پیشرانش لیزری ـ حرارتی فضاپیمای آینده
پیشرانش لیزری ـ حرارتی نخستین‌بار در دهه ۱۹۷۰ با استفاده از لیزرهای کربن دی اکسید (CO2) با طول موج ۶ر۱۰ میکرون مورد مطالعه قرار گرفت که در آن زمان در نوع خود قدرتمندترین بود. لیزرهای امروزیِ نوری ـ فیبری با طول موج یک میکرون را می‌توان در آرایه‌های فازی موازی و حجیم با هم ترکیب کرد تا در مجموع به قطر مؤثر و بزرگی برسند. بدین ترتیب می‌توانند انرژی را تا ۲ مرتبه بزرگی (۱۰ ۲) دورتر بفرستند. پیشرانش لیزری ـ حرارتی که اکنون برای سفر به مریخ پیشنهاد شده از این ویژگی برخوردار است و بردی حدود ۵۰ هزار کیلومتر دارد.
یکی از بزرگ‌ترین مزایای یک مأموریت فضایی که نیروی محرکه‌اش از طریق پیشرانش لیزری ـ حرارتی تأمین می‌شود این است که در آن نسبت جرم به انرژی بسیار کم است، یعنی نسبت به جرمش انرژی بسیار کمی مصرف می‌کند، میزانی بسیار کمتر از انرژی مصرفی در فناوری‌های پیشرانش هسته‌ای پیشرفته. علت در این است که منبع انرژی در زمین ثابت می‌ماند و جریان انرژی که به فضاپیما می‌رسد توسط یک بازتابنده کم‌جرم بادی متصل به فضاپیما پردازش می‌شود.
***
در سال ۲۰۱۸ ناسا مهندس‌های هوا فضا را به یک چالش دعوت کرد تا هم مأموریتی را به سوی مریخ طراحی کنند که بتواند در عرض ۴۵ روز دست‌کم ۱۰۰۰ کیلوگرم وزن و بار مفید فضاپیما را به سیاره سرخ برساند و هم سفرهای طولانی‌تری در اعماق منظومه شمسی و خارج از آن به انجام برسانند. علت تعیین مدت زمان کوتاه برای انتقال فضاپیما به مریخ این است که ناسا مایل است فضاپیماهای مختلف و روزی خود فضانوردها را در شرایطی به مریخ روانه کند که حتی‌الامکان در معرض کم‌ترین آسیب‌های ناشی از پرتوهای کیهانی و طوفان‌های خورشیدی قرار گیرند. «اسپیس ایکس» (Space X)، شرکت فناوری‌های اکتشاف فضایی که مؤسس آن ایلان ماسک است رویای سفر انسان به مریخ را سوار بر موشک‌هایی با سوخت شیمیایی و طی مدت زمان شش ماه در سر دارد.
از سوی دیگر، دانشمندان «دانشگاه مک گیل» در کانادا مأموریتی لیزری را برای سفر به مریخ پیشنهاد کرده‌اند که قرار است با پیشرانش لیزری ـ حرارتی فاصله بین زمین تا مریخ را بپیماید.
آرایه‌ای از نور لیزر مادون قرمز مستقر در زمین به قطر ۱۰ متر که پرتوهای مادون قرمز نامرئی زیادی در ترکیب آن هستند و هر کدام طول موجی در حدود یک میکرون دارند، در مجموع ۱۰۰ مگاوات انرژی تولید می‌کنند. این مقدار انرژی الکتریکی معادل برق مورد نیاز حدود ۸۰ هزار خانوار است. پیشرانش لیزری ـ حرارتی برای مأموریت‌های سریع با ظرفیت حمل یک تُن وزن مناسب است و آرایه‌های لیزری در این روش به اندازه زمین والیبال هستند.
فضاپیما در یک مدار بیضی شکل به دور زمین می‌گردد و بازتابنده‌ای خواهد داشت که پرتو لیزری را که از زمین تابانده می‌شود به سوی یک اتاقک یا محفظه گرمایشی حاوی پلاسمای هیدروژن هدایت می کند. سپس هسته محفظه به قدری داغ می‌شود که به دمای ۴۰ هزار درجه کِلوین، معادل ۷۲ هزار درجه فارنهایت می‌رسد. گاز هیدروژنی که در مرکز هسته به جریان می‌افتد به دمای ۱۰ هزار درجه کلوین، معادل ۱۸ هزار درجه فارنهایت خواهد رسید. سپس این گاز با فشار از دهانه خروجی (نازل) خارج می‌شود و نیروی پرتابی ایجاد می‌کند که فضاپیما پس از ۵۸ دقیقه با فشار آن از مدار زمین شروع به دور شدن می‌کند. پیشرانه‌های جانبی، حین این که زمین به دور خود می‌چرخد فضاپیما را هم‌تراز با پرتو لیزر قرار می‌دهند.
زمانی‌که پرتوافکنی لیزر متوقف می‌شود، فضاپیما با انرژی زیاد و با سرعت ۱۷ کیلومتر در ثانیه از مدار زمین دور می‌شود. سرعت به قدری زیاد است که تنها در عرض هشت ساعت از نزدیکی مدار ماه نیز عبور می‌کند. سرانجام وقتی پس از گذشت یک ماه و نیم به جو مریخ می‌رسد، هنوز با سرعت ۱۶ کیلومتر در ثانیه طی مسیر می‌کند. زمانی که به مریخ می‌رسد، قرار دادن آن در مدار ۱۵۰ کیلومتری مریخ مشکلی جدی خواهد بود که مهندس‌ها باید راهی برای حل آن پیدا کنند.
دشواری کار از آن جهت است که فضاپیما نمی‌تواند سوخت رانشی شیمیایی را که برای پرتاب موشک لازم است با خود حمل کند، چون فقط با پرتاب موشک می‌تواند سرعت خود را کم کند. سوخت مورد نیاز برای پرتاب موشک به میزان ۶ درصد از جرم اولیه فضاپیما که ۱۰۰۰ کیلوگرم است کم خواهد کرد. تا روزی که انسان بتواند در سیاره سرخ یک آرایه لیزری مشابه بسازد و بازتابنده و اتاقک پلاسمای فضاپیمای ورودی از آن به عنوان نیروی پرتابه معکوس استفاده کند، «آئروکپچر» (aerocapture)تنها راه کاستن سرعت فضاپیما در مریخ خواهد بود. آئروکپچر نوعی مانور انتقال مداری است که به منظور کاهش سرعت یک فضاپیما و انتقال آن از یک مسیر هذلولی به یک مدار بیضی شکل استفاده می‌شود. حتی در آن موقعیت نیز آئروکپچر در اتمسفر مریخ می‌تواند یک مانور خطرناک و غیر قطعی باشد. فضاپیما کاهش سرعتی را به میزان ۸ گرم در جرم خود و فقط برای چند دقیقه تجربه خواهد کرد؛ چون فقط یک گردش به دور مریخ داشته است. به علاوه، جریان‌های حرارتی بزرگی در اثر اصطکاک با جو در فضاپیما ایجاد خواهند شد که فراتر از تحمل مواد تشکیل دهنده رایج در ساخت سیستم‌های حفاظت از حرارت فضاپیما خواهند بود، اما موادی که در حال حاضر برای ساخت سیستم‌های مقاوم در برابر گرما ساخته می‌شوند نسبت به جریان‌های حرارتی اصطکاک جوی مقاوم هستند.
پیشرانش لیزری ـ حرارتی برای ارسال یک فضاپیما به اعماق فضا، مریخ و فراتر از اینها، با دیگر روش‌های انتقال پیشنهاد شده مانند پیشرانش لیزری ـ الکتریکی متفاوت است. در پیشرانش لیزری ـ الکتریکی یک پرتو لیزر به سلول‌های خورشیدی (فتوولتائیک) که در پشت فضاپیما تعبیه شده‌اند برخورد می‌کند. یکی دیگر از روش‌هایی که برای تأمین نیروی محرکه فضاپیمای عازم مریخ پیشنهاد شده‌است پیشرانش خورشیدی ـ الکتریکی است که از طریق تابش نور خورشید بر سلول های فتوولتائیک و ایجاد نیروی پرتابه میسر می‌شود. روش دیگر پیشرانش هسته ای ـ الکتریکی است که در آن الکتریسیته ایجاد شده توسط رآکتور هسته‌ای، یون‌هایی تولید می‌کند که از یک پیشرانه به بیرون رانده می‌شوند. بالاخره روش پیشنهادی دیگر پیشرانش هسته‌ای ـ حرارتی است. در این روش، گرمای حاصل از یک رآکتور هسته‌ای مایع را به گازی تبدیل می‌کند که از دهانه خروجی یا نازل بیرون می‌زند و نیروی پیشرانش فراهم می‌شود.
احتمالاً نخستین انسانی‌های میهمان مریخ با فناوری پیشرانش لیزری ـ حرارتی به این سیاره نروند، اما با توجه به این‌که پیش‌بینی می‌شود مسافرهای مریخ بیشتر و بیشتر شوند تا در آنجا تشکیل یک کلونی انسانی را بدهند، به سیستم‌های پیشرانشی نیاز خواهد بود که سریع‌تر این حمل و نقل میان سیاره‌ای را انجام دهند.

code