتریکی از سری ماهواره‌های 702 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 تکنولوژی در سفرهای فضایی همچون سفر انسان به مریخ به کار خواهد رفت.
آينده‌ي بسيار دور موتورهاي يوني
موتورهاي يوني در ژانر علمي تخيلي يکي از برجسته‌ترين نکته‌هايي که در ادبيات علمي تخيلي مي‌بينيم، وجود همين موتورهاي يوني يا پلاسمايي و در موارد بسياري هم موتورهاي همجوشي ست. اين موتورهاي پيشرانش، براي بُردهاي بلند مدت با سرعت بالا و يا متغير فعلاً بهترين گزينه‌ها هستند. محدوديت موتورهاي يوني در انرژي الکتريکي در فضا شايد مهمترين مسئله‌اي باشد که روزي اگر بشر توانست سفرهاي بزرگ بين سياره‌اي و ميان ستاره‌اي را به واقعيت تبديل کند، با آن درگير باشد.
ولي کمي صبر کنيد! روش‌هاي مختلفي براي ايجاد اين ميدان الکتريکي وجود دارد. سفينه‌هاي فدراسيون کهکشاني در پيشتازان فضا که بين اهالي علمي تخيلي از محبوبيتي بيش از جنگ ستارگان برخوردار است، دقيقاً از هسته‌اي استفاده مي‌کنند، که هسته‌ي پلاسمايي دارد. اين پلاسما در داستان‌هاي مختلف از همجوشي که فرايندي متفاوت از شکافت هسته‌اي ست به دست مي‌آيد.
اتاق کنترل و پنل و هسته‌ي پلاسمايي سفينه‌ي ويجر در پيشتازان فضا
در همجوشي هسته‌اي از برخورد و ترکيب ذرات، انرژي توليد مي‌شود (نام هسته‌ي ماده يا در بعضي سفينه‌ها پادماده‌اي که انرژي توليد مي‌کند Wrap Core ناميده مي‌شود که در قرن ۲۲ و ۲۳ مورد استفاده قرار مي‌گيرند و بعداً در قرن ۲۴ از پادماده و نوترينو انرژي مي‌گيرند.). مهمترين ويژگي آن نسبتاً کم خطر بودن آن در قياس با شکافت است. ولي در آزمايشگاه‌هاي کنوني معروف به توکاماک که محيطي پلاسمايي ست، نمي‌توان مدت زيادي آن را روشن نگه داشت، انفجار براثر گرما و همينطور نشت نوترون راديواکتيو، بزرگترين مشکل آن است. امروزه دو نوع رآکتور هسته‌اي داريم: همجوشي و شکافت. با شکافت آشنا هستيد و در خبرها هم مي‌خوانيد. ولي همجوشي هنوز به مرحله‌ي صنعتي نرسيده. هزينه بالايي دارد ولي پاک‌تر از انرژي‌هاي هم‌تراز خودش است. بين انرژي‌هاي نوين و پاک، اين روش انرژي بسيار بالاتر از باد و آب و خورشيد توليد مي‌کند. هسته‌اي که در فضاپيماها گذاشته مي‌شود به مراتب با انرژي بيشتر و دلخواه، فضاي بيکران (به نسبت ابعاد ما)، را در فاصله‌هاي طولاني خواهد پيمود. برگرديم به سوخت سفينه‌هاي فدراسيون کهکشاني که نمونه‌اي پيشرفته از آن‌چيزي هستند که امروزه ناسا در طرح داؤن استفاده مي‌کند
نيم رُخ فني سفينه‌ي ويجر در پيشتازان فضا
در واقع، اين طرح که آزمايش هم شد، از ايده‌ي نويسنده‌هاي علمي تخيلي استفاده کرد که آن‌ها هم از پيشرفت‌هاي علم آينده را پيش بيني کرده بودند و تعدادي از آن‌ها به واقعيت نزديک شده و يا صنعتي شده. محيط پلاسمايي انرژي بسيار بالايي دارد و به دليل حرکت سريع ذرات باردار (يون‌ها) ميدان الکتريکي توليد مي‌کند. ميدان مغناطيسي بسيار نيرومندي براي کنترل ذرات و عدم برخورد آن‌ها با بدنه‌ي محفظه لازم است. در پيشتازان فضا در قرن ۲۴ امکان سرعت گرفتن سفينه تا بالاتر از سرعت نور با اين موتور يوني فراهم مي‌شود. اين سرعت‌ها براي فاصله‌هاي بين کهکشاني و يا دروني کهکشاني در شعاع‌هاي بزرگ استفاده مي‌شود.
منابع مفيد:
پلاسما چيست؟
Dawn Nasa
Star Trek: wrap Factor
مُبدل‌هاي پلاسمايي ۱
مُبدل‌هاي پلاسمايي ۲
Deep Scace 1
