"هر چیزی که ما در مورد سفر فضایی می دانیم ظرف یک دهه تغییر خواهد کرد": پیشرفت در همجوشی که می تواند مسیری به سوی ستاره ها را باز کند.

سفرهای فضایی با نیروی همجوشی مدت‌ها وعده سفرهای سریع در سراسر منظومه شمسی را داده است: مریخ در هفته، زحل در ماه، پلوتون در سال.

برای چندین دهه، چنین احتمالاتی مانند چیزی که از یک رمان علمی تخیلی بیرون کشیده شده است، نظری باقی مانده است. اما چندین شرکت در حال حاضر برای ساخت موتورهای پیشرانه همجوشی هسته‌ای عملی کار می‌کنند که نقاط عطف قابل توجهی در این زمینه حاصل شده است.

Pulsar Fusion، یک استارت آپ مستقر در بریتانیا، امیدوار است که در سال 2027 یک ماموریت نمایشی به فضا راه اندازی کند، در حالی که دانشگاه پرینستون و هلیسیتی اسپیس در ایالات متحده به کار خود بر روی درایوهای فیوژن ادامه می دهند.

ریچارد دینان، مدیر عامل Pulsar Fusion، فضاپیمای Sunbird را در تاسیسات این شرکت در بلچلی، انگلستان به نمایش می گذارد. (اعتبار تصویر: Pulsar Fusion) اگر هر یک از این تلاش‌ها موفقیت‌آمیز باشد، می‌توان ماموریت‌های منظومه شمسی برای ربات‌ها و انسان‌ها را مانند قبل باز کرد و ما را به یک گونه واقعی فضاپیما تبدیل کرد.

استفان لینتنر، مدیرعامل و یکی از بنیانگذاران هلیسیتی اسپیس، به لایو ساینس گفت: «اگر به مسیر فعلی ادامه دهیم، همه چیزهایی که در مورد سفر فضایی می‌دانیم ظرف یک دهه تغییر خواهد کرد.

اما آیا این خیلی خوب است که درست باشد؟ آیا رویای پیشرانه همجوشی هسته‌ای می‌تواند به طور کامل محقق شود، یا این یک فانتزی کتاب طراحی باقی خواهد ماند؟ پس از دهه‌ها رویاپردازی، ممکن است در آستانه کشف این موضوع باشیم.

قدرت فیوژن

همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که در آن دو اتم با هم ترکیب می‌شوند و اتم سنگین‌تری را تشکیل می‌دهند و انرژی اضافی را به شکل نور و گرما آزاد می‌کنند. شناخته شده ترین نوع همجوشی فرآیندی است که در داخل خورشید تا دمای 27 میلیون درجه فارنهایت (15 میلیون درجه سانتیگراد) رخ می دهد، جایی که اتم های هیدروژن برای تشکیل هلیوم ذوب می شوند.

اگر بتوان این فرآیند را روی زمین تکرار کرد، انرژی زیادی برای ما فراهم می‌کرد. لینتنر گفت: جام مقدس انرژی رایگان برای همه است. کل شهرها و کشورها دگرگون خواهند شد و عصر جدیدی از قدرت پاک و فراوان به وجود خواهند آمد.

آزمایش‌ها و آزمایش‌های زیادی انجام شده است، و آزمایش‌های همجوشی بزرگ، مانند راکتور آزمایشی حرارتی هسته‌ای بین‌المللی (ITER) در فرانسه، در دست ساخت هستند. با این حال، راکتورهای همجوشی تجاری قابل دوام هنوز ساخته نشده اند. یکی از مشکلات اصلی حفظ پلاسمای متلاطم و فوق داغ مورد نیاز برای همجوشی محدود و در دمای مناسب است. رکورد در حال حاضر 22 دقیقه است.

اگر همین مفهوم را بگیرید و آن را در فضا قرار دهید، ناگهان وسیله ای برای نیرو دادن به یک فضاپیما خواهید داشت. علاوه بر این، مشکلات مشابه در حفظ پلاسما ایجاد نمی شود. در عوض، پلاسما را می‌توان از فضاپیما پرتاب کرد و نیروی رانش ثابتی را فراهم کرد که می‌توان از آن برای شتاب دادن فضاپیما به سرعت‌های بسیار زیاد در خلاء بدون اصطکاک فضا استفاده کرد.

بووانا سرینیواسان، استاد هوانوردی و فضانوردی در دانشگاه واشنگتن، به لایو ساینس گفت: «پیش‌رانش فیوژن از برخی جهات سخت‌تر و از برخی جهات آسان‌تر از تولید انرژی زمینی است.

یک فضاپیما با نیروی همجوشی می تواند از طریق این روش تا صدها - یا حتی هزاران - مایل در ثانیه شتاب بگیرد، چندین برابر سریعتر از هر فضاپیما در تاریخ. در خوشبینانه ترین سناریو، چنین فضاپیمایی می تواند به کسرهای قابل توجهی از سرعت نور برسد و سفر بین ستاره ای را امکان پذیر کند.

البته چالش های بزرگی وجود دارد. یک راکتور همجوشی مبتنی بر فضا باید به اندازه کافی کوچک باشد تا در داخل یک فضاپیما روی موشک قرار گیرد. این کار آسانی نیست، با توجه به اینکه راکتورهای همجوشی مانند ITER به اندازه خانه ها هستند. شما همچنین به راهی برای ایجاد گرمای بی‌نظیر مورد نیاز برای همجوشی، منبع سوخت و پیشرانه، و آهن‌رباهای قدرتمند برای جلوگیری از سوختن پلاسما در دیواره‌های موتور نیاز دارید.

پیشرانه همجوشی از برخی جهات سخت تر و از برخی جهات آسان تر از تولید انرژی زمینی است.

بووانا سرینیواسان، استاد هوانوردی و فضانوردی در دانشگاه واشنگتن

تولید نیروی رانش معنی دار به تعداد شگفت انگیزی از واکنش های همجوشی در هر ثانیه نیاز دارد. یک کوئینتیلیون واکنش حدود 10 نیوتن نیروی رانش ایجاد می کند - معادل وزن یک بطری 1 لیتری آب در دست شما. اما یک موتور با نیروی همجوشی می‌تواند این نیروی رانش را برای ماه‌ها به جای چند دقیقه برای پیشرانه‌های شیمیایی معمولی فراهم کند و در نهایت به سرعت‌های زیادی دست یابد.

در نگاه اول، این ممکن است تقریبا غیرممکن به نظر برسد، اما برخی از آزمایشات اخیر نشان داده اند که می تواند قابل قبول باشد

اول پلاسما

در ماه مارس، Pulsar Fusion برای اولین بار "اولین پلاسما" را در داخل یک موتور همجوشی هسته ای به نمایش گذاشت. در این آزمایش که در تاسیسات این شرکت در بلچلی انجام شد، یکی از موتورهای سان‌برد Pulsar برای مدت کوتاهی گاز کریپتون را به پلاسما تبدیل کرد و نشان داد که چگونه این شرکت ممکن است پلاسما را در سیستم اگزوز خود محدود کند.

ریچارد دینان، مدیرعامل و موسس این شرکت، به لایو ساینس گفت: این نمایش نشان داد که "پلاسما در سیستمی که شما می خواهید در آن قرار می گیرد قرار می گیرد" که توسط یک میدان الکترومغناطیسی محدود شده است. اکنون کار دشوار این است که بتوانیم پلاسما را تا دمای نزدیک به همجوشی گرم کنیم.

یک مدل نمایشگر از موتور Pulsar Sunbird که در ماه مارس به طور خلاصه گاز کریپتون را به پلاسما تبدیل کرد. (اعتبار تصویر: Pulsar Fusion.) دینان Pulsar Fusion را در سال 2011 با هدف ساخت یک پیشرانه با نیروی همجوشی تأسیس کرد. طرح این شرکت این است که هلیوم-3 و دوتریوم، شکل سبک تر هلیوم و شکل سنگین تر هیدروژن را با هم ترکیب کند و از انرژی تولید شده برای گرم کردن هلیوم-4 و بیرون راندن آن به عنوان پیشران برای تولید نیروی رانش استفاده کند. دینان گفت، میزان رانشی که می‌توان تولید کرد به این بستگی دارد که «چقدر در منحرف کردن آن ذرات از پشت فضاپیما خوب هستید».

و در حال حاضر، هیچ کس نمی داند که ما چقدر می توانیم کارآمد باشیم."

دینان گفت که فقط چند صد گرم سوخت دوتریوم و هلیوم-3 برای حفظ فرآیند همجوشی در سفر به مریخ مورد نیاز است، اما او ادعا می کند که موشک آنها به 10 تا 20 متریک تن (11 تا 22 تن آمریکا) پیشران دوتریوم نیاز دارد تا نیروی رانش را برای رسیدن به سرعت های بالا فراهم کند.

اگر آنها بتوانند آن را به نتیجه برسانند، برنامه های آنها بلندپروازانه است. این شرکت ناوگانی از وسایل نقلیه Sunbird خود را تصور می کند که از منظومه شمسی عبور می کنند، افراد و محموله ها را با سرعتی تا 329000 مایل در ساعت (529000 کیلومتر در ساعت) به مقصد می برند که حدود 10 برابر سریعتر از فضاپیمای وویجر 1 است که در حال حاضر خارج از منظومه شمسی حرکت می کند.

با این سرعت‌ها - که فورا به آنها نمی‌رسد، زیرا فضاپیما به ماه‌ها برای شتاب و کاهش سرعت نیاز دارد - زمان سفر به مریخ می‌تواند از 9 ماه پیش‌رانش شیمیایی معمولی به نصف کاهش یابد. وزن را می توان برای تجهیزات آزاد کرد زیرا همجوشی کارآمدتر است و به سوخت کمتری نیاز دارد. ماموریت‌های سریع‌تر به مقاصد دورتر، مانند قمر زحل، تیتان یا سیارک غنی از فلز روان، نیز در دسترس هستند.

دینان گفت: "من فکر می کنم ما به زودی فیوژن را به عنوان یک پیشرانه خواهیم دید." تقاضا قطعا وجود دارد.»

یک میلیارد درجه

روش رانش Pulsar Fusion به عنوان همجوشی مستقیم دوگانه شناخته می‌شود، که در آن پلاسمای حاصل از فرآیند مستقیما برای تأمین نیروی رانش استفاده می‌شود. ساموئل کوهن، استاد فیزیک در دانشگاه پرینستون، به عنوان بخشی از پروژه ای به نام Starfire بر روی مفهوم مشابهی، Direct Fusion Drive کار می کند.

کوهن و تیمش بیش از 20 سال است که در حال بررسی این مفهوم هستند. ایده آنها ترکیب دوتریوم و هلیوم 3 است که در زمین کمیاب است اما در ماه فراوان است. تیم او یک نمونه اولیه رانشگر همجوشی در پرینستون ساخته است که پلاسمای آن به 18 میلیون فارنهایت (10 میلیون درجه سانتیگراد) می رسد.

کوهن به لایو ساینس گفت: «این یک شروع است، اما باید به یک میلیارد درجه سانتیگراد رسید تا همجوشی دوتریوم و هلیوم-3 اتفاق بیفتد. چند رویکرد امیدوارکننده برای رسیدن به این دماها وجود دارد، از جمله له کردن پلاسما یا گرم کردن آن با پرتوهای رادیویی یا نوترونی.

کوهن مدعی است که تیم با استفاده از پلاسمای فعلی خود، مقدار کمی رانش را نشان داده است - چند میلی گرم یا چند صد هزارم نیوتن. اکنون، آنها امیدوارند که بودجه بیشتری برای پیشبرد مفهوم خود دریافت کنند. کوهن گفت: «ما برای شروع کار به چند میلیون دلار نیاز داریم.

کوهن گفت که با پشتیبانی کافی، آنها می توانند در 10 تا 20 سال یک سیستم پیشرانش همجوشی کارآمد داشته باشند. در همین حال، Pulsar Fusion، که از سوی آژانس فضایی اروپا و سازمان انرژی اتمی بریتانیا حمایت شده است، امیدوار است تا سال 2027 نمایشی از رانشگرهای خود را در مدار انجام دهد.

Helicity Space قصد دارد سیستم پیشرانش فیوژن خود را در دهه 2030 پرتاب کند. این شرکت که در سال 2023 5 میلیون دلار جمع‌آوری کرد، در حال توسعه Helicity Drive است که برای تامین نیروی رانش به جای همجوشی مداوم، به پالس‌های پلاسما متکی است.

تصویر یک هنرمند از Helicity Drive Helicity Space. (اعتبار تصویر: ناسا/رایان وید) لینتنر می گوید: «اگر هر چند ثانیه یک واکنش نشان دهید، این یک آزمایش علمی شگفت انگیز روی زمین است، اما نمی توانید کاری با آن انجام دهید. "در فضا، شما پیشرفته ترین پیشرانه الکتریکی را دارید که تا به حال ساخته شده است. شما بازی را با پیشرانه تغییر می دهید."

لینتنر گفت که این شرکت در نظر دارد "درجه حرارت همجوشی را خیلی خیلی زود به دست آورد" و سپس "در حال برنامه ریزی برای پرواز اولین نمونه اولیه ظرف سه سال است." تا سال 2030، Lintner امیدوار است به سود خالص در موتورهای همجوشی خود دست یابد - با تولید انرژی بیشتر از مقدار مصرف شده - تا یک درایو فیوژن واقعی آماده برای استفاده در فضا داشته باشد.

بین ستاره ای رفتن

اما همه متقاعد نشده اند که درایوهای همجوشی ما را از طریق منظومه شمسی به پیش می برند. جان اسلو، که روی طراحی موشک همجوشی خود به نام موشک فیوژن رانده (FDR) کار می کند، گفت که از "وعده های دروغین" در این زمینه محتاط است. او خاطرنشان کرد که بسیاری از فیزیک اساسی در مورد پیشرانه همجوشی بسیار دشوار است.

سرینیواسان گفت: «هنوز برای ما به کشف علمی وابسته است. "ما باید بفهمیم که چگونه این سوخت را پایدار نگه داریم؟ آیا بسیاری از چالش های مهندسی و علمی را مرتب کرده ایم؟ سال آینده این اتفاق نخواهد افتاد."

وی افزود، چالش‌های باقی‌مانده نه تنها شامل پایدار نگه داشتن پلاسما، بلکه ایجاد دیواره‌هایی است که می‌توانند به اندازه کافی پلاسما را در خود جای دهند و سیستم همجوشی را برای قرار گرفتن در داخل یک فضاپیما کوچک می‌کند.

سایر اشکال پیشران هسته ای ممکن است امیدوارکننده تر باشد. ناسا در حال توسعه SR-1 Freedom است، فضاپیمایی که از شکافت هسته ای نیرو می گیرد، نه همجوشی. هدف این فضاپیما، که در ماه مارس اعلام شد، پرتاب به مریخ تا دسامبر 2028 است، جایی که سه هلیکوپتر رباتیک کوچک برای کاوش در سطح فرستاده خواهند شد. راکتور شکافت اورانیوم 235 را برای تولید نیروی رانش تقسیم می کند.

مسیر پرواز برنامه ریزی شده کشتی SR-1 Freedom. (اعتبار تصویر: ناسا) استیون سیناکور، مدیر برنامه آزادی راکتور فضایی-1 در ناسا، در پاسخ به سوالات از طریق ایمیل به Live Science گفت: "SR-1 Freedom راه را برای سخت افزار هسته ای فضایی هموار خواهد کرد." این کشور برای حفظ حضور در ماه، فرستادن خدمه به مریخ و کاوش در منظومه شمسی بیرونی، به نیرویی نیاز دارد که در همه جا، مستقل از خورشید کار کند، و شکافت همان قدرت است.

با این حال، پیشرانه مبتنی بر شکافت، در حالی که بسیار مفید است، نمی تواند با سرعت های وعده داده شده توسط پیشرانه های همجوشی برابری کند. این به این دلیل است که سیستم های همجوشی پلاسما را به صورت مغناطیسی محدود می کنند، به این معنی که می توان به دمای بسیار بالاتری رسید. در مقابل، دمای شکافت توسط مواد راکتوری که واکنش‌های شکافت در آن انجام می‌شود، محدود می‌شود.

با این حال، اگر هر یک از مفاهیم همجوشی پیشنهادی به واقعیت تبدیل شود، احتمالات بسیار زیاد خواهد بود. سال گذشته، النا آنکونا، مهندس دینامیک پرواز در دانشگاه پلی‌تکنیک باری در ایتالیا، و همکارانش توضیح دادند که چگونه یک درایو همجوشی مستقیم می‌تواند مأموریت به سدنا، یک سیاره کوتوله یخی دورافتاده را فراتر از نپتون انجام دهد. برای آن مأموریت، زمان از اهمیت بالایی برخوردار است.

تصویرسازی یک هنرمند از سدنا. این سیاره کوتوله که به نام الهه دریاهای اینوئیت نامگذاری شده، یکی از دورترین مدارهای منظومه شمسی را دارد که بسیار فراتر از پلوتون کشیده شده است. (اعتبار تصویر: CoreyFord از طریق Getty Images)

انحصاری Live Science Pro

یک محقق باسابقه می گوید: "ما فقط هر 130 سال یک بار با آن روبرو می شویم": یک حفره بزرگ جدید در ماه می تواند به معنای یک جهش بزرگ برای علم ماه باشد.

تونی تایسون، دانشمند ارشد، می‌گوید: «این بیش از یک امید است، یک تضمین است».

ارتش ایالات متحده تسلیحات در مدار را تأیید می کند: چرا توقف یک «مسابقه تسلیحاتی» فضایی می تواند بسیار سخت باشد

این سیاره کوتوله در سال 2075 به نزدیکترین نقطه خود به خورشید خواهد رسید و تا 11000 سال دیگر دیگر به این نزدیکی نخواهد رسید. آنکونا گفت: «اگر بخواهیم این مأموریت را انجام دهیم، یا اکنون یا 11000 سال دیگر است. با یک فضاپیمای شیمیایی سنتی، یک ماموریت باید 30 سال قبل پرتاب شود. اما با پیشرانه فیوژن، می تواند تنها در 10 سال به سدنا برسد.

اگر پیشرانه همجوشی به واقعیت تبدیل شود، مقاصد بسیاری در دسترس خواهند بود. شاید حتی سفر بین ستاره‌ای بسیار پایین‌تر ممکن باشد. لینتنر گفت: «مردم از دهه 1960 می‌دانستند که همجوشی پاسخی برای سفر در اعماق فضا است. تنها در دهه گذشته است که از نظر تجاری، مردم شروع به صرف زمان زیادی برای شکستن کد فیوژن کردند.

اما راه درازی در پیش است. لینتنر گفت: «این برای افراد ضعیف نیست. اما اگر قرار است پیشرانه فیوژن اتفاق بیفتد، چند سال آینده به اندازه هر زمان دیگری شرط خوبی به نظر می رسد.

به ما در بهبود Live Science Pro کمک کنید: ما همیشه در تلاش هستیم تا محتوای خود را بهتر کنیم. نظرات خود را در مورد Pro در اینجا برای ما بگذارید.