پیشرفت ناسا و وزارت انرژی در ساخت رآکتور شکافت هسته‌ای فضایی با نهایی‌سازی ماژول کلیدی

ناسا و وزارت انرژی ایالات متحده با نهایی‌کردن یک توافق‌نامه راهبردی برای سرعت‌بخشیدن به توسعه فناوری‌های هسته‌ای فضایی، مأموریت فضاپیمای «اس‌آر-۱ فریدام» (Space Reactor-1 Freedom) را از نقاط عطف مهندسی مهمی عبور دادند. دو نهاد توانسته‌اند سامانه تبدیل توان با چرخه بسته برایتون را برای ماژول هسته‌ای فضاپیما تأمین کنند؛ دستاوردی که پرتاب این فضاپیمای شکافت‌محور به مقصد مریخ را برای اواخر سال ۲۰۲۸ در برنامه نگه می‌دارد.[1][4]

این رویداد نشان‌دهنده چرخش قطعی تمرکز پروژه‌ها از محاسبات تئوریک آزمایشگاهی به ساخت سخت‌افزار عملیاتی برای اعماق فضا است. بر خلاف موشک‌های شیمیایی مرسوم یا سامانه‌های متکی به نور خورشید، «اس‌آر-۱ فریدام» برای پیمایش فواصل طولانی منظومه شمسی از پیشرانش هسته‌ای-الکتریکی بهره می‌برد و نخستین سازه بشر مجهز به رآکتور شکافت هسته‌ای خواهد بود که فراتر از مدار زمین سفر می‌کند.[1][2]

در کانون این سازه فضایی، یک رآکتور شکافت هسته‌ای اورانیومی با توان ۲۰ کیلووات قرار دارد که هم‌اکنون در آزمایشگاه ملی آیداهو وابسته به وزارت انرژی در دست طراحی است. سامانه تبدیل توان تازه‌قراردادشده که توسط شرکت «سیرا لوبو» ساخته می‌شود، گرمای حاصل از رآکتور را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند و عملیات یکپارچه‌سازی و اتصال این بخش‌ها در مرکز تحقیقات گلن ناسا واقع در کلیولند اجرا خواهد شد.[1][5]

استیو سیناکور، مدیر برنامه «اس‌آر-۱ فریدام»، درباره روند توسعه گفت: «این اقدامات قراردادی علاوه بر کاهش ریسک فنی و حفظ شتاب ما تا موعد پرتاب در سال ۲۰۲۸، هماهنگی مهندسی میان شرکا را نیز محکم‌تر می‌کند. با این اقدامات، پروژه در مسیر برنامه‌ریزی‌شده پیش می‌رود و محکم‌ترین بستر فنی ممکن برای نخستین سفر فضایی ناسا با اتکا به شکافت هسته‌ای بنا می‌شود.»[1]

بی‌نیازی از نور خورشید

الکتریسیته تولیدشده در این ماژول انرژی، مجموعه‌ای از رانشگرهای پلاسما شامل سه موتور اثر هال ۱۲ کیلوواتی و چهار موتور ۶ کیلوواتی را تغذیه می‌کند. سازوکار پیشرانش هسته‌ای-الکتریکی با یونیزه‌کردن و شتاب‌دادن به پیشران زنون کار می‌کند؛ فرایندی که بازده سوخت بسیار بالاتری نسبت به احتراق شیمیایی ایجاد کرده و امکان رانش مداوم و پایدار را در مسافت‌های بین‌سیاره‌ای، جایی که پنل‌های خورشیدی کارایی خود را از دست می‌دهند، فراهم می‌سازد.[5]

جرد آیزاکمن، مدیر ناسا، در نشستی در واشینگتن بر ضرورت مکانیکی این فناوری برای کشف ژرفای کیهان پافشاری کرد: «انرژی هسته‌ای به ما ظرفیت می‌دهد تا دورتر برویم، طولانی‌تر عملیات انجام دهیم و فضاپیماها و ابزارهای بسیار توانمندتری نسبت به گذشته اعزام کنیم. ما در حال ورود به عصر ناسای هسته‌ای هستیم؛ دورانی که تحولی ساختاری در اکتشافات فضایی رقم می‌زند.»[4]

چارچوب کلان حاکم بر این پیشرفت‌ها، یادداشت تفاهمی با عنوان «شتاب‌بخشی به پیشگامی آمریکا در توان و پیشرانش هسته‌ای فضایی» است. این پیمان در هشتم اکتبر ۲۰۲۶ توسط آیزاکمن و کریس رایت، وزیر انرژی آمریکا، امضا شد و زنجیره پژوهش، تولید سوخت و یکپارچه‌سازی پرتاب را در هر دو نهاد هماهنگ می‌سازد. اجرای رسمی این توافق از ابتدای نوامبر آغاز می‌شود.[2][4]

این سند ده‌ساله جانشین دو توافق پیشین در سال‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۲۵ شده و رویکرد حاکمیتی واشینگتن را در زمینه فناوری‌های هسته‌ای فضایی یکپارچه می‌کند. این پیمان مستقیماً فرمان اجرایی دسامبر ۲۰۲۵ در مورد برتری فضایی را پیاده می‌کند که بر تسریع استقرار سامانه‌های اتمی تأکید داشت، و تضمین می‌کند پروتکل‌های دقیق آزمایشی و سازوکارهای ایمنی با نظارت هم‌زمان هر دو دستگاه پیش برود.[3][4]

کریس رایت در مراسم امضای این توافق در مؤسسه صلح دونالد جی. ترامپ اعلام کرد: «وزارت انرژی خرسند است که در کنار ناسا مسیر پروازهای فضایی ایالات متحده را به قلمروهای ناشناخته باز می‌کند. رنسانس هسته‌ای آمریکا اکنون به مرزهای تازه‌ای در فضا قدم گذاشته است.»[4]

تأمین توان محموله علمی «اسکای‌فال» در مریخ

هنگامی که «اس‌آر-۱ فریدام» در دسامبر ۲۰۲۸ به فضا پرتاب شود، در عمل نقش یک بستر پیشگام آزمایشی را برای اعتبارسنجی شکافت هسته‌ای در عمق فضا بازی خواهد کرد. این فضاپیما حامل محموله علمی موسوم به «اسکای‌فال» خواهد بود که سه بالگرد پیشرفته ویژه مریخ را در بر دارد. این مأموریت با نشان‌دادن تداوم تولید توان در حین سفر، باید اثبات کند سامانه‌های شکافت قادر به هدایت و تأمین بار مفید سنگین هستند.[1][3]

مهندسان به جای طراحی صفر تا صد یک فضاپیمای کاملاً نو، بخش‌هایی از سازه‌های پیشین را برای رسیدن به ضرب‌الاجل فشرده ۲۰۲۸ بازطراحی و بازاستفاده کرده‌اند. در این مأموریت از ماژول رانش و توان (PPE) که در اصل برای ایستگاه فضایی «دروازه ماه» ساخته شده بود، در ترکیب با ماژول توان هسته‌ای جدید استفاده شده است. این تدبیر فنی، محدوده طراحی‌های نوظهور را تنها به رآکتور و سامانه‌های تبدیل توان محدود می‌کند.[5]

سامانه تبدیل توان به تنهایی یک چالش مهندسی دشوار است، زیرا باید در خلأ کامل فضا و بدون بهره‌مندی از آب خنک‌کننده نیروگاه‌های زمینی کار کند. سازوکار چرخه بسته برایتون با گردش یک گاز، گرما را مستقیماً به الکتریسیته بدل می‌سازد و نیاز به سیالات خنک‌کننده سنگین را از میان برمی‌دارد. با این حال، بهینه‌سازی جرم در این سازوکار همچنان محدودیت اصلی مهندسان برای پرتاب مداری است.[1][5]

پایداری انرژی پایگاه دائمی ماه

فناوری در حال تکوین «اس‌آر-۱ فریدام» به عنوان پایه‌ای برای اهداف بلندمدت ناسا در سطح ماه نیز به کار گرفته می‌شود. دو نهاد هم‌زمان روی پروژه «رآکتور ماه-۱» کار می‌کنند؛ یک سامانه شکافت سطحی که بر اساس الزامات تعیین‌شده باید تا سال ۲۰۳۰ عملیاتی شود. هدف این رآکتور، فراهم‌ساختن مداوم بار پایه الکتریکی برای سرپا نگه‌داشتن پایگاه دائمی ماه در طول شب‌های دوهفته‌ای و منجمدکننده آن است.[2][3]

رآکتور سطحی ماه ظرفیتی معادل ۴۰ کیلووات برق خواهد داشت که می‌تواند برق مصرفی ۳۰ خانه مسکونی معمولی را به مدت یک دهه تأمین کند. این سامانه به طور خودکار به کار خود ادامه می‌دهد و توان موردنیاز زیستگاه‌ها، آنتن‌های ارتباطی، تجهیزات علمی و ماه‌نوردها را مهیا می‌سازد. وزارت انرژی هم‌اکنون پیمانکاران صنعتی را برای بهینه‌سازی طرح و تطبیق آن با استانداردهای محدودیت وزن به همکاری گرفته است.[4][6]

برای حمل تا سطح ماه، کل مجموعه رآکتور ۴۰ کیلوواتی باید کمتر از ۶ هزار کیلوگرم وزن داشته باشد تا فرودگرهای تجاری ماه بتوانند آن را منتقل کنند. سامانه طراحی‌شده همچنین باید از جنبه پرتوزایی کاملاً مهار باشد، به نحوی که تراز تابش آن در فاصله یک کیلومتری حداکثر به ۵ رم در سال برسد تا ایمنی تجهیزات مجاور و آسایش فضانوردان در پایگاه تضمین شود.[6]

آیزاکمن در ادامه افزود: «اقداماتی که امروز پیش می‌بریم، شالوده فضاپیماهای مجهز به شکافت هسته‌ای آینده را می‌سازد و افق کاملاً جدیدی در اکتشافات کیهانی باز می‌کند.» او پرتاب آتی «اس‌آر-۱ فریدام» را با مأموریت آغازین زیردریایی اتمی یواس‌اس ناتیلوس مقایسه کرد؛ سازه‌ای که در نیمه قرن بیستم تحولی بنیادین در عملیات دریانوردی پدید آورد.[3][4]

گسترش کاربرد باتری‌های رادیوایزوتوپی

همکاری ناسا و وزارت انرژی تنها به رآکتورهای فعال شکافت محدود نمی‌شود و شامل سامانه‌های دیرپای باتری‌های رادیوایزوتوپی نیز هست. این مولدها گرمای طبیعی ناشی از واپاشی مواد رادیواکتیو را به برقی پایدار بدل می‌کنند و دهه‌ها است که کاوشگرهای اعماق فضا نظیر فضاپیماهای وویجر و کاوشگر کنجکاوی را زنده نگه داشته‌اند.[3][4]

بر پایه توافق تازه، وزارت انرژی بسته‌های تأمین توان و واحدهای گرمایشی رادیوایزوتوپی را برای چند مأموریت پرچم‌دار آینده فراهم خواهد ساخت. این طرح‌ها شامل پهپاد چرخان «درگن‌فلای» ناسا است که در سال ۲۰۲۸ به سوی قمر تیتان زحل خواهد رفت، و مریخ‌نورد «روزالیند فرانکلین» متعلق به آژانس فضایی اروپا. این باتری‌ها محافظت از ابزارهای حساس در سرمای طاقت‌فرسای این اقلیم‌ها را بر عهده دارند.[3]

سرهم‌بندی و تجمیع ماژول انرژی هسته‌ای در مرکز تحقیقات گلن، شروع فاز آزمایش‌های فیزیکی سنگین برای «اس‌آر-۱ فریدام» خواهد بود. مهندسان موظفند مکانیزم‌های انتقال حرارت را به محک بگذارند و مطمئن شوند مبدل‌های چرخه برایتون در شرایط شبیه‌سازی‌شده خلأ فضا به شکل پایدار و دقیق با هسته رآکتور آزمایشگاه ملی آیداهو پیوند می‌خورند.[1][5]

عملکرد فضاپیمای «اس‌آر-۱ فریدام» سرعت استقرار کاروان‌های بعدی فضاپیماهای هسته‌ای-الکتریکی را در سراسر منظومه شمسی تعیین خواهد کرد. اگر پرواز این مدل آزمایشی در سال ۲۰۲۸ طبق برنامه پیش برود، معماری مبتنی بر شکافت به الگوی استاندارد بشر برای پیشروی در فضا بدل خواهد شد و انرژی سرشار لازم برای بقای پایگاه‌ها در مریخ و سفر به سیارات بیرونی را تضمین می‌کند.[2][3]