فراتر از کهکشان؛ چطور به سفر میان ستاره‌ای دست بیابیم؟ قسمت دوم

سفر میان ستاره‌ای

در قسمت اول مجموعه فراتر از کهکشان خواندید که سفر میان ستاره‌ای چه اهمیتی برای ساکنین زمین دارد. علاوه بر آن نزدیک‌ترین مقاصد پروازهای میان ستاره‌ای را هم شناختید. نزدیکترین ستاره به منظومه شمسی ما، پروکسیما کنتاوری است که سامانه آن ستاره‌های مهم دیگری هم دارد؛ مثلا شبیه‌ترین ستاره به خورشید در بین ستاره‌های نزدیک به زمین. بعد از آن هم سراغ معرفی روش‌های مرسوم سفرهای میان ستاره‌ای رفتیم؛ روش‌هایی که همین امروز هم می‌توانیم با آنها به محیط میان ستاره‌ای سفر کنیم. اما مشکل اینجاست که چندهزار سال دیگر به مقصد خواهیم رسید!

در قسمت دوم، سایر روش‌های سفرهای میان ستاره‌ای را معرفی خواهیم کرد. روش‌هایی که با استفاده از فناوری‌های فعلی طراحی شده‌اند و روش‌هایی که جنبه نظری دارند و فناوری مورد نیاز آنها هنوز ساخته نشده است. ما نمی‌دانیم کدامیک از این روش‌ها ما را به محیط میان ستاره‌ای خواهد رساند اما هیچ چیزی مهمتر از رسیدنمان به آنجا وجود ندارد! با آرادمگ همراه باشید.

روش‌های احتمالی سفر میان ستاره‌ای

در حال حاضر روش‌های زیادی برای ساخت فضاپیما با استفاده از فناوری‌های ثابت شده و برای کاهش مدت زمان رسیدن به مقصد میان ستاره‌ای وجود دارد. این فناوری‌ها بهترین انتخاب‌ها هستند چون میزان تکانه خاص آنها بالاست و در نتیجه می‌توانند با حداقل هزینه حداکثر انرژی را از منبع سوختشان استخراج کنند.

هر فضاپیمایی در صورت داشتن زمان و انرژی کافی می‌تواند به سرعت نسبیتی(کسر کوچکی از سرعت نور) برسد. روش‎‌های زیادی هم برای تامین این زمان و انرژی وجود دارد اما همه آنها پرهزینه هستند. هیچکدام از روش‎های سفر میان ستاره‌ای که در ادامه می‎خوانید، تابحال ساخته نشده‌اند و دستیابی به آنها نیازمند تلاش‌های مهندسی پیچیده و هزینه‌های بالاست.

پیشرانه اتمی الکتریکی/اتمی حرارتی

ناسا و سایر آژانس‌های فضایی برای اجرای ماموریت‌های طولانی مدت به مقصد مریخ و سایر سیارات دور از زمین، کار روی پیشرانه اتمی را آغاز کردند. این پیشرانه‌ها سوخت کمی مصرف می‌کنند و در عین حال تولید انرژی زیاد و رانش بالا دارند. با این وجود مهمترین ویژگی آنها، ثابت شده بودن فناوری راکتور اتمی است.

کاربردهای راکتورهای اتمی در ساخت فضاپیما را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: پیشرانه اتمی حرارتی (NTP) و پیشرانه اتمی الکتریکی (NEP). در پیشرانه اتمی حرارتی از همان روش مرسوم راکتورها استفاده می‌شود. هیدروژن مایع با تجزیه عناصر رادیواکتیو گرم می‌شود و بعد از تبدیل به گاز یونیزه شده وارد نازل می‌شود تا رانش ایجاد بشود. در پیشرانه اتمی الکتریکی، یک راکتور اتمی برای روشن کردن موتور الکتریکی گرما را به انرژی تبدیل می‌کند.

در هر دو حالت، موشک برای تولید پیشرانه به همجوشی هسته‌ای وابسته است نه سوخت شیمیایی. این روش نسبت به سایر روش‌های مرسوم مزایایی دارد که مهمترین آنها مصرف بهینه سوخت است.

پیشرانه‌های اتمی در مقایسه با موشک‌های شیمیایی و موتورهای یونی، تراکم انرژی تقریبا نامحدود و تراست یا رانش بیشتری دارد. این یعنی فضاپیما می‌تواند عامل موشک کمتری حمل کند که به نوبه خود فضاپیما را کوچکتر و فضای حمل بار و سایر اجزا را بیشتر می‌کند.

تابحال از موتورهای NTP و NEP به عنوان بخشی از فضاپیما استفاده نشده اما طرح‎های اولیه و پیشنهادهایی برای ساخت این نوع فضاپیما ارائه شده است.

علیرغم این مزایا در زمینه مصرف بهینه سوخت و تراست بیشتر، حداکثر تکانه خاص پیچیده‌ترین موتورهای NTP فقط ۵۰۰۰ ثانیه است. ناسا پیش‌بینی کرده با این قدرت رانش، رسیدن فضاپیما به مریخ ۹۰ روز طول خواهد کشید.

اما اگر بخواهیم همین فناوری را برای سفر میان ستاره‌ای به سامانه پروکسیما کنتاوری آماده کنیم، رسیدن موشک اتمی به سرعت نسبیتی چند قرن و رسیدنش به مقصد هم هزار سال طول خواهد کشید. شاید موشک‌های اتمی بهترین ابزار برای اکتشاف در منظومه شمسی باشند اما محدودیت‌های زیادی برای پرواز میان ستاره‌ای دارند.

پیشرانه پالس اتمی

پیشرانه پالس اتمی یکی از روش‌های موجود برای سفر میان ستاره‌ای است

این یکی دیگر از روش‌های پیشرانه‌ای متکی به راکتور اتمی است که نسبت به دو روش دیگری کنترل‌شدگی کمتری دارد. پیشرانه پالس اتمی از یک فضاپیمای بزرگ تشکیل می‌شود که دستگاه‌های اتمی را پرتاب و منفجر می‌کند تا این شوک توسط یک پد پوشر به شتاب رو به جلو تبدیل بشود.

مهمترین مزیت این روش، امکان نظری دستیابی آن به سرعت نسبیتی است. برخی از ارزیابی‌ها پیشنهاد می‌کنند این روش می‌تواند به سرعت معادل ۵ درصد سرعت نور برسد (برابر با ۵۴ میلیون کیلومتر بر ساعت). فضاپیمایی با این سرعت می‌تواند فقط در عرض ۲۰ سال به سامانه پراکسیما کنتاوری برسد.

مهمترین اشکال این روش سفر میان ستاره‌ای هم اندازه فضاپیما است. ارزیابی‌ها می‌گویند فضاپیمایی که از بمب هیدروژنی برای تولید پیشرانه پالس اتمی استفاده کند بین ۴۰۰هزار تا ۴ میلیون تن متریک وزن خواهد داشت! سه چهارم این وزن به کلاهک‌های اتمی مربوط است که هر کدام یک میلیون تن متریک وزن خواهند داشت.

هزینه ساخت هم یک مشکل دیگر است؛ چیزی معادل ۲.۶ تریلیون دلار که ۷۵ درصد درآمد دولت ایالات متحده در سال ۲۰۱۹ است! به این ارقام عجیب و غریب، زباله‎ها و تابش‌های رادیواکتیو به جا مانده از فضاپیما را هم اضافه کنید.

موشک فیوژن

یکی دیگر از روش‌هایی که از انرژی اتمی استفاده می‌کند، موشک‌هایی هستند که تراست را به کمک واکنش‌های حرارت هسته‌ای ایجاد می‌کنند. در این روش پالت‌های دتریوم و هلیوم-۳ به کمک پرتوهای الکترون در نقطه‌ای که واکنش همجوشی رخ خواهد داد، فشرده می‌شوند. به این ترتیب پلاسمایی با انرژی بالا تولید می‌شود که به کمک نازل مغناطیسی برای تولید تراست متمرکز می‌شود.

موشک‌های فیوژن هم مثل موشک‌های اتمی مزیت‎های مهمی در زمینه مصرف انرژی و قدرت تکانه خاص دارند. سرعت اولیه این موشک‌ها تا ۱۰۶۰۰ کیلومتر در ثانیه تخمین زده می‌شود که خیلی بیشتر از سرعت موشک‌های مرسوم است. علیرغم هزینه‌های مطالعاتی بالا، تحقیق و آزمایش روی این نوع موشک‌ها همچنان ادامه دارد و شاید نمونه‌های اولیه در عرض چند دهه آینده ساخته بشوند.

نتیجه یکی از مطالعات امکان‌سنجی انجام شده روی این روش توسط انجمن بین‌قاره‌ای انگلیس نشان می‌دهد با این روش می‌توان در طول عمر یک انسان به ستاره برنارد (با فاصله ۵.۹ سال نوری از زمین) رسید. در استیج اول این سفر فرضی که ۲.۵ سال طول می‌کشد، سرعت فضاپیما به ۷.۱ درصد سرعت نور خواهد رسید. سپس این استیج از فضاپیما جدا می‌شود و استیج دوم و کوچک‌تر در طول ۱.۸ سال سرعت فضاپیما را به ۱۲ درصد سرعت نور خواهند رساند.

سپس موتور استیج دوم خاموش خواهد شد و فضاپیما به مدت ۴۶ سال با این سرعت به سفر میان ستاره‌ای ادامه خواهد داد. این یعنی رسیدن به ستاره برنارد ۵۰ سال طول خواهد کشید. مقداری که برای ستاره پراکسیما کنتاوری فقط ۳۶ سال خواهد بود.

البته موانع بزرگی پیش روی این طرح وجود دارد. مثلا هلیوم-۳ به شدت روی زمین کمیاب است و باید آن را از جای دیگری مثل ماه تامین کرد. علاوه بر این واکنش همجوشی که فضاپیما را به حرکت وا می‌دارد به انرژی زیادی نیاز دارد. اگرچه آزمایش‌های روی زمین خوب پیش می‌روند اما تا رسیدن به سطح انرژی تولید شده کافی فاصله زیادی داریم. وزن بالا و هزینه ساخت زیاد اینجا هم یکی از موانع اصلی ساخت فضاپیما محسوب می‌شود.

رم‌جت همجوشی

در این روش که با نام رم‌جت بوسارد هم شناخته می‌شود، فضاپیما با فشرده کردن سوخت هیدروژنی در نقطه همجوشی، رانش مورد نیاز را تولید می‌کند. این روش در سایر روش‌های اتمی هم دیده شده اما اینجا یک تفاوت مهم وجود دارد: رم‌جت بوسارد سوختش را از حرکت در محیط میان ستاره‌ای به دست می‌آورد.

اینکار به کمک یک میدان مغناطیسی بسیار عظیم انجام می‌شود که در حین سفر کار جمع‌آوری هیدروژن را برعهده دارد. سرعت و شتاب فضاپیما این هیدروژن را به میدان مغناطیسی فشرده‌تری وارد می‌کند و آنقدر آن را فشرده می‌کند تا همجوشی اتمی حرارتی رخ بدهد. در نهایت هم انرژی حاصل از این همجوشی برای تولید پیشرانه به نازل هدایت می‌شود.
مهمترین مزیت این روش برای سفرهای میان ستاره‌ای، عدم نیاز و وابستگی به سوخت است. از طرفی سوخت اصلی آن یعنی هیدروژن هم یکی از رایج‌ترین عناصر در طبیعت است که ۹۰ درصد محیط میان‌ ستاره‌ای را تشکیل می‌دهد. حذف یکی از مهمترین بارهای فضاپیما (سوخت) رسیدن به سرعت بالا را هم ساده‌تر خواهد کرد.

اینجا هم اولین چالش سفر میان ستاره‌ای هزینه بالای ساخت رم‌جت بوسارد خواهد بود. اما اگر این مشکل برطرف بشود هم مشکل پسار همچنان پابرجاست. پسار به معنای نیروی کششی است که هر جسمی را از حرکت درون یا اطراف آن نیرو باز می‌دارد. به عبارت دیگر، همان محیط میان ستاره‌ای که سوخت رم‌جت بوسارد را تامین می‌کند، می‌تواند باعث کاهش سرعت آن هم بشود. وضعیتی که با افزایش سرعت موشک بدتر و بدتر خواهد شد. ضمن اینکه دانشمندان اخیرا کشف کرده‌اند تراکم محیط میان ستاره‌ای به مراتب کمتر از چیزی است که در سال ۱۹۶۰ (وقتی این روش برای اولین بار پیشنهاد شد) تصور می‌شد و این می‌تواند چالش‌های جدیدی پیش روی عملی کردن این روش بگذارد.